朱美芳院士/徐桂銀團隊Nature Water：解決全球水危機！
米測MeLab
納米人
2024-03-08
特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。研究背景
隨著全球氣候變化和人口增長的不斷加劇，水資源稀缺已經成為全球性的挑戰。據世界氣象組織最新發布的報告顯示，超過20億人面臨水資源不足的問題，而到2050年，預計這一數字將增至50億。氣候變化導致了更頻繁的極端天氣事件和異常的水循環模式，使得水資源的分配和供應變得更加不均衡。因此，科學家和研究者們對于開發可持續、高效的水資源解決方案的關注日益增強。熱定位太陽能海水淡化技術因其在解決水資源稀缺問題方面的潛在應用而引起了廣泛關注。然而，之前傳統的太陽能海水淡化技術存在能耗高、復雜工序和設備成本昂貴等問題，制約了其在實際應用中的廣泛推廣。傳統太陽能海水淡化技術中的高能耗、設備復雜性和成本問題一直是制約其廣泛應用的主要瓶頸。多級蒸餾系統和高光學濃度要求增加了系統的能耗，而長距離的蒸汽傳輸導致了質量傳輸阻力的增加。此外，為了維持水蒸發和增強蒸汽冷凝，系統需要高液體溫度和高真空級別，進一步提高了能耗水平，這使得將提高的系統蒸發率轉化為實際產水率具有挑戰性。為了克服傳統太陽能海水淡化技術的缺陷，東華大學朱美芳院士/徐桂銀教授團隊在Nature Water發表“Structure integration and architecture of solar-driven interfacial desalination from miniaturization designs to industrial applications”的研究成果。該工作致力于開發新型的太陽界面海水淡化技術。該技術通過采用熱定位能量吸收和傳輸機制，實現了對太陽能的實時利用，避免了熱能轉換和傳輸帶來的能量損失。新興的太陽界面海水淡化系統具有結構簡單、模塊化拼接、緊湊的結構和脫網的優勢。本研究的目標是通過設計和優化策略，展示在不同應用場景下的太陽界面海水淡化設備的優化，并探討其在工業化潛力方面的前景。為實現上述目標，研究團隊將重點關注太陽界面海水淡化系統在適用于不同工藝條件下的熱管理策略、光熱轉化性能和工作性能的優化。通過深入分析系統的設計和優化策略，提出實用的設計指導方案，以滿足不同應用場景的需求。此外，研究還將探討太陽界面海水淡化系統在解決技術、經濟和可持續發展挑戰方面的潛在作用，以及其與其他太陽光熱技術的協同作用，以提高整體系統效率和實際應用前景。 研究內容
為了解決全球水資源稀缺問題和推動可持續發展目標的實現，研究者們進行了一項關于太陽界面海水淡化技術的系統研究。針對太陽能資源豐富但缺乏淡水資源的低收入國家，尤其是中東、北非和撒哈拉以南非洲國家，太陽能海水淡化提供了廣闊的發展前景。圖1a和1b展示了太陽能海水淡化在這些地區的應用前景。傳統的聚光太陽能海水淡化技術（見圖1c）通過收集太陽熱，將海水加熱成蒸汽，然后通過冷凝收集淡水（見圖2a）。這些系統可實現超過1000%的系統效率，但存在能量損失問題。太陽能直接蒸餾系統（見圖2b）雖然簡化了系統結構，但熱轉換效率較低。新興的太陽能界面海水淡化（SID）技術（見圖2c）通過熱局部能量吸收和傳遞機制，實現了太陽能熱量的實時利用，保持了高效率。然而，將SID技術擴大到工業規模以實現實際應用一直是一個挑戰。本研究分析了實現SID系統規模化的設計和優化策略，展示了不同應用場景下的優化SID設備，并總結了SID系統的工業化潛力。基于過去的研究，從實驗室級設備性能到未來的實際工業效率，本研究提出了可行的工業解決方案。這些成果對于推動太陽能海水淡化技術的工業化應用具有重要意義，有助于解決全球水資源短缺問題，并促進可持續發展。 圖3：太陽能海水淡化系統光電催化劑的功能設計和優化策略。在工業化SID設計中，平衡成本時的一個關鍵指標是產水量。相較于單級設計，采用多級設計更具價值。多級系統有望解決系統在自然環境中受到時空變化和天氣變化的影響而產生的太陽光通量波動問題，實現穩態運行。圖3展示了采用高性能太陽能混合驅動的多級系統的原理和示例。太陽能吸收器將短波輻射轉化為電能進行儲存，將長波輻射轉化為熱能用于驅動系統運行。通過適當的光濃度措施，可以提高太陽光通量。在太陽光通量波動時，儲存的電能可以幫助維持系統的穩定運行。需要注意的是，夜間太陽輻射不足可能導致海水淡化系統長時間停機，進而降低系統的平均生產率。然而，在沿海地區，風力充沛、光照充足，可以將這些清潔能源轉化為電能進行儲存，從而確保系統在夜間持續運行，并為其他設備如抽水泵、儲水箱等供電。因此，對于未來設計高性能SID系統，注重系統的抗干擾性、快速響應性和全天候性具有重要的參考價值。前置海水淡化系統結構簡單、易于建造和維護，小型化的設備在經濟高效生產方面具有顯著優勢。它們可廣泛應用于個人家庭、島嶼地區、近海背水地區、災后應急、野外探險和近海工業設施等場合。相比之下，后置系統具有較高的產水率，但制造成本也更高。這種系統主要適用于日照時間長、貧困落后或缺乏電力能源的地區。SID技術的經濟可行性是其應用的主要驅動力，只有當制水成本接近甚至低于自來水和瓶裝水的情況下，才具有商業競爭力。以前的研究表明，SID系統的淡水生產成本可低至每噸0.4美元，顯示了其巨大的經濟潛力。盡管后置或混合驅動系統可能需要更多的組件，從而導致系統成本增加，但后置系統的產水量明顯高于前置系統，且在相同產水量下所需的占地面積更小。淡水生產成本主要取決于設備的材料成本和占用空間的成本。材料成本可以通過技術升級進行優化，但土地是不可再生資源，因此后置SID系統具有明顯的成本優勢。此外，SID技術還帶來了更多的環境和社會優勢，如減少二氧化碳排放，這些方面在未來全面評估技術經濟性時應予以考慮。 總結展望
本文研究了新興的太陽能界面海水淡化（SID）技術在緩解全球水危機和減少碳足跡方面的巨大潛力。前端SID系統以其顯著的優勢，如適應性強、成本低廉、易于生產處理等，已經得到廣泛研究，并在多個應用領域展現出可觀的效益。與此同時， SID系統通過采用高性能冷凝器材料和多級潛熱回收系統，提高了蒸餾效率，增加了水產量，為工業應用帶來了新的發展機遇。然而，要實現系統的商業可行性，需要在水產量、設備壽命和成本之間取得平衡，這需要進一步的研究和優化。此外，通過將太陽能與其他清潔能源相結合，可以實現全天候、高效率的海水淡化系統，為解決全球水危機提供了可行性路徑。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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