1.研究背景
近日，上海先進熱功能材料工程技術研究中心于偉教授團隊在Desalination（脫鹽和海水淡化領域的國際知名期刊，IF=11.211）上發表了題為“Novel solar membrane distillation system based on Ti?C?T? MXene nanofluids with high photothermal conversion efficiency”的研究論文，將納米流體的光熱效應與膜蒸餾系統耦合，大幅提高了直接太陽能加熱膜蒸餾系統的水蒸發效率（提升90%）。該論文是以上海第二工業大學能源與材料學院為第一單位，碩士研究生蔣港凱為第一作者，上海第二工業大學高級工程師雷暉老師為通訊作者。
2.圖文摘要
膜蒸餾（MD）技術作為一種新的脫鹽工藝，它有效地結合了熱處理和膜分離，并且由于其操作溫度和壓力要求較低，展現出巨大的商業應用潛力。同時，它也可以和太陽能結合構成太陽能膜蒸餾（SMD），利用太陽能來進一步節約傳統化石能源的消耗。然而，SMD的光熱轉換效率很低，在系統的簡單設計和高效率方面仍然是一個挑戰。在本研究中，我們開發了一種Ti?C?T? MXene光熱轉換材料，并將其進一步耦合到一個新型的SMD系統中。在這個系統中，光熱轉換粒子吸收太陽光，將太陽能轉換成熱能來加熱進水端，這樣完全消除了額外的能量輸入。實驗結果表明，單層Ti?C?T? MXene具有高效的光熱轉換性能，該系統的膜通量可以達到2.375 kg?m?2?h?1，遠高于先前報道的大多數實驗研究的SMD系統膜通量。我們的研究為實現太陽能的高效利用和膜蒸餾海水淡化提供了實驗和理論依據。
Fig. 1. Preparation flow chart of Ti3C2Tx with different morphologies
Fig. 2. Novel SMD system coupling a new type of photo-thermal conversion material with the membrane distillation system.
Fig. 3. (a) (b) SEM images of the M-MXene. (c) TEM image of the M-MXene sheets. (d) (e) SEM images of the S-MXene. (f) TEM image of the S-MXene sheets. (g) (h) SEM of the TiN. (i) The XRD patterns of MXene and Ti?AlC?.
Fig. 4. The SEM images of PTFE membrane (a) (b) before experiments, (d) (e) after experiments, the contact angle images of PTFE membrane (c) before experiments, and (f) cleaning after the experiments.
Fig. 5. Optical properties of nanofluids: (a) TiN, (b) M-MXene, and (c) S-MXene nanofluids of different concentrations, (d) Three kinds of nanofluids of 0.01 vol%.
Fig. 6. Infrared thermal images of 0.04 vol% TiN, M-MXene, and S-MXene in simulated seawater under 1 sun illumination.
Fig. 7. Evaporation performance of nanofluids with different volume concentrations: temperature and mass change of (a)(b) TiN nanofluids, (c)(d) M-MXene nanofluids, and (e)(f) S-MXene nanofluids, (g) Temperature comparison of three kinds of nanofluids with 0.04 vol%, (h) evaporation efficiency of three kinds of nanofluids.
Fig. 8. Solar DCMD performance: (a) Five dynamic temperatures of 0.04 vol% S-MXene nanofluids, (b) Mass change of four kinds of nanofluids, (c) The membrane flux of four kinds of nanofluids, (d) Product water conductivity, (e) The membrane flux in the cycle test, (f) Comparison of the evaporation rate between our steam generator and the reported steam generator devices in the literature.
3.小結
綜上所述，我們提出了一種新型太陽能膜蒸餾系統，并在實驗室搭建了該系統，同時將光熱轉換材料引入到所設計的系統中。這項工作從分析當前太陽能膜蒸餾系統的關鍵問題開始，目的是提高太陽能光熱利用和海水淡化的效率。同時，通過利用具有優異性能的光熱轉換材料，提高了產水率。與傳統的SMD相比，本研究設計的復合系統具有更高的膜通量，達到2.375 kg?m?2?h?1，并且降低了能源消耗的成本。在未來，可以進一步通過改善系統的隔熱性能，優化操作條件（如進水速度）和優化進水流道及導流格網的設計等，來進一步提高新型SMD系統的產水率。我們的研究為實現太陽能膜蒸餾提供了實驗和理論基礎，這種新型SMD系統在海水淡化和廢水處理中將具有巨大的應用潛力。
作者：蔣港凱，于偉教授，雷暉老師
單位：上海第二工業大學能源與材料學院
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.desal.2022.115930