朱美芳院士/徐桂银团队Nature Water：解决全球水危机！
米测MeLab
纳米人
2024-03-08
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随着全球气候变化和人口增长的不断加剧，水资源稀缺已经成为全球性的挑战。据世界气象组织最新发布的报告显示，超过20亿人面临水资源不足的问题，而到2050年，预计这一数字将增至50亿。气候变化导致了更频繁的极端天气事件和异常的水循环模式，使得水资源的分配和供应变得更加不均衡。因此，科学家和研究者们对于开发可持续、高效的水资源解决方案的关注日益增强。热定位太阳能海水淡化技术因其在解决水资源稀缺问题方面的潜在应用而引起了广泛关注。然而，之前传统的太阳能海水淡化技术存在能耗高、复杂工序和设备成本昂贵等问题，制约了其在实际应用中的广泛推广。传统太阳能海水淡化技术中的高能耗、设备复杂性和成本问题一直是制约其广泛应用的主要瓶颈。多级蒸馏系统和高光学浓度要求增加了系统的能耗，而长距离的蒸汽传输导致了质量传输阻力的增加。此外，为了维持水蒸发和增强蒸汽冷凝，系统需要高液体温度和高真空级别，进一步提高了能耗水平，这使得将提高的系统蒸发率转化为实际产水率具有挑战性。为了克服传统太阳能海水淡化技术的缺陷，东华大学朱美芳院士/徐桂银教授团队在Nature Water发表“Structure integration and architecture of solar-driven interfacial desalination from miniaturization designs to industrial applications”的研究成果。该工作致力于开发新型的太阳界面海水淡化技术。该技术通过采用热定位能量吸收和传输机制，实现了对太阳能的实时利用，避免了热能转换和传输带来的能量损失。新兴的太阳界面海水淡化系统具有结构简单、模块化拼接、紧凑的结构和脱网的优势。本研究的目标是通过设计和优化策略，展示在不同应用场景下的太阳界面海水淡化设备的优化，并探讨其在工业化潜力方面的前景。为实现上述目标，研究团队将重点关注太阳界面海水淡化系统在适用于不同工艺条件下的热管理策略、光热转化性能和工作性能的优化。通过深入分析系统的设计和优化策略，提出实用的设计指导方案，以满足不同应用场景的需求。此外，研究还将探讨太阳界面海水淡化系统在解决技术、经济和可持续发展挑战方面的潜在作用，以及其与其他太阳光热技术的协同作用，以提高整体系统效率和实际应用前景。 研究内容
为了解决全球水资源稀缺问题和推动可持续发展目标的实现，研究者们进行了一项关于太阳界面海水淡化技术的系统研究。针对太阳能资源丰富但缺乏淡水资源的低收入国家，尤其是中东、北非和撒哈拉以南非洲国家，太阳能海水淡化提供了广阔的发展前景。图1a和1b展示了太阳能海水淡化在这些地区的应用前景。传统的聚光太阳能海水淡化技术（见图1c）通过收集太阳热，将海水加热成蒸汽，然后通过冷凝收集淡水（见图2a）。这些系统可实现超过1000%的系统效率，但存在能量损失问题。太阳能直接蒸馏系统（见图2b）虽然简化了系统结构，但热转换效率较低。新兴的太阳能界面海水淡化（SID）技术（见图2c）通过热局部能量吸收和传递机制，实现了太阳能热量的实时利用，保持了高效率。然而，将SID技术扩大到工业规模以实现实际应用一直是一个挑战。本研究分析了实现SID系统规模化的设计和优化策略，展示了不同应用场景下的优化SID设备，并总结了SID系统的工业化潜力。基于过去的研究，从实验室级设备性能到未来的实际工业效率，本研究提出了可行的工业解决方案。这些成果对于推动太阳能海水淡化技术的工业化应用具有重要意义，有助于解决全球水资源短缺问题，并促进可持续发展。 图3：太阳能海水淡化系统光电催化剂的功能设计和优化策略。在工业化SID设计中，平衡成本时的一个关键指标是产水量。相较于单级设计，采用多级设计更具价值。多级系统有望解决系统在自然环境中受到时空变化和天气变化的影响而产生的太阳光通量波动问题，实现稳态运行。图3展示了采用高性能太阳能混合驱动的多级系统的原理和示例。太阳能吸收器将短波辐射转化为电能进行储存，将长波辐射转化为热能用于驱动系统运行。通过适当的光浓度措施，可以提高太阳光通量。在太阳光通量波动时，储存的电能可以帮助维持系统的稳定运行。需要注意的是，夜间太阳辐射不足可能导致海水淡化系统长时间停机，进而降低系统的平均生产率。然而，在沿海地区，风力充沛、光照充足，可以将这些清洁能源转化为电能进行储存，从而确保系统在夜间持续运行，并为其他设备如抽水泵、储水箱等供电。因此，对于未来设计高性能SID系统，注重系统的抗干扰性、快速响应性和全天候性具有重要的参考价值。前置海水淡化系统结构简单、易于建造和维护，小型化的设备在经济高效生产方面具有显著优势。它们可广泛应用于个人家庭、岛屿地区、近海背水地区、灾后应急、野外探险和近海工业设施等场合。相比之下，后置系统具有较高的产水率，但制造成本也更高。这种系统主要适用于日照时间长、贫困落后或缺乏电力能源的地区。SID技术的经济可行性是其应用的主要驱动力，只有当制水成本接近甚至低于自来水和瓶装水的情况下，才具有商业竞争力。以前的研究表明，SID系统的淡水生产成本可低至每吨0.4美元，显示了其巨大的经济潜力。尽管后置或混合驱动系统可能需要更多的组件，从而导致系统成本增加，但后置系统的产水量明显高于前置系统，且在相同产水量下所需的占地面积更小。淡水生产成本主要取决于设备的材料成本和占用空间的成本。材料成本可以通过技术升级进行优化，但土地是不可再生资源，因此后置SID系统具有明显的成本优势。此外，SID技术还带来了更多的环境和社会优势，如减少二氧化碳排放，这些方面在未来全面评估技术经济性时应予以考虑。 总结展望
本文研究了新兴的太阳能界面海水淡化（SID）技术在缓解全球水危机和减少碳足迹方面的巨大潜力。前端SID系统以其显著的优势，如适应性强、成本低廉、易于生产处理等，已经得到广泛研究，并在多个应用领域展现出可观的效益。与此同时， SID系统通过采用高性能冷凝器材料和多级潜热回收系统，提高了蒸馏效率，增加了水产量，为工业应用带来了新的发展机遇。然而，要实现系统的商业可行性，需要在水产量、设备寿命和成本之间取得平衡，这需要进一步的研究和优化。此外，通过将太阳能与其他清洁能源相结合，可以实现全天候、高效率的海水淡化系统，为解决全球水危机提供了可行性路径。Dang, C., Cao, Y., Nie, H. et al. Structure integration and architecture of solar-driven interfacial desalination from miniaturization designs to industrial applications. Nat Water 2, 115–126 (2024).https://doi.org/10.1038/s44221-024-00200-1。
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