大連理工陶勝洋教授團隊在光熱海水淡化方向取得重要進展

2021-01-14 CSPPLAZA光熱發電平臺

問道十四五 共話光熱發展大計

☝☝☝


大連理工大學化工學院陶勝洋教授團隊在光熱蒸發海水淡化方向的最新研究成果發表於環境領域權威期刊Environmental Science & Technology，題為「Rational 3D Coiled Morphology for Efficient Solar-Driven Desalination」(DOI:10.1021/acs.est.0c05449)。文章第一作者為學院新引進教師王玉超副教授。


該工作針對目前三維光熱蒸發器傳質受限造成的界面熱利用較低，且長期海水淡化過程中的鹽析出汙染問題，發展一種卷狀蒸發器，利用其層間微米級狹縫孔強化傳質過程，保證高效穩定的水蒸發及長效的拒鹽效果。



針對淡水資源緊張問題，人類歷史上很早就開始以太陽能蒸發/蒸餾的方式從水體中分離獲得可飲用水，但受限於極低的效率，很難得到廣泛應用。近年來，利用光熱轉化材料將太陽光高效轉化為熱能，並對海水蒸發界面限域加熱，可以極大的提高蒸發效率，在海水淡化領域展現出理想的應用前景。


三維光熱蒸發器由於在太陽光捕獲、熱損失控制、環境熱利用等方面的特殊優勢，逐漸成為研究的焦點。除了界面熱利用效率，水在蒸發器內的傳輸同樣是影響三維光熱蒸發器性能的重要因素。而由於在重力方向較大的尺寸，三維光熱蒸發器內的水傳輸擴散問題是目前研究的重要內容之一。


圖1.卷狀光熱蒸發器海水淡化應用及其導水作用示意圖。


圖2.a卷狀光熱蒸發器製備示意圖；b蒸發裝置示意圖；c卷狀光熱蒸發器的蒸發速率對比；d拒鹽性能測試；e海水淡化測試中蒸發-冷凝裝置照片；f海水及冷凝水樣中常見陽離子濃度。


基於前期對毛細結構導水作用的研究，本工作提出通過將二維平面膜捲曲纏繞的方式製備具有豎直層狀孔隙的三維卷狀光熱蒸發器，利用可控的毛細作用及良好的浸潤性實現對整個蒸發器的高效水傳輸和擴散，確保高的蒸發效率及長效拒鹽能力，一個太陽光輻照強度下蒸發效率可達1.93±0.05 kg m-2 h-1，相比於同材質的平面材料提高44%以上。


在長時間海水蒸發過程，蒸發器表面無明顯鹽析出，保證蒸發器的光熱性能穩定。即使蒸發器表面有鹽沉積，藉助其高的水傳輸擴散能力，鹽會在數小時內溶回海水中。通過冷凝裝置收集到的海水淡化冷凝水中，常見金屬離子的濃度均下降2-4個數量級，遠低於飲用水的標準限值。大尺寸卷狀光熱蒸發器可以藉助現有的成熟卷膜工藝實現規模化生產，展現出良好的應用前景。


該工作的開展，為解決三維形貌下水的傳輸擴散提出新的設計思路，實現了長期穩定的光熱蒸發和拒鹽性能，推動高性能光熱蒸發器的開發，有助於在海水淡化領域實際應用的發展。


該研究得到了國家自然科學基金、引進人才科研啟動項目的資助。


↓↓↓

相關焦點

  • 太陽能光熱海水淡化效率創新高
    2018年，美國能源部宣布資助2100萬美元支持太陽能光熱海水淡化技術研發項目，旨在加快太陽能光熱海水淡化技術的創新突破，降低光熱海水淡化的成本；2019年，我國工業和信息化部、水利部聯合發布的《國家鼓勵的工業節水工藝、技術和裝備目錄(2019年)》中，「太陽能光熱低溫度多效海水淡化技術」被提及。
  • 太陽能光熱海水淡化成本不斷下降
    2018年8月，美國能源部（DOE）宣布資助2100萬美元支持太陽能光熱海水淡化技術研發項目，旨在加快太陽能光熱海水淡化技術的創新突破，降低光熱海水淡化的成本，其中低容量、高鹽度水（如石油和天然氣生產中的滷水）淡化處理成本降至1.5美元/每立方米，大容量、低鹽度的海水或者市政鹽水淡化處理成本降至0.5美元/立方米，從而加快該技術的商業化
  • 太陽能光熱海水淡化技術在海南的推廣應用
    2016年，《海南省「十三五」規劃綱要》進一步明確，要大力培育海洋新興產業，促進海水淡化等高新技術的產業化應用。國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所淡化室副主任趙河立表示，海水淡化是對水資源的重要補充，可有效緩解水資源短缺問題，對改善海南水資源結構，提高安全保障水平，構建多水源保障格局將發揮至關重要的作用。
  • 青島科大董立峰教授團隊在海水淡化反滲透膜研究領域取得進展
    目前，全球海水淡化日產量已達到6530萬噸左右，解決了2億多人的飲水問題。此外，全球直接利用海水作為工業冷卻水的總量每年約7000億立方米左右，替代了大量寶貴的淡水資源。膜技術應用於海水淡化是從上個世紀70年代開始的，此後逐漸得到了大規模應用。現在膜法海水淡化已經佔領了淡化水60%以上的市場。
  • 上海交大鄧濤團隊在《Nature Energy》發表太陽能光熱界面蒸發綜述...
    近日，國際著名學術期刊《自然-能源》（Nature Energy）（2018年影響因子：46.859）在線刊登了上海交通大學材料科學與工程學院鄧濤教授團隊與合作團隊的綜述文章「Solar-driven interfacial evaporation」。
  • 超高效率且穩定的MXene基光熱海水淡化材料
    雖然海水很多，但是淡水很少，這是人類一直以來面臨的一個重大環境問題。因而人們一直在尋找高效的海水淡化方法。大規模、持久的海水淡化首先需要源源不斷的能量，因而太陽能便成為了我們首要的考慮對象。在目前的太陽能能量轉換手段中，光熱轉換因其高能量轉換效率和易用性而在海水淡化和廢水淨化領域受到了廣泛的關注。
  • 寧波材料所在太陽能界面光熱轉化及多介質純化方面取得進展
    太陽能是一種清潔、可再生能源，高效開發和利用太陽能得到全世界的重視，也是我國可持續發展戰略的重要內容。太陽能光熱蒸發技術因其可持續、低/無能耗、零CO2排放等特點，近年來成為分離領域的研究熱點，在海水淡化、汙水淨化等方面展現出巨大應用潛力。
  • 海水淡化技術研究新進展和發展趨勢分析
    關鍵詞：海水淡化技術；研究進展；發展趨勢前言：水資源對人類生存有著重要作用，雖然水資源將大部分地球表面覆蓋，然而96.5%屬於海水，無法直接使用，而僅有0.26%的地下水、湖水與河水等淡水資源可以被人們直接利用。在社會快速發展過程中，人們在水資源需求量方面日益增加，而基於無節制浪費、水生態汙染以及超限度開採等影響，導致世界水資源出現短缺問題，對經濟發展產生一定影響。
  • 美國能源部將投入900萬美元推動太陽能光熱海水淡化技術加速創新
    北極星太陽能光伏網訊:近日，美國能源部（DOE）宣布將投入900萬美元啟動一項獎項競賽——「美國製造挑戰：太陽能海水淡化獎」，旨在推動太陽能光熱海水淡化技術（即利用太陽熱能淡化高鹽度鹹水以生產淡水的技術）加速創新。
  • :局部加熱型多級太陽能蒸餾實現超高效海水淡化
    冷凝熱回收已經在大型多級蒸餾型海水淡化系統上廣泛使用且十分有效，但如何將冷凝熱回收在小型太陽能海水淡化裝置中和太陽能界面蒸髮結合起來仍然存在理論與技術上的諸多挑戰。【成果簡介】近日，上海交通大學製冷與低溫工程研究所的王如竹教授和徐震原副教授等組成的ITEWA創新團隊與麻省理工學院Evelyn N.
  • Interfaces 青島科大張建明教授團隊在規模化製備石墨烯氣凝膠取得重要進展
    近期，青島科技大學高分子學院張建明教授團隊基於氣泡模板法，將天然膠乳粒子成功地複合到了氣凝膠的孔壁中，形成了仿玫瑰花表面的石墨烯孔壁結構，顯著增加了材料的韌性，同時維持了超低的密度（4.6 mg cm-3）。
  • 香港城大李振聲團隊：效率高、成本低、可規模化的海水淡化技術
    ▲第一作者：趙琦通訊作者：李盛亮，李振聲通訊單位：香港城市大學研究背景高效太陽能水蒸發是一種利用「免費」清潔能源太陽能製造局部熱引發非沸騰水蒸發的新技術，有望廣泛應用於海水淡化該技術通過製備雙層碳化硼氣溶膠同時實現優良的水運輸和太陽能全光譜範圍的光熱響應，為解決價格昂貴、光譜響應窄、太陽能利用不足、製備工藝複雜、老化不穩定等關鍵問題提高了一種新選擇。
  • 大連理工大學在低溫等離子體飲用水淨化方向取得新進展
    近日，大連理工大學物理學院高壓放電等離子體研究團隊在低溫等離子體飲用水淨化方向取得新進展，該項研究提出了脈衝氣泡放電等離子體-吸附劑聯用技術，高效去除自然水體中微量天然有機物，並以「Ultra-high synergetic intensity for humic acid removal by coupling bubble discharge with activated carbon」為題
  • 陝西教授團隊連出重大科研成果，頻頻登上頂級期刊
    近期，陝西科技大學材料科學與工程學院學術骨幹王成兵教授帶領的"光熱轉換材料功能化調控及應用創新團隊"（陝西省高校青年科技創新團隊），在光熱轉換材料領域取得一系列重要成果，成果為學院在研究生培養、學科建設等方面提供了有力支撐。
  • 石墨烯在海水淡化領域的應用
    而世界有取之不盡用之不竭的海水，所以從海水中獲得乾淨的飲用水具有非常大的意義。這種特製的石墨烯如同篩子一樣能快速地濾掉海水中的鹽，而只留下水分子，從而實現淡化海水，如圖所示。該項研究成果在成本上也遠低於現有的其他技術，讓人們在海水淡化上又多了一種選擇。中國科學家在利用石墨烯淡化海水方面也取得了巨大成就，在石墨烯功能材料研究方面取得突破性進展，發現了氧化石墨烯薄膜具有精密快速篩選離子的性能。
  • 實現高效友好的汙水淨化和海水淡化!海大課題組研究取得重要進展
    ，實現了汙水處理、海水淡化與波浪監測的有效結合與協同利用。利用豐富無汙染的太陽能驅動界面水蒸發來實現高效的水淨化，近年來成為汙水處理和海水淡化領域的研究熱點之一。然而，光/熱水淨化技術在提高水蒸發與收集效率、環境友好材料使用、三維一體式器件設計、多種能量協同收集與利用等方面還存在很多亟待解決的問題。
  • 大連理工大學科研又有重大突破,10項成果獲國際關注!
    作為國家「211工程」和「985工程」重點建設高校、世界一流大學A類建設高校，大連理工大學以培養精英人才、促進科技進步、傳承優秀文化、引領社會風尚為宗旨，致力於創造、發現、傳授、保存和應用知識。近期，學校在一系列科研領域取得了重要進展。本期帶大家看看這些硬核科研新成果、新發現。
  • 美科學家在光熱發電反射膜研究領域取得重要進展
    當前光熱發電項目普遍採用體積相對龐大、價格昂貴的玻璃反射鏡，而夏威夷創新實驗室正在開發一種可用於光熱發電項目使用的低成本液體金屬塗層（聚合物反射膜）。 ，截至目前該產品在全球光熱發電市場並未得到較大規模應用。
  • 大連理工大學膜科學與技術團隊取得新進展
    大連理工大學膜科學與技術團隊非對稱膜電極材料用於高性能鋰電池儲能取得新進展鋰硫電池由於具有理論容量高(1675 mA h g-1)、能量密度大(2600 Wh kg-1)、硫資源豐富等特點，被廣泛地認為是未來大規模儲能領域應用發展的方向。
  • 高倍聚光光伏光熱一體化系統項目取得新進展
    高倍聚光光伏光熱一體化系統項目取得新進展 2019-08-23 工程熱物理研究所 【字體：中國科學院工程熱物理研究所傳熱傳質研究中心近年來基於高強度傳熱技術研製出高倍聚光光伏電池的控溫冷卻方法，在高倍聚光光伏光熱產業中取得新進展。