加州大学圣地亚哥分校陈仁坤教授Adv. Energy Mater.: 内嵌聚电解质碳基多孔蒸发器零结晶盐连续太阳能海水淡化

引言

近年来，太阳能海水淡化成为能源领域研究热点。虽然目前蒸发器光热转换效率已接近90%，但是传统的蒸发器通常采用微米级多孔结构进行毛细蒸发，而毛细多孔结构容易被结晶盐堵塞，同时海水蒸发后容易在在蒸发器表面形成结晶盐从而降低太阳光谱吸收率，因此当前蒸发器需要定时清理或只能在低盐浓度、低光强条件下运行以保证结晶盐能及时溶解并扩散回海水中。由此可见，如何实现有效补水同时防止盐离子进入蒸发结构是连续、高效太阳能海水淡化技术的瓶颈。

成果简介

近日，加州大学圣地亚哥分校陈仁坤教授团队在Advanced Energy Materials上报道了内嵌聚电解质水凝胶的多孔碳基蒸发器用于长期、连续、高效的太阳能海水淡化。与传统毛细压力驱动的蒸发器不同，该蒸发器利用聚电解质水凝胶的渗透压力实现高效补水，同时聚电解质具有高离子强度，因此大部分（> 80%）盐离子被阻挡在海水/膜界面。实验表明，该蒸发器最高提供24 LMH补水效率，相当于15 suns条件下的蒸发率。在使用海水和1 sun的条件下，该蒸发器实现1.3 LMH蒸发率，并且在连续稳定运行超过288小时后仍未在其多孔结构及表面发现结晶盐。该蒸发器表现的高渗透压和高除盐率不仅解决了传统毛细压力驱动海水淡化的液体补充和盐分聚积问题，还适用于其他需要高流量、高除盐率的膜分离场合。

图文导读

图1.

(a) 蒸发速率测试装置。(b) 聚电解质驱动液体补充和除盐原理。(c) 聚电解质碳基多孔蒸发器微观结构表征。(d) 蒸发器太阳光谱吸收率大于97%。(e) 聚电解质FTIR表征。

图2. 聚电解质蒸发器补水效率和除盐率表征。

(a) 聚电解质渗透压大于240 atm。(b) 聚电解质吸水率大于24 LMH。(c) 聚电解质除盐率大于80%。(d) 传热模型。

图3.

(a)和(b) 采用去离子水条件下的蒸发率。1 sun条件下蒸发率约为1.6 LMH，3 suns条件下蒸发率约为4.6 LMH。(c)和(d) 采用3.6 wt.% NaCl溶液条件下的蒸发率。1 sun条件下蒸发率为1.24 LMH。(e) 无内嵌聚电解质条件下，采用盐溶液蒸发后毛细孔被结晶盐堵塞。(f) 蒸发过程中的表面温度。

图4.

(a) 内嵌聚电解质后，在采用盐溶液和2 suns条件下，蒸发率稳定在2.4 LMH左右；无内嵌聚电解质时，蒸发率仅为1.7 LMH，6小时后下降至1.1 LMH。(b) 无内嵌聚电解质时，蒸发器表面有结晶盐沉淀。(c) 内嵌聚电解质蒸发器在2 suns条件下连续稳定运作72小时并(d) 在户外条件下连续稳定运行6天。

图5.

对比传统基于毛细驱动的蒸发器，本文采用渗透压驱动和除盐，稳定运行时间更长（连续光照，无结晶盐沉淀）。

图6.

(a) 采用海水和1 sun连续照射条件下（24小时连续照射），聚电解质碳基蒸发器稳定运行超过12天（288小时）。(b) 表面无结晶盐沉淀。(c) 表面温度。

总结

本文提出一种新型的渗透压驱动方式用于连续、稳定、高效的太阳能海水淡化。与传统毛细压力驱动不同，该蒸发器驱动压力不受限于孔径大小。聚电解质具有高渗透压 (240 atm)，因此能够提供高吸水率.同时其具有高离子强度，因此还有高除盐率，因此，该新型蒸发器在连续高效蒸发情况下，实现零结晶盐沉淀。渗透压驱动为连续稳定太阳能海水淡化提供新的技术方法，并适用于其他具有高驱动压力和抗污能力要求的场合。

文献链接:  Osmotic Pumping and Salt Rejection by Polyelectrolyte Hydrogel for Continuous Solar Desalination

DOI: doi.org/10.1002/aenm.201900552

本文由加州大学圣地亚哥分校陈仁坤教授课题组供稿。

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