第一作者：祝子夜
通讯作者：孔慧；马兴龙；熊建银
通讯单位：北京理工大学
论文DOI：
https://doi.org/10.1038/s44221-023-00125-1
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针对逆向蒸馏过程中的结盐问题，北京理工大学机械与车辆学院郑宏飞教授课题组从工程热物理的传统工科角度，提出了一种基于水层逆向蒸发的太阳能蒸馏方法。不采用任何新材料，在海水淡化过程中同时实现了高效率蒸馏和可持续抗盐，有助于推动逆向蒸馏系统可持续、规模化的实际应用。整项研究历经两年多时间，研究成果报道在《自然-水》2023年9月刊中。
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背景介绍
太阳能海水淡化是缓解全世界范围内淡水短缺的有效方法，同时助力于碳中和目标的实现。近期，由太阳能驱动的逆向蒸馏方式展现出了令人惊叹的产水性能，其能量转化效率远超传统太阳能蒸馏方式。这种向下蒸发-冷凝的逆向蒸馏模式消除了向上蒸发-冷凝的传统蒸馏模式在进光阶段的损失，并为实现能量捕集、蒸发冷凝以及隔热功能的组件提供了宽广的选材空间。然而，目前的逆向蒸馏系统几乎都是以亲水材料作为原料水吸附和蒸发的载体，它能够承载的水量极为有限，且盐离子在材料表面上的移动速率极慢，这些导致了逆向蒸馏系统的蒸发性能和抗盐功能之间难以调和的矛盾。由于逆向蒸馏系统本身的供水和蒸发特点，很难像绝大多数向上蒸发的蒸馏系统一样针对其开发出简单而有效的抗盐、排盐策略。难以解决的结盐问题严重影响了逆向蒸馏系统的可持续性，也阻碍了其长期大规模的实际应用。
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本文亮点
这项工作用逆向蒸发的水层替代了以往研究的逆向蒸馏系统中的亲水材料，通过重力便捷地诱发水层内部各处具有不同盐度的水的流动。针对这一特点开发出了两种抗盐和排盐的运行模式，将原本水平放置的装置向上方和下方分别倾斜以构建水层内部的盐水流动，实现抗盐和排盐的功能。以最优的太阳能到水的能量转化效率为目标设计合适的结构参数，并将多个水层叠层放置形成具有回热功能的多级逆向蒸馏结构以实现高效率蒸馏。
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图文解析
该研究使用太阳能吸收器、微孔疏水膜、不锈钢支撑网形成一个具有一定厚度的稳定水层（图1c）。一个位于高处的供水体通过连通的管路在重力的驱动下自动地给水层持续补水。水层的上方和下方分别设置透明的对流盖板和冷凝铝板以分别实现隔热和冷凝功能。
图1. 太阳能驱动的蒸馏模式 (a) 传统蒸馏；(b) 基于亲水材料的逆向蒸馏；(c) 基于水层的逆向蒸馏.
顶部空气层厚度、水层厚度以及传质层厚度是影响系统热性能的三个关键参数。其中，水层厚度在影响系统热性能的同时也影响着发生结盐的风险。水层厚度越大，发生结盐的风险就越低，但与此同时能量转化效率会更低。因此，需要权衡水层厚度，考虑如何在水层厚度尽可能小的情况下也能够实现抗盐功能。研究结果表明能够同时实现高效率蒸馏和抗盐功能的最优化单级结构参数为：顶部空气层厚度10 mm，水层厚度1 mm，传质层厚度3 mm。
图2. 具有不同结构参数的装置的产水结果 (a) 装置结构参数图解; (b) 室内实验效率结果; (c)-(e) 室外实验产水量结果; (f) 室内实验平台; (g) 室外实验平台
水层相比亲水材料的最大优势在于水自由流动的特点，通过重力可以便捷地诱发水层内部各处具有不同盐度的水的流动。针对这一特点开发出了两种抗盐和排盐的运行模式，将原本水平放置的装置向上方和下方分别倾斜以构建水层内部的盐水流动，实现抗盐和排盐的功能。
图3. 三种工作模式. 重力模式和排盐模式是由水平模式下的装置向不同方向倾斜得到的.
装置在不同工作模式下的盐度结果。
图4. 单级装置实验与仿真(a)-(c) 三种运行模式；(d)-(f) 盐度实验结果；(g)-(i)蒸发表面盐度仿真结果.
不同盐水环境下的产水效率结果与盐度结果。单级蒸馏装置在常规3.5 wt%盐水环境下实现了60.6 %的太阳能到水的转化效率，并在21 wt%浓盐水环境下以47.4 %的效率可持续地蒸馏。
图5. 盐水实验结果. (a) 装置图; (b) 实验效率结果; (c)-(g) 盐度结果.
理论和实验研究表明具有1 mm传质层厚度的10级装置具有最好的产水性能。实验结果显示，该10级逆向蒸馏装置在常规3.5 wt%盐水环境下取得354 %的高效率，并在每一级水层中都成功实现抗盐功能。
图6. 10级装置实验 (a) 10级装置结构原理；(b)室内实验结果；(c) 10级装置；(d) 室外实验结果；(e)室内实验平台；(f)产水与盐度结果；(g)温度结果；(h)室外实验平台.
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总结展望
这项研究从热质传递、流体流动的角度对太阳能驱动的逆向蒸馏系统提出了新的见解，揭示了逆向蒸馏系统发生结盐的机理并以可视化的方式诠释了基于水层的逆向蒸馏装置抗盐与排盐的原理，解决了目前高效逆向蒸馏系统中难以克服的结盐问题，极大地促进了逆向蒸馏系统可持续、规模化的实际应用，有助于推动这类海水淡化系统投产落地。未来，对于太阳能蒸馏系统，在开发新材料不断突破效率瓶颈和改善系统可持续性的同时，还可以重点开发新的运行模式，设计新系统并探索新结构，实现新的功能、追求卓越性能。
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心得体会
整项研究工作历时两年多时间。在研究的初期我们开展了大量的预实验研究，重点攻克制造工艺以及密封性等问题，并形成完整的、系统的研究思路。在这之后才正式开始取得有效的实验数据并开展相关的理论和仿真分析。在审稿返修阶段我们补充了重要的实验，更加深刻地诠释了系统的抗盐机理，增加了多级系统结构最优化等研究内容。非常感谢编辑和审稿人对我们工作的认可以及提出的宝贵建议，感谢各位同行对我们的支持。
这项研究工作的顺利开展和完成得益于郑老师团队在太阳能海水淡化领域多年经验的积累，也是团队在已发表的逆向蒸馏相关工作上的延续。最后，感谢国家自然科学基金项目和北京市自然科学基金项目对本研究的支持，感谢北京理工大学提供的实验场地、仪器设备和科研经费支持。
转自：“研之成理”微信公众号
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