陈凤娟教授&姚永刚教授 SMALL: T形设计的各向异性蒸发器，可实现高性能的太阳能驱动的零液体排放- 大数跨境

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陈凤娟教授&姚永刚教授 SMALL: T形设计的各向异性蒸发器，可实现高性能的太阳能驱动的零液体排放

科学材料站

2021-05-11

导读：本文通过各向异性设计，实现了水的导流输运、热隔绝、以及盐收集，使蒸发器的性能和长期稳定性都得到了显著提高，有望应用于海水淡化、废水零排放处理、盐回收等各个领域。

研究背景

21世纪，淡水短缺正威胁着全球三分之二的人口。利用清洁能源（如太阳能）进行废水回用技术被认为是获取清洁水的有效方法之一。其中，盐水淡化技术通过将高盐废水或海水中溶质溶剂分离来获得洁净水的过程，同时，为了提高资源利用效率，人们还设计了零排放(Zero Liquid Discharge, Z LD)工艺，不仅能回收淡水，还能回收固体盐，是含盐水处理的最理想方法。

目前，大多数报道的太阳能脱盐装置，淡水在它们的上表面蒸发，盐会在光热材料表面结晶并覆盖大部分光热材料。这些积累的盐严重影响了光热材料对太阳光的吸收，并阻碍了水蒸汽的逸散，降低了含盐水淡化的效率。后续一些方案虽然解决了盐的堆积和堵塞问题，但这些蒸发器通常表现出相对较低的海水淡化速率，并且盐扩散回水溶液中没有被收集，无法实现ZLD技术。

文章简介

基于以上科学问题，兰州大学化学化工学院的陈凤娟教授团队和华中科技大学姚永刚教授团队开展联合攻关，开发了一种具有各向异性的T型结构的光热蒸发器，同时实现高性能淡水获取和盐回收，即实现了零液体排放过程。

相关成果近日已在small上发表（2021， 2100969，DOI: 10.1002/smll.202100969）。作者将沿木材生长方向切下的木片(L-wood)表面浸渍FeCl3并进行低温快速碳化制得制得碳化纵向木片（C-L-wood）光热材料，然后与另一L-wood垂直连接，以形成具有各向异性(宏观的T形和微观的木片上定向排列孔道)的T型蒸发器。

T型设计提供了一个设计导流的输水路线，在太阳能驱动的蒸发过程中，盐水沿微观孔道被诱导至光热材料表面并继续向边缘输运，随着水分蒸发，光热材料内盐浓度呈现出梯度分布并使盐首先在光热材料两端达到饱和，并最终在边缘沉淀析出并收集。

该蒸发器实现了同时获得干净的水和盐的功能，并在1 kW·m-2的光照强度照射下达到了2.43 kg·m−2 h−1的高蒸发率，太阳能利用效率达到83.6%。利用3.5 wt% NaCl溶液进行了60 h的稳定性实验，实验结果表明，盐可以56.6 g·m-2·h-1的速率析出并回收。

这一研究通过各向异性设计，实现了水的导流输运、热隔绝、以及盐收集，使蒸发器的性能和长期稳定性都得到了显著提高，有望应用于海水淡化、废水零排放处理、盐回收等各个领域。

图1. a)太阳能驱动的传统蒸发器示意图。盐在蒸发器表面沉积，导致太阳能吸收率降低。又由于蒸发器直接浮在水面上，热量容易扩散到水体。b)太阳能驱动ZLD的T型蒸发器。C-L-wood与另一块L-wood原木组装成T型结构。盐水从L-wood(“│”)的孔道输送到C-L-wood(“─”)的中线处，然后向光热材料两端输送，在此过程中，水被蒸发，盐在边缘达到饱和析出。该T型装置具有良好的热管理性能，可确保热量限域于材料上表面，从而确保长时间、高速率的淡化过程。

文章内容

1、光热材料的制备与结构表征

Fe3+作为路易斯酸可以催化纤维素的热解，在本研究中，作者制备了一块尺寸为1.5× 1.5× 0.1 cm的纵向轻木，然后将L-wood的一个表面浸入FeCl3水溶液(15 wt%)中。在室温下干燥24小时后，得到Fe3+-L-wood。之后样品在电热板上250℃碳化20 s，形成C-L-wood。

由于Fe3+离子仅负载在L-wood的表面，经过表面碳化处理后，仅L-wood的上表面呈现出明显黑色而内部仍保持木材原有结构。该材料可以有效地吸收阳光，并保证物质传输。

图2 a)天然轻木的SEM图像，显示各向异性多通道结构。物质可以沿纵向(生长方向)快速传递。b)亚甲基蓝水溶液液滴在天然木材纵向和垂向上扩散过程。c)湿润状态下V-wood与L-wood的导热系数比较。d)Fe3+/C-L-wood炭化过程的照片。C-L-wood的表面为明显的黑色。C-L-wood的内部呈现木材的原本颜色。e)经250℃和500℃碳化后的C-L-wood机械性能比较。f) Fe3+-wood和天然木材的DTG曲线，Fe3+-wood热解温度有明显下降。g) C-L-wood制备工艺与其他生物质炭光热材料制备工艺的比较。h) T型蒸发器的照片图像。

2、蒸发器的水蒸发性能研究

为了验证T型蒸发器的能量管理和水蒸发性能，以碳化垂向木材(C-V-wood)蒸发器为对照样品，采用与C-L-wood相同的碳化处理工艺制备,对比两种蒸发器的淡化性能。

图3 a) T型C-L-wood和非T型C-V-wood的热限域能力对比。b)红外图像显示了在1 kw·m-2光照下干燥的T型C-L-wood上表面的升温过程。c)湿润的T型C-L-wood蒸发器和无T型设计C-V-wood在1 kw·m-2照射下的升温曲线。d)T型C-L-wood和C-V-wood在1 kw·m-2照射下的水的质量变化曲线。e) T型C-L-wood蒸发器和C-V-wood蒸发器的太阳能热效率。f)各向异性T型蒸发器与其他报道的生物质碳基太阳能驱动蒸发器的效率和蒸发速率的比较。

3、蒸发器回收盐性能研究

3.5 wt% NaCl水溶液用于测试T型 C-L-wood蒸发器的盐回收能力。图4a中的照片显示，盐在T型C-L-wood蒸发器的两侧成功结晶，在1倍太阳光照强度下连续光照60小时的过程中盐回收速率为在56.6 g·m-2·h-1。

同时，盐水蒸干后，水槽底部无盐结晶，证明了T型C-L-wood优异的ZLD性能。

图4 a)T型C-L-wood和非T型C-V-wood蒸发器ZLD性能照片。b)T型C-L-wood蒸发器在60h海水淡化试验中的盐回收曲线。插图显示了收集到的盐。c)CFD模拟盐浓度分布。d) C-L-wood蒸发器不同位置的实验与模拟的盐浓度比较。e)太阳能淡化前后Cu2+、CrO42-、Co2+浓度。f)照片显示三种重金属污染水处理前后的颜色变化。g)三种重金属盐结晶过程照片。T型C-L-wood蒸发器的两端成功沉积了3种盐。

4、蒸发器的室外水处理能力研究

图5 a)用于太阳能驱动ZLD的T型蒸发器阵列示意图。b)自制T型蒸发器阵列户外测试的照片。c)太阳能海水淡化前后Na+、K+、Ca2+、Mg2+浓度变化。d)室外试验7天长期蒸发稳定曲线。

致谢

本研究由国家自然科学基金项目(No. 21876072)；中央引导地方科技发展专项基金项目(2020)；兰州市人才创新创业项目(批准号: 2018-RC-04)；甘肃省重点研发专项计划(17YF1FA132)的支持。

Authors:Hanwen Liu, Ruizhi Jin, Sicong Duan, Yujun Ju, Zhuoyue Wang, Ke Yang, Baodui Wang, Bo Wang, Yonggang Yao, Fengjuan Chen

Title: Anisotropic Evaporator with a T-Shape Design for High-Performance Solar-Driven Zero-Liquid Discharge

通讯作者介绍

姚永刚，华中科技大学教授，博士生导师。

长期从事材料超高温合成和非平衡制造，特别是包括高熵合金和金属玻璃在内的亚稳态材料的研究，相关新材料主要应用于清洁能源与环境应用。同时致力于材料的智能化开发与处理，利用高通量实验和机器学习，大大加速新材料和新工艺的智能化升级。在《Science》(封面)、《Nature Nanotechnology》、《Science Advances》等学术期刊发表论文90余篇，论文总被引用9000余次。申请美国专利8项，其中3项已授权，其工作获得美国“2020 R&D 100 award”。担任“Metals”、“Frontiers in Energy Research”编委会成员，以及“Nano Research”的客座编辑。

陈凤娟，兰州大学化学化工学院教授，硕士生导师。

长期从事环境修复领域的研究工作。包括：高浓度氨氮废水、高浓度COD废水、高盐水等工业废水处理工艺开发；高性能水处理材料的开发及产业化应用；氮氧化物资源化治理工艺开发；低温催化降解VOCs催化剂的研发及产业化应用。承担多项“产学研”合作课题。获得国家自然科学基金青年基金、面上项目及甘肃省重点研发专项的支持和资助。获得“中国创新挑战赛”（南充赛区）一等奖，“兰州市创新创业大赛”二等奖。目前在《Environment Science & Technology 》，《Advanced Energy Materials》，《ACS Nano》等学术期刊发表论文50余篇。申请国家发明专利10余项，授权6项，授权美国发明专利1项。担任“Chinese Chemical Letters” 青年编委。

课题组网站

http://faculty.hust.edu.cn/YAOYONGGANG/zh_CN/index.htm