Nano Energy：应用于高浓盐水处理的光伏多级蒸馏器，可通过自动冲洗进行电、水、盐收集
研究背景
太阳能海水淡化能够利用资源丰富的太阳能从海水中提取淡水，解决偏远地区的水短缺问题。近年来，通过构建多级蒸馏装置，太阳能海水淡化的产水效率已经达到了385%。然而，为了节约能源，通常采用限制通道尺寸的方法来禁止体水对流，以抑制向下的热传导。在这种热局部化原理下，由于有限的扩散效应，容易产生盐堵塞问题，导致海水淡化装置难以对高浓盐水进行处理，尤其是在多级装置中，由于其水流通道有限和多级结构，盐堵更易发生。
成果简介
有鉴于对上述背景的研究，济南大学前沿交叉科学研究院能源转化科研团队通过对太阳能电池板（PV）与多级蒸馏器的组装， 设计了可以处理高浓度盐水（170 g/L），能同时进行电、水、盐收集的耦合器件（PV-MS），并利用虹吸现象有效地解决了多级装置中的盐堵塞问题。在1个太阳光下对170 g/L的高浓度NaCl溶液进行脱盐时，五级蒸馏器的产水量约为1.17 kg m-2 h-1，输出电量为97 W m-2，集盐量为1.02 kg m-2 d-1。这项工作证明了多级太阳能蒸馏器处理高浓度废水的可行性，是实现废水再利用的重要一步。该成果以题为“Photovoltaic-multistage desalination of hypersaline waters for simultaneous electricity, water and salt harvesting via automatic rinsing”发表于Nano Energy（https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106163）上，济南大学前沿交叉科学研究院薛国斌教授、刘宏教授为文章通讯作者，硕士生杨丽萍、孙天宇为共同第一作者。
图文导读
图1 同时收获电、水、盐的耦合装置
(a) 一个太阳能电池板与多级蒸馏器。PV板将太阳能转化为电能和热能。多级蒸馏器由余热驱动，得到洁净的水和盐。(b)示意图显示离子/水沿毛细管通道的渗透方向。(c)盐在毛细边缘结晶，与毛细层形成虹吸通道。一旦虹吸管形成，被泵送的溶液会冲洗结晶盐。
图2光伏板搭配单层蒸馏器
(a) 设备的光学图像。插图是光伏板在1个太阳光下的红外辐射(IR)热图像。(b)具有微孔结构的毛细管芯的扫描电镜图像。(c)PV板的紫外-可见-近红外光谱。(d)不同太阳通量下蒸发器和冷凝器的温度。(e)不同太阳通量下单层蒸馏器的产水量。(f)PV板在不同太阳通量下的I-V曲线和功率密度。(g)1个太阳光作用下毛细管芯盐浓度分布的稳态模拟。(h)与实验测量值不同位置的盐浓度。(i)海水淡化时的产水量和产盐量。
图3 五级蒸馏器的性能
(a) PV板在1个太阳光下的稳定温度。(b)1小时测试期间各阶段的温度变化。(c)PV板在不同太阳通量下的I-V曲线。(d)五级蒸馏器的实时产水量。(e)各阶段产水量。(f)水在蒸馏前和蒸馏后的测量盐度。室温~25°C。
图4电、水、盐联产
(a)与外部电路电阻连接的五级蒸馏器的照片。(b)PV板和电阻的温度分布。(c)1小时测试期间各阶段的温度变化。(d)在1个太阳光下淡化70 g/L NaCl溶液时的实时产水量。(e)在1个太阳光下对170 g/L NaCl溶液进行脱盐时的实时产水量。(f)在1个太阳下脱盐不同浓度盐水溶液时的产盐量。
图4 2020年12月26日，济南大学校园，利用五级PV-MS模型进行户外实验
(a)大小为10×10 cm2的实验装置。插图是运行一天后结晶盐的照片。(b)8:30至14:30的太阳辐射和环境温度。用红外摄像机记录PV板的温度。(c)设备的产水量。
(d)在1个太阳光下淡化70 g/L NaCl溶液时的实时产水量。(e)在1个太阳光下对170 g/L NaCl溶液进行脱盐时的实时产水量。(f)收集水的过程的照片。
结论与展望
综上所述，结合热定位和潜热回收策略，PV-MS表现出良好的长期稳定性，具有较高的产水能力、集盐能力和输出电量。在1个太阳光下处理170 g/L高浓度盐水时，五级蒸馏器产水量约为1.17 kg m-2 h-1，发电量为97 W m-2，收盐量为1.02 kg m-2 d-1，且蒸馏器无盐堵现象。本工作描述了通过系统级能量和质量运输设计，实现充分利用太阳能发电、海水淡化和资源收集的可能性。利用太阳能蒸馏器淡化高盐水的策略可以解决各种离网和水压力地区废水回收的高挑战性工程问题。窗体顶端
