近日，我課題組師生在國際知名期刊Chemical Engineering Journal（IF=16.744）上在線發表了題為“Sandwich-structured MXene/wood aerogel with waste heat utilization for continuous desalination”的研究論文【Chemical Engineering Journal 454 (2023) 140362】，該論文是以上海第二工業大學碩士研究生高歡為第一作者，上海第二工業大學能源與材料學院邴乃慈副教授和于偉教授共同指導的成果。
1.圖文信息
圖1. 圖文信息
2.成果簡介
太陽能驅動的界面蒸發技術在海水淡化中顯示出良好的前景。然而，間歇性的太陽能照射和連續脫鹽過程中的鹽分沉積導致的能源效率降低是應用中的巨大障礙。在此，我們報告了一種三明治結構的MXene/木質氣凝膠與相變材料（PCMs）耦合的高效和連續脫鹽的蒸發器。DWA的多級水傳輸通道以及MXene和DWA增強的熱局域化效應優化了蒸發器的性能。PCMs塊作為余熱回收模塊在很大程度上減少了熱損失。在一次太陽照射下，蒸發率達到2.0 kg·m-2·h-1，能源效率達到92.6%。淡水產量可以達到15kg·m-2·day-1。在間歇性太陽能照射下的蒸發率也高達1.77 kg·m-2·h-1。連續蒸發5天，蒸發性能以及鹽分積累都沒有明顯下降。分析了太陽能驅動的界面蒸發能量平衡、水分運輸、熱局域化和抗鹽機制。這項工作為打破傳統太陽能界面蒸發的局限性，實現間歇性太陽能照射下的穩定脫鹽提供了很好的途徑。
圖2. d-Ti3C2、DWA、d-Ti3C2-DWA和SDIECP系統的制備過程示意圖
圖3. d-Ti3C2、DWA、d-Ti3C2-DWA的微觀表征
圖4. d-Ti3C2、DWA、d-Ti3C2-DWA的水輸運性能
圖5. d-Ti3C2、DWA、d-Ti3C2-DWA的熱局域化性能
圖6. d-Ti3C2、DWA、d-Ti3C2-DWA的水蒸發性能
圖7. d-Ti3C2、DWA、d-Ti3C2-DWA的抗鹽性能
圖8. SDIECP系統蒸發過程的能量平衡機理
圖9. SDIECP系統的戶外測試性能
3. 小結
在這項研究中，我們開發了一個用于海水淡化的三明治結構SDIECP系統。該系統主要由DWA榫卯結構、d-Ti3C2-DWA光熱蒸發層和一個PCM余熱回收模塊組成。我們通過使用交替輻照模擬了陰天的太陽能脫鹽。蒸發率高達2.0 kg·m-2·h-1，能源效率為92.6%，在一個太陽的照射下，每天的淡水產量可以達到15 kg·m-2·day-1。更重要的是，在間歇性太陽光照下的蒸發率也高達1.77 kg·m-2·h-1。此外，在連續蒸發5天的情況下，蒸發性能以及鹽分積累都沒有大的下降。高蒸發率歸因于d-Ti3C2的高光吸收、光熱轉換和DWA的各向異性分層多孔結構之間的協同效應，該結構具有熱定位和有效的水傳輸功能。此外，高的太陽能效率來自于PCMs對蒸發過程中能量損失的再利用。它具有高效的光熱轉換、快速的水傳輸、水汽溢出和合理的余熱儲存和釋放，克服了太陽能的間歇性，從而提高了整體能源效率。這項工作所構建的系統為綠色、高效和可持續的淡水生產提供了一個有前途的解決方案。