Small:基于木片的T型太阳能蒸发器

研究背景

21世纪,淡水短缺正威胁着全球三分之二的人口。利用清洁能源(如太阳能)进行废水回用技术被认为是获取清洁水的有效方法之一。零排放(Zero Liquid Discharge, Z LD)工艺,不仅能回收淡水,还能回收固体盐,是含盐水处理最理想的方法。目前,大多数已报道的太阳能脱盐装置,淡水在它们的上表面蒸发,盐会在光热材料表面结晶并覆盖大部分光热材料。这些积累的盐严重影响了光热材料对太阳光的吸收,并阻碍了水蒸汽的逸散,降低了含盐水淡化的效率。后续一些方案虽然解决了盐的堆积和堵塞问题,但这些蒸发器通常表现出相对较低的海水淡化速率,并且盐扩散回水溶液中没有被收集,无法实现ZLD技术。

文章简介

基于以上科学问题,兰州大学化学化工学院的陈凤娟教授团队和华中科技大学姚永刚教授团队开展联合攻关,他们受到到天然木材各向异性微观结构的启发,设计了具有向异性的T型结构蒸发器。天然木材各向异性微通道实现热限域以及海水的快速蒸发,同时,实现了固体盐的回收。达到了含盐废水零排放的目标。

作者将沿木材生长方向切下的木片(L-wood)表面浸渍FeCl3并进行低温快速碳化制得制得碳化纵向木片(C-L-wood)光热材料,然后与另一L-wood垂直连接,以形成具有各向异性(宏观的T形和微观的木片上定向排列孔道)的T型蒸发器。T型设计提供了一个设计导流的输水路线,在太阳能驱动的蒸发过程中,盐水沿微观孔道被诱导至光热材料表面并继续向边缘输运,随着水分蒸发,光热材料内盐浓度呈现出梯度分布并使盐首先在光热材料两端达到饱和,并最终在边缘沉淀析出并收集。该蒸发器实现了同时获得干净的水和盐的功能,并在1 kW·m-2的光照强度照射下达到了2.43 kg·m2 h1的高蒸发率,太阳能利用效率达到83.6%。利用3.5 wt% NaCl溶液进行了60 h的稳定性实验,实验结果表明,盐可以56.6 g·m-2 h-1的速率析出并回收。

这一研究通过各向异性设计,实现了水的导流输运、热隔绝、以及盐收集,使蒸发器的性能和长期稳定性都得到了显著提高,有望应用于海水淡化、含盐废水零排放处理、盐回收等各个领域。

图1. a)太阳能驱动的传统蒸发器示意图。盐在蒸发器表面沉积,导致太阳能吸收率降低。又由于蒸发器直接浮在水面上,热量容易扩散到水体。b)太阳能驱动ZLD的T型蒸发器。C-L-wood与另一块L-wood原木组装成T型结构。盐水从L-wood(“│”)的孔道输送到C-L-wood(“─”)的中线处,然后向光热材料两端输送,在此过程中,水被蒸发,盐在边缘达到饱和析出。该T型装置具有良好的热管理性能,可确保热量限域于材料上表面,从而确保长时间、高速率的淡化过程。

本研究由国家自然科学基金项目(No. 21876072);中央引导地方科技发展专项基金项目(2020);兰州市人才创新创业项目(批准号: 2018-RC-04);甘肃省重点研发专项计划(17YF1FA132)的支持。

通讯作者简介

姚永刚,华中科技大学教授,博士生导师。长期从事材料超高温合成和非平衡制造,特别是包括高熵合金和金属玻璃在内的亚稳态材料的研究,相关新材料主要应用于清洁能源与环境应用。同时致力于材料的智能化开发与处理,利用高通量实验和机器学习,大大加速新材料和新工艺的智能化升级。在Science(封面)、Nature NanotechnologyScience Advances等学术期刊发表论文90余篇,论文总被引用9000余次。申请美国专利8项,其中3项已授权,其工作获得美国“2020 R&D 100 award”。担任Metals、Frontiers in Energy Research编委会成员,以及Nano Research的客座编辑。

课题组网站:http://faculty.hust.edu.cn/YAOYONGGANG/zh_CN/index.htm

陈凤娟,兰州大学化学化工学院教授,硕士生导师。长期从事环境修复领域的研究工作。包括:高浓度氨氮废水、高浓度COD废水、高盐水等工业废水处理工艺开发;高性能水处理材料的开发及产业化应用;氮氧化物资源化治理工艺开发; 低温催化降解VOCs催化剂的研发及产业化应用。承担多项“产学研”合作课题。获得国家自然科学基金青年基金、面上项目,四川省科技成果转化示范项目以及甘肃省重点研发专项的支持和资助。获得“中国创新挑战赛”(南充赛区)一等奖,“兰州市创新创业大赛”二等奖。目前在Environment Science & TechnologyAdvanced Energy MaterialsACS Nano等学术期刊发表论文50余篇。申请国家发明专利10余项,授权6项,授权美国发明专利1项。担任Chinese Chemical Letters 青年编委。

论文信息:

Anisotropic Evaporator with a T‐Shape Design for High‐Performance Solar‐Driven Zero‐Liquid Discharge

Hanwen Liu, Ruizhi Jin, Sicong Duan, Yujun Ju, Zhuoyue Wang, Ke Yang, Baodui Wang, Bo Wang, Yonggang Yao*, Fengjuan Chen*

DOI: 10.1002/smll.202100969