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近日，制冷與低溫工程研究所“能源-水-空氣”交叉學(xué)科創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)ITEWA在Nature Communications上發(fā)表了題為“Ultra-high freshwater production in multistage solar membrane distillation via waste heat injection to condenser”的研究論文，提出了基于熱增壓強(qiáng)化的多級(jí)太陽(yáng)能膜蒸餾策略，通過(guò)在蒸餾裝置末端利用低溫?zé)嵩催M(jìn)行加熱，從而提升系統(tǒng)整體的運(yùn)行溫度和蒸發(fā)-冷凝蒸汽壓差，實(shí)現(xiàn)更高的蒸汽通量。本文的第一作者為博士后Primo? Poredoš、高金彤和博士生山訸，王如竹教授和徐震原教授為通訊作者。
隨著氣候變化的加劇，人們對(duì)水資源安全問(wèn)題日益關(guān)注，水資源問(wèn)題不僅與生態(tài)系統(tǒng)密切相關(guān)，還影響到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。利用可再生能源（如太陽(yáng)能）實(shí)現(xiàn)海水淡化是解決水資源安全問(wèn)題的重要途徑。現(xiàn)有的海水淡化方法中，熱驅(qū)動(dòng)的多級(jí)膜蒸餾技術(shù)近年來(lái)愈發(fā)受到關(guān)注，尤其在材料和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面取得了顯著進(jìn)展，但該技術(shù)仍存在進(jìn)一步提升的空間：首先，多級(jí)膜蒸餾裝置中產(chǎn)水速率逐級(jí)下降，裝置利用率隨級(jí)數(shù)增加而降低，整體產(chǎn)水性能與理論極限相比還有極大的提升空間；其次，需進(jìn)一步探索在緊湊型膜蒸餾裝置中引入額外熱源的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，并優(yōu)化裝置運(yùn)行。
本文提出了一種新型的多級(jí)太陽(yáng)能膜蒸餾系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)（圖A1）在系統(tǒng)末端只考慮冷卻的思路不同，新系統(tǒng)在末端利用低溫?zé)嵩催M(jìn)行加熱，從而提升系統(tǒng)整體的運(yùn)行溫度和蒸發(fā)-冷凝蒸汽壓差（圖A2），作者將其稱為溫度增壓（Stage temperature boosting,STB）方法。該做法實(shí)現(xiàn)了意想不到的提升效果，尤其在裝置整體產(chǎn)水量方面的提升非常明顯。
作者通過(guò)理論計(jì)算揭示了通過(guò)溫度提升來(lái)提高蒸汽壓差的熱增壓物理機(jī)制，以及熱增壓對(duì)蒸發(fā)-冷凝間蒸汽通量的提升作用。以氣隙厚度為2mm的單級(jí)膜蒸餾過(guò)程為例，蒸汽通量與蒸發(fā)、冷凝之間的溫差呈非線性關(guān)系，溫度越高則相同溫差所產(chǎn)生的蒸汽通量越大（圖A3），這是由于水的飽和蒸氣壓隨溫度上升呈指數(shù)增加。因此可以通過(guò)引入外部熱源（低溫余熱等）加熱的方式提高裝置整體溫度以實(shí)現(xiàn)熱增壓，從而提升產(chǎn)水速率。
基于該原理作者設(shè)計(jì)并組裝了如圖A3所示的多級(jí)膜蒸餾裝置，裝置頂部的太陽(yáng)熱能輸入分別通過(guò)電加熱（D1）、選擇性吸光板（D2）和光熱膜（D3）實(shí)現(xiàn)，裝置內(nèi)部的電加熱器件用于模擬其他熱源并實(shí)現(xiàn)熱增壓，三種裝置的級(jí)數(shù)分別為5級(jí)（D1）和8級(jí)（D2和D3）。對(duì)蒸餾裝置在不同太陽(yáng)輻照強(qiáng)度和加熱功率條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明電加熱位置越靠前，整體產(chǎn)水速率的提升越明顯（圖A4），這符合多級(jí)冷凝熱回收的運(yùn)行規(guī)律。同時(shí)，蒸餾系統(tǒng)各級(jí)的產(chǎn)水速率并不像常規(guī)系統(tǒng)那樣逐級(jí)下降，反而逐級(jí)上升（圖A5中的陰影區(qū)域）。在1000 W m-2的太陽(yáng)輻照強(qiáng)度下，通過(guò)最后兩級(jí)分別以250 W m-2的功率進(jìn)行加熱實(shí)現(xiàn)了9.0 L m?² h?¹產(chǎn)水速率，綜合能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到407%。與采用聚光太陽(yáng)能膜蒸餾（3000 W m-2）相比，產(chǎn)水速率和能量轉(zhuǎn)換效率分別提高了409%和816%（圖A6）。單級(jí)平均產(chǎn)水速率達(dá)到了1.13 L m?² h?¹的新紀(jì)錄，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上提高了88%。進(jìn)一步的模擬結(jié)果表明，在十六級(jí)的太陽(yáng)能膜蒸餾系統(tǒng)采用這種熱增壓方式強(qiáng)化，其產(chǎn)水性能與光伏-反滲透（PV+RO）技術(shù)相比具有競(jìng)爭(zhēng)性（圖A7）。
本文揭示了一種利用低溫余熱對(duì)多級(jí)太陽(yáng)能膜蒸餾進(jìn)行熱增壓強(qiáng)化的方法，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法在提升膜蒸餾系統(tǒng)產(chǎn)水速率的有效性。研究成果為新型的高效、緊湊膜蒸餾器件提供了新的設(shè)計(jì)思路，在實(shí)現(xiàn)低成本海水淡化方面具有巨大潛力。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51880-y
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