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于淼教授课题组在太阳能海水淡化研究领域取得重要进展
发布人:吴洁  发布时间:2021-04-06   浏览次数:20

近日,我校城市水资源与水环境国家重点实验室于淼教授课题组在太阳能海水淡化研究领域取得重要进展。该工作针对海水淡化的核心挑战,即蒸发过程中积盐问题,提供了有效解决方法;通过构建具有抗盐-吸水功能蒸发体系,实现高速率、长寿命、高稳定性的太阳能海水淡化。相关工作成果以A Solution to Break the Salt Barrier for High-Rate Sustainable Solar Desalination为题发表于Energy & Environmental ScienceIF=30.289)上。论文第一作者为于淼教授课题组2017级博士生朱林。

 

淡水资源严重短缺已成为社会经济发展中不可回避的难题。利用可持续能源(如太阳能)进行海水淡化显示了可观前景,然而其实际应用性却面临巨大挑战。虽然越来越多的太阳能蒸水系统在去离子水中表现了良好的工作性能,但当应用于海水蒸发,大量的积盐却可以阻挡阳光、降低光热转换效率、堵塞供水和蒸汽释放通道,在几小时内导致蒸发效率的急剧下降,使系统无法工作。而且,蒸发效率越高的系统,该问题就更为显著。因此,除了获得更高的蒸发率,有效解决积盐问题是太阳能海水蒸发应用的关键核心。

于淼教授团队采用三维锥形蒸发器,以棉网在盐度最高和最低区域之间建立桥梁(图1),在浓度梯度的驱动下,构筑了水-盐循环,实现自动斥盐-吸水功能。结合所用蒸发材料的多孔、超疏水、高吸光和光热转换性能,在打破太阳能海水淡化中积盐屏障的同时,获得了高蒸发效率 (图2)。研究结果表明,在一个模拟太阳光下(one sun),蒸水速率高达2.8 kg m-2 g-1;在常规浓度(3.5 wt%)盐水中循环30(每天12 小时)或者在高浓度盐水(20 wt%)中持续蒸水400小时,不仅没有发生蒸发器积盐,同时蒸水速率保持不变。即使采用更高的光照强度(three sun)使得蒸水速率提高到6.0 kg m-2 g-1,持续12小时蒸水同样未发生积盐,且蒸水率高度稳定。此外,蒸发出的水中离子浓度远优于世界卫生组织和美国环境保护局饮用水标准。

这项工作不仅解决了太阳能海水淡化的首要挑战,而且对于研发具有高蒸水效率、长期运行寿命、高运行稳定性的高性能光蒸发系统提供了有效策略。

 

1 蒸发器的设计其自动斥盐-吸水功能示意

 

2蒸发循环稳定性和蒸发水的离子浓度one sun

 

研究工作得到了国家自然科学基金(21473045, 51772066)和城市水资源与水环境国家重点实验室自主课题(2018DX04)的资助。于淼教授课题组长期从事功能性纳米材料的设计和性能研究,先后在单原子层有机半导体、光致石墨烯精准功能化、海水淡化及能源电池应用等方面取得了突破性成果。相关成果发表在Nature ChemistryNature CommunicationsJ. Am. Chem. Soc.Angew. Chem. Int. Ed.ACS NanoNano Lett.Nano Energy等期刊。

论文链接:https://doi.org/10.1039/D1EE00113B