福建農林大學-袁占輝團隊 | 水凝膠纖維織物實現高耐鹽性太陽能海水淡化

【文章簡介】

近日，福建農林大學材料工程學院袁占輝教授團隊（生物質基先進催化及功能材料團隊）在太陽能海水淡化領域取得進展，在國際材料、能源類頂級期刊《Nano Energy》在線發表論文題目為“Hydrogel Fiber Fabric Combining Rapid Water Transport, Thermal Localization, and Large-Scale Production For Ultra-High Salt-Resistant Solar Desalination”。福建農林大學為本文第一完成單位, 團隊負責人袁占輝教授為第一通訊作者，碩士研究生俞建勇為第一作者，福建農林大學的李建國教授、澳大利亞昆士蘭大學的Minsu Han教授，陜西科技大學安盟副教授和東華大學的陳碩副教授為共同通訊作者。

【研究背景】

近年來，太陽能海水淡化技術具有低能耗、綠色環保的特點受到了越來越多的關注。由于在海水淡化過程中鹽分在蒸發界面結晶沉積會嚴重破壞其蒸發性能，甚至使得太陽能蒸發器無法繼續使用，這要求太陽能蒸發器需要具有良好的耐鹽性能。此外，目前絕大多數具有耐鹽性的太陽能蒸發器的制備方法都難以規模化生產，而這恰恰是實現太陽能海水淡化工業化的關鍵所在。因此，合理設計一種同時具備優異蒸發速率、超高耐鹽性和規模化生產的太陽能蒸發器至關重要。

【文章內容】

1.HFF-C蒸發器的設計思路

為了解決上述問題，本論文通過濕法紡絲方法制備了海藻酸鈉/還原氧化石墨烯(SA/rGO)水凝膠纖維，并進一步利用編織技術制備了緊密編織的水凝膠纖維織物(HFF-C)。HFF-C同時具備水凝膠和纖維織物的特點，并且合理的結構設計使得HFF-C蒸發器具有高效的水輸送和優異的熱管理性能。通過與塊狀水凝膠和松散編織的水凝膠纖維織物(HFF-L)的實驗對比，證明了水凝膠纖維的多孔結構和纖維之間毛細效應的協同作用，使得HFF-C蒸發器具備優異的蒸發速率和超高的耐鹽性(圖1)。

圖1。 a) 傳統H-B蒸發器, b) HFF-L蒸發器原理說明;水凝膠纖維間距為1mm, c) HFF-C水凝膠蒸發器;水凝膠纖維之間幾乎沒有空隙。

2.HFF-C的制備過程

此外，HFF-C具有規模化制備的潛力，如圖2所示，該方法可以大規模的制備SA/rGO漿料，通過濕法紡絲方法可以制備上百米的水凝膠纖維，并且通過編織機制備了大面積HFF-C蒸發器(13×100 cm²)，證明了該方法具有工業化應用的前景。通過SEM發現水凝膠纖維具有多孔結構，這也有利于水分的傳輸。

圖2。(a) H-B、HFF-L、HFF-C的制備過程示意圖。b) SA/rGO復合漿料,c) 在卷筒軸上收集的水凝膠纖維, d) HFF-C的編織過程, e) 大面積的HFF-C蒸發器(13×100 cm²)。(f)水凝膠纖維的SEM橫截面圖。

3.HFF-C的水傳輸和熱管理能力

如圖3a所示，三種蒸發器的表面溫度在10分鐘內升到了33.8℃，并且熱量被限制在二維的蒸發表面上用于水分蒸發，而沒有向下傳遞熱量，從而減少了熱量損失(圖3b)。這是由于在蒸發器的底部引入隔熱泡沫來阻止向下的熱量傳遞，展示了出色的熱管理能力。為了進一步了解HFF-C的潛在機制，采用有限元模擬方法對H-B、HFF-L和HFF-C三種蒸發器的水傳輸和熱分布進行了計算。如圖3c-e所示，三種蒸發器的水流速分布。HFF-C促進水在水凝膠纖維之間的運輸，保持高流速傳輸到二維蒸發表面。水凝膠纖維之間的快速水輸運主要來源于水分子的非連續集體擴散從而減少水分傳輸的阻力。此外，快速的水分傳輸也增強了離子的輸送，這有助于避免蒸發表面的鹽結晶。 但過多的水輸運也會增加熱量損失，不利于水分的蒸發。為了實現高速率的水蒸發和耐鹽性，熱量需要被限制在蒸發表面上。我們對三種蒸發器的溫度分布進行了數值模擬(圖3f-h)。HFF-C不僅具有高效的水分輸送能力，而且它還能有效地將熱量集中在蒸發表面為水分蒸發提供能量。證明了HFF-C具有高效的水傳輸能力和熱量定位能力。

圖3。a)三種蒸發器在一倍太陽光下的升溫曲線。(b) H-B (左)、HFF-L (中)、HFF-C(右)蒸發器的紅外圖像。c) H-B、d) HFF-L、e) HFF-C水流量分布數值模擬結果。f) h - b、g) HFF-L、h) HFF-C溫度分布數值模擬結果。

4.HFF-C的海水淡化性能

通過拉曼光譜證明了水凝膠存在中間態的水，并且理論計算也進一步證明了水凝膠可以降低水分蒸發所需的能量 (圖3b-d)。如圖3e所示，經過計算HFF-C的等效蒸發焓與純水相比出現明顯下降。對三種蒸發器的海水淡化性能進行測試，如圖3f-h所示，HFF-C蒸發器在20 wt%的鹽水中仍具有優異的蒸發速率(4.13 kg m^-2 h^-1), 在光照8小時后，蒸發器表面沒有發生鹽沉積的現象，并且能夠一直保持優異的蒸發速率，而H-B和HFF-L的蒸發器表面在光照8小時后均被鹽覆蓋，并且速率出現了明顯下降，這也進一步證明了HFF-C結構的優越性。經過與已報道的文獻相比，HFF-C蒸發器的速率具有明顯優勢。

圖4所示。(a) H-B、HFF-L和HFF-C三種蒸發器在一倍太陽光照射下的質量變化。(b)拉曼光譜。(c) SA和水的分子模擬圖片。(d) O_water和O_water之間的RDF曲線。(e) 純水、H-B、HFF-L和HFF-C蒸發器在黑暗條件下的蒸發速率和等效蒸發焓。(f) H-B、HFF-L和HFF-C蒸發器在不同濃度鹽水中的蒸發速率。(g) H-B、HFF-L和HFF-C蒸發器在20 wt%鹽水中光照8 小時的表面鹽結晶照片。(h) H-B、HFF-L和HFF-C蒸發器在20 wt%的鹽水中蒸發速率的變化。(i) HFF-C蒸發器與文獻的對比圖。

5.HFF-C耐鹽的機理分析

為了進一步證明HFF-C的耐鹽性能，將固體鹽顆粒放在H-B和HFF-C蒸發器表面。HFF-C表面的鹽顆粒在20min內逐漸溶解到底部水中，而H-B表面的鹽顆粒卻仍未溶解(圖5a和5b)。HFF-C優異的耐鹽性能可歸因于其超親水性、多孔結構和纖維間的毛細力。此外，由于大量的水分被蒸發，HFF-C中的高濃度鹽水與模擬海水之間產生鹽度差，這有利于鹽離子從HFF-C的表面通過對流和擴散回流到底部水中 (圖5c)。并且通過理論計算進一步證明了，鹽離子在HFF-C蒸發器中能夠快速擴散并回流到底部水中。因此，HFF-C蒸發器表面的鹽濃度低于結晶濃度(圖5f)，而H-B和HFF-L蒸發器表面的許多區域濃度大于5400 mM，從而導致鹽結晶。

圖5。a) H-B和b) HFF-C蒸發表面鹽顆粒溶解情況。c) HFF-C表面的高濃度鹽通過擴散和對流回流到底部。d) H-B、e) HFF-L、f) HFF-C的鹽度分布數值模擬結果。

6.HFF-C的室外實驗

如圖6a所示，利用編織機成功制備了大面積HFF-C蒸發器 (20×20 cm²)。它具有良好的機械性能，可折疊，靈活性高，便于儲存和使用。如圖6 b和c所示，大面積HFF-C蒸發器在室外陽光照射下生產淡水，經過10小時的照射可以生產570 g的淡水 (圖6d)。經過淡化之后的離子濃度達到了可飲用的標準 (圖6e)。

圖6。a-c) HFF-C蒸發器室外測試。d)室外環境條件。e)海水淡化前和后離子濃度的變化。

【結論】

本研究提出了一種新穎的基于太陽能水凝膠的蒸發器設計理念，首次結合水凝膠和纖維織物的優點制備了HFF-C蒸發器。通過合理的結構設計使得HFF-C蒸發器具有高效的水傳輸能力和良好的熱定位的能力。HFF-C蒸發器在20 wt%的鹽水中具有優異的蒸發速率(4.13 kg m^-2 h^-1), 在光照8小時后，蒸發器表面沒有發生鹽沉積的現象，同時HFF-C具有大規模制備的能力。本研究為太陽能海水淡化蒸發器提供了新的思路。

原文鏈接: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108847

團隊網站：http://acfm.fafu.edu.cn