南大Nature子刊：解决淡水短缺难题，产水量刷新记录！

研究背景

近年来，随着人口的增长和工业化的兴起，淡水资源变得非常稀缺。21世纪将是水的世纪。20世纪初，国际上就有“19 世纪争煤、20世纪争石油、21世纪争水”的说法。第47届联合国大会更是将每年的3月22日定为”世界水日”，号召世界各国对全球普遍存在的淡水资源紧缺问题引起高度警觉。从全球范围来看，根据联合国统计，全球淡水消耗量比20世纪初以来增加了约6－7倍，比人口增长速度高2倍，全球目前有14亿人缺乏安全清洁的饮用水，即平均每5人中便有l人缺水。随着全球人口的迅速增加和人均收入水平的提高，全球淡水资源紧缺的局面正在逐渐显现。如果不采取节水措施，2050 年全球淡水需求量将增长两倍，给淡水供应带来极大压力。海水淡化是当今世界竞相研究的高新技术，美、法、日、以色列等国的技术已经非常发达，而且已形成海水淡化产业。

太阳能驱动的海水淡化，特别是界面太阳能蒸汽产生，显著提高了蒸发效率，提供了一个有前景的途径，以最小的环境影响缓解水危机。先进的界面太阳能加热技术节能90%以上，应用前景广阔。然而，蒸发需要克服水的蒸发焓(在2,455.6 kJ kg^{– 1}左右)，这大大限制了太阳能对淡水的输出。通常，单级太阳能蒸馏器在1个太阳光照下的理论水蒸发速率约为1.47 kg m⁻² h⁻¹。虽然已经开发了一些技术，如多级蒸发和低压蒸发，以进一步提高产水率，但水的蒸发焓仍然相当大(例如，在1个太阳光照下，10级蒸发的产水率为2.94 kg m⁻² h⁻¹)。相反，反渗透(RO)/纳滤(NF)通过分离膜实现离子和水分子的分离，其理论热力学能较低。热力学恒压反渗透过滤过程在35000 ppm盐海水的理想能耗是1.6 kWh m⁻³。在典型的水回收率为50%的RO阶段，实际消耗的能量为~1.8 kWh m⁻³ (6.48 kJ kg⁻¹)，接近热力学极限。

成果简介

近年来，界面太阳能蒸汽产生在海水淡化方面显示出巨大的潜力，具有较高的太阳能-蒸汽转换效率。然而，淡水产量仍然受到大量的水蒸发潜热和冷凝效率的限制。近日，南京大学朱嘉教授和南京航空航天大学李秀强教授等人设计了一种界面太阳能蒸汽驱动的反渗透/纳滤装置，该装置产生高压，推动水分子通过过滤膜，以实现与离子的分离。太阳能蒸汽驱动的反渗透装置在12个太阳光照下的产水率高达81 kg m⁻² h⁻¹。此外，理论模型表明，通过优化装置的保温和膨胀比，仍有进一步提高淡水产量的可观空间。这项工作为设计高效的小型化或分散式饮用水装置开辟了新途径。这项工作以“Solar steam-driven membrane filtration for high flux water purification”为题发表在国际顶级期刊《Nature Water》上。

图文导读

图1 SSD-RO/NF系统的原理图和理论产水率

图2 SSD-RO/NF装置的设计与搭建

本文首先将界面太阳能蒸汽发生技术与膜过滤净水技术相结合，提高太阳能热淡化的产水率。具体来说，界面太阳能加热产生的高温高压蒸汽推动水分子通过RO/NF膜，实现与离子的分离。与传统的太阳能蒸汽冷凝法相比，太阳能蒸汽驱动(SSD)RO/NF法避免了水分子的直接蒸发，极大地降低了分离所需的能量(图1a)。根据所建立的理论模型，SSD-RO法的理论产水速率比单级太阳蒸汽冷凝法高出两个数量级，与光伏驱动的RO (PV-RO)理论产水速率相当甚至更大 (图1b,c)。通过设计和优化SSD-RO设备的材料、光学、热和结构，作者在12个太阳光照下实现了高达81 kg m⁻² h⁻¹的实验。这项工作有望为高通量太阳能热脱盐提供一种新的策略。

SSD-RO/NF装置的设计和结构如图2所示。该SSD-RO/NF装置主要由增压腔、压力传感活塞、海水腔、淡水腔和汽缸组成。高温高压蒸汽是在升压腔内通过界面太阳能加热产生的。然后，蒸汽推动下面的活塞和海水通过RO/NF膜，完成水的过滤。根据理论计算，装置的保温性能决定了蒸汽的温度和压力，蒸汽的温度和压力又决定了SSD-RO/NF装置的产水速率。因此，作者对SSD-RO/NF装置的保温进行了精心的设计和优化。其中，升压腔与海水腔侧壁夹层之间的真空对热传导和对流有明显的抑制作用。夹层之间的真空被抽到小于5pa使热导率小于0.003 W m⁻¹ K⁻¹。升压腔内壁贴覆导热系数为0.012 W m⁻¹ K⁻¹的防水SiO₂纳米气凝胶毡，进一步抑制热损失。顶部的透明玻璃被做成双层结构，两层玻璃之间有真空(< 5pa)来抑制热量传递。在机械支撑的前提下，选择导热系数低的尼龙作为压敏活塞。

数值计算还表明，蒸汽在增压腔内的膨胀比是影响SSD-RO/NF装置产水率的重要因素。膨胀比与水过滤时蒸汽内能转化为机械能的量有关。考虑到装置的体积和RO/NF膜的最低启动压力，作者得到的最大蒸汽膨胀比为8。最后，为了防止蒸发过程中小液滴的凝结影响透光率，对透明玻璃内壁进行了O₂等离子体处理，使其表面超亲水。

图3 SSDRO/NF装置太阳能蒸发器的设计与特性

图4 SSD-RO/NF设备性能

图5 SSD-RO器件性能分析与仿真

为保证界面太阳能加热在封闭的增压器腔内产生高温高压蒸汽，除了设备优良的隔热SSD-RO/NF外，太阳能蒸发器还应在高温和高压下提供稳定高效的蒸汽，为了获得这种独特的蒸发器，除了光学设计和供水的一般考虑外，还必须仔细定制耐高温/耐压和热定位的结构。作者开发了一种蒸发器，由顶部太阳能吸收体和底部隔热体组成(图3a)。顶部太阳能吸收体作为蒸发器的关键部件，需要有微米大小的孔隙，用于蒸汽的逃逸，高效的太阳能吸收，供水和耐高温/高压。因此，由于泡沫碳的多孔结构和耐高温/高压性能，被选择作为太阳能吸收器制造的初始基板。为了增强亲水性和太阳吸收率，在碳泡沫的原表面涂覆了多壁碳纳米管(CNTs)。

为了进一步验证其在实际应用中的性能，作者在南京进行了室外实验。使用菲涅耳透镜将阳光集中到设备上。实验过程中太阳辐照量由气象站实时记录。2022年7月1日，当自然阳光集中到16个太阳光强度时，SSD-RO装置产生的压力为1.1 MPa，产水率为144.55 kg m⁻² h⁻¹。2022年6月21日，当SSD-NF装置在集中12个太阳光强度下产生0.7 MPa的压力时，产水率达到245.07 kg m⁻² h⁻¹。SSD-RO和SSD-NF器件的Na⁺抑制率分别为99.5%和72%。进料溶液中的NaCl浓度为10,000 ppm。实验室级SSD-RO海水淡化系统的水生产成本使用生命周期成本法估计约为11.79美元/吨。

总结展望

综上所述，作者成功地开发了一种用于水净化的SSD-RO/NF装置。经过精心的设计和实验，SSD-RO装置在12个太阳光照下的产水速率可达81 kg m⁻² h⁻¹，远高于以往的被动太阳蒸汽蒸发和冷凝工作。未来的器件可以通过更好的保温设计和更合理的膨胀比来实现更高的产水速率。作者还相信，这一策略可以提高太阳能热脱盐装置的分散经济可行性和可靠性，并为全球水-能源关系做出坚实的贡献。

文献信息

Solar steam-driven membrane filtration for high flux water purification. (Nat. Water 2023, DOI: 10.1038/s44221-023-00059-8)

https://www.nature.com/articles/s44221-023-00059-8

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