梯度加热在多功能太阳能-脱盐装置中实现水传输、热供给和耐盐性之间更好的平衡

陈传亮，熊联虎，张学忠，田可，戴子健，傅强，邓华*

       太阳能驱动的海水淡化是解决水资源短缺的一种有前途的技术。水蒸发速率，作为太阳能驱动海水淡化蒸发水通量的关键因素之一，决定了产水量和能否在实际环境中使用。目前，研究者们通常将这些光热材料与支撑材料结合起来制备太阳能水蒸发器件，如光热膜、多孔气凝胶和水凝胶等。同时，一些人工蒸腾结构、双层结构和三维结构等也被精心设计来增强水的蒸发速率。此外，向蒸发器中引入额外的气流或太阳能电池，以及利用太阳能-电-热效应等技术也被用于增加水的蒸发速率。然而，大多数太阳能蒸发器的制备复杂，蒸发速率的增加有限（水蒸发速率<5 kg m−2h−1（1个太阳照射下）），有关水运输、热局部化和耐盐性的研究报告需要在高蒸发速率和良好的耐盐性之间进行权衡。难以兼顾高的蒸发速率和较好的耐盐性。水分输运不足不能满足蒸发要求，导致蒸发速率较低，且长期蒸发过程中表面有盐沉积导致蒸发速率下降(图1a)，水分输运充足不能实现有效得热供给，导致蒸发速率较低(图1b)。另一方面，将热电转换模块、盐度梯度和摩擦模块也集成到太阳能蒸发器中进行发电。然而，在这些同时产生清洁水和电力系统中，这些模块器件一般是非集成的，需要额外组件，同时在水蒸发过程中，由于额外组件组占据大量的空间，可能导致水运输不足或者热量不能最大限度的用于水蒸发而降低水蒸发性能。低的蒸发性能率不仅阻碍淡水的生产，而且限制了离子的流动，阻碍了发电。

图1 (a) 传统随机结构的太阳能蒸发器示意图, (b) 传统垂直排列的太阳能蒸发器示意图，（c）带有CCP膜的随机结构的太阳能蒸发器示意图，（d）带有CCP膜的垂直排列结构的太阳能蒸发器示意图

      针对以上问题，四川大学FQ课题组傅强教授和邓华教授提出了一种新型的具有梯度加热功能的一体式多功能太阳能蒸发器。该蒸发器将具有垂直排列结构的亲水性PDA (聚多巴胺) @ CNT (碳纳米管) / PVA (聚乙烯醇)气凝胶作为水蒸发层，实现水的快速运输。在蒸发层周围引入光热疏水性CCP （棉/CNT/聚二甲基硅氧烷（PDMS））薄膜作为加热层，增强了对蒸发层的热供给。该设计在水输送和热供应之间取得了良好的平衡，实现了高蒸发率和良好的耐盐性，同时还可以最大限度地发电。由于蒸发层和加热层之间的润湿性差异，在1个太阳光照射下，CCP膜和PVA气凝胶之间形成了近70℃的稳定温度梯度，使得高温CCP膜上的热量通过其导热网络不断地传递到低温气凝胶上，从而导致在5.0 wt %NaCl盐水( (高于世界平均海水盐度( 3.5wt % )) )中，蒸发速率高达6.96 kgm-2h-1。同时由蒸发诱导产生130mV的稳定电压和120uA的短路电流，通过将蒸发器串联，其储存的电力来点亮（LED）等小型电子设备。此外，该蒸发器在连续7天的测试中表现出良好的稳定性，在实际使用中表现出行业领先的综合性能。更重要的是，在自然光较弱的情况下，在真实的渤海海水中进行测试，生成的淡水可以满足2.6户家庭的每日推荐取水量，同时产生的电压达到60 mV以上。这种简单通用的太阳能蒸发结构适用于大多数文献报道的太阳能热材料的梯度热结构的组装，为最大限度地利用太阳能产生淡水和发电提供了一种新方法。

图2 气凝胶基蒸发器的光热转换性能

图3气凝胶基蒸发器的水蒸发性能

图4气凝胶基蒸发器的耐盐性能

图5气凝胶基蒸发器的发电性能

图6气凝胶基蒸发器的户外真实测试

    相关成果以“Gradient Heating Induced Better Balance Between Water Transportation, Salt resistance and Heat Supply in a High Performance Multi-functional Solar-thermal Desalination Device”发表在Materials Horizons (Mater. Horiz., 2023, DOI: 10.1039/D3MH01105D) 上。通讯作者为四川大学的邓华。四川大学的博士研究生陈传亮为本文的第一作者。感谢国家自然科学基金(51922071)和高分子材料工程国家重点实验室(Grant No. sklpme2020-2-02) 对本工作的支持。

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