最新《Nature Water》：用于高通量水净化的太阳能蒸汽驱动膜过滤

  朱嘉，南京大学教授、博士生导师。2010年获美国斯坦福大学工学博士学位，师从大牛崔屹。随后在加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室做博后，期间获得“中国政府优秀留学生奖”、“国际材料学会优秀研究生金奖”和“美国化学学会无机化学青年科学家” 等称号。2013年9月回到南京大学组建纳米能源研究小组，现为南京大学固体微结构国家重点实验室PI，国家青年“973”项目首席科学家。

  近期获得的奖项包括：日内瓦国际发明展特别嘉许金奖（2019）、陈嘉庚青年科学家奖（2018）、美国光学学会青年科学家奖(2017)、江苏省五四青年奖章（2017）、杜邦青年教授奖(2016)、饶毓泰基础光学奖优秀奖（2016）、麻省理工技术评论全球青年创新人物奖(2016)等。

  朱嘉教授团队主要是做面向基于光热调控的新能源领域的纳米材料与器件的研究，聚焦与纳米尺度的电学、光学、热学基础原理的探究及新型能原材料的研发。团队目前研究的主要方向为：锂钠光学、辐射制冷、热电、光热转换等

  迄今为止，在Nature、Nature系列、Science系列、Joule、PNAS、Nano Letters、Advanced Materials 等国际高影响力学术期刊发表论文130余篇，他引超过9000次，授权专利10项, 受邀在政府，国际会议及世界著名学府做过70多场大会、特邀专题报告。英国皇家化学学会会士，杂志Nanophotonics的责任编辑，同时是40多个国际学术期刊的特约审稿人。

  近年来，界面太阳能蒸汽发生显示出巨大的海水淡化潜力，具有较高的太阳能-水蒸汽转换效率（solar-to-steam）。然而，一方面，蒸发需要克服水的蒸发焓，这显着限制了太阳能对淡水的输出。另一方面，通过分离膜实现离子和水分子分离的反渗透（RO）/纳滤（NF）具有较低的理论热力学能量。所以，淡水产量仍然受到水蒸发的大量潜热和冷凝效率的限制。

  基于以上挑战，南京大学朱嘉教授课题组设计了一种界面太阳能蒸汽驱动的反渗透/纳滤装置，该装置可产生高压，推动水分子通过过滤膜以实现与离子的分离。在12个太阳光的照射下，太阳能蒸汽驱动的反渗透装置的产水率高达81 kg m−2h−1。（图1）此外，理论模型表明，通过优化装置的隔热和膨胀比，仍存在进一步提升淡水产量的吸引力。这项工作为设计高效的小型化或分散式饮用水设备铺平了一条新途径。

  SSD-RO/NF 装置的设计和构造如图 2 所示。该 SSD-RO/NF 装置主要由增压腔、压力传感活塞、海水腔、淡水腔和气缸组成。高温度高压力蒸汽由增压腔内的界面太阳能加热产生。然后，蒸汽推动下方的活塞，海水通过反渗透/纳滤膜完成水过滤。

  为保证界面太阳能加热在密闭增压腔内产生高温度高压力蒸汽，除了SSD-RO/NF装置优良的隔热性外，太阳能蒸发器还应提供稳定高效的高温蒸汽和高压力。作者开发了一种由顶部太阳能吸收器和底部绝热器组成的蒸发器（图 3a）。顶部太阳能吸收器需要具有微米级的孔隙以实现蒸汽逸出、高效太阳能吸收、供水和耐高温/高压。因此，碳泡沫因其多孔结构和耐高温/耐压性而被选为太阳能吸收器制造的初始基材。为增强亲水性和太阳能吸收碳泡沫的原始表面涂有多壁碳纳米管 (CNT)。碳泡沫/CNT 的表面变得亲水，这是高效供水的理想选择（图 3d）。图 3e 表明，与原始碳泡沫的 92.4% 的太阳能吸收率相比，碳泡沫/CNT 在涂覆 CNT 后实现了 98.7% 的高太阳能吸收。由于碳泡沫/碳纳米管具备优秀能力的耐热性，在 200、400 和 600°C 连续退火后，其多孔结构保持完整性（图 3f-h），其太阳能吸收率从始至终保持在 ~98 %（图 3e）。热重分析 (TG)表明在 600°C 以下基本上没有重量损失。而传统的炭黑/无纺布吸收剂最初在~70°C 时分解，在~500°C 时几乎完全分解（图 3i）。

  SSD-RO/NF设备的性能是通过高功率太阳能模拟器进行表征。图 4a 显示了实验装置的示意图。在概念验证测试中选择乙醇作为助推器腔中的界面太阳能加热介质。在各种太阳能功率密度下，增压腔中乙醇蒸汽的瞬态压力行为如图 4b 所示。在2、3、5、8、10和12个太阳下，最终稳态压力分别达到0.21、0.34、0.60、0.84、0.97和1.12MPa。蒸汽的实验稳态温度与作者的 COMSOL 模拟非常吻合（图 4c ）。然后，作者使用含有 10,000 mg l −1 NaCl 的模拟海水研究了 SSD RO/NF 装置的产水性能。根据结果得出，RO膜过滤开始于12个太阳，产水量达到81kgm-2h-1。NF 膜在 5 个太阳下开始，在 5 个太阳、8 个太阳、10 个太阳和 12 个太阳下，产水率分别为 40、78.2、134.5 和 180.4 kg m−2 h−1（图 4d）。此外，SSD-RO/NF 装置在六次循环后显示出稳定的产水率（图 4e、f）。SSD-RO装置中Ca 2+、Mg 2+、SO 4 2- 、Na +和F -的截留率分别为99.98%、99.96%、99.98%、99.5%和99.97%。过滤水中的离子浓度低于世界卫生组织的饮用水标准（图 4g）。SSD-NF 设备中 Ca 2+、Mg 2+、SO 4 2-、Na + 和 F - 的截留率高达97.6%、97%、97.3%、73.5% 和 97.3%（图 4g）。SSD-RO 设备的产水率远高于最先进的太阳能蒸汽蒸发和冷凝系统。

  为了进一步探索本实验并获得进一步提升 SSD-RO/NF 设备产水率的指南，作者使用了由 COMSOL 模拟组成的理论模型和数值计算。COMSOL 仿真以 SSD-RO 设备的隔热作为输入并预测蒸汽的稳态温度。数值模型根据模拟的蒸汽稳态温度计算SSD-RO装置的产水率。如图 5a 所示，模拟的稳态温度与实验测量基本一致（图 4c）。但当作者逐步降低 h 和 ε 时，在相同的太阳能功率密度下，模拟的蒸汽稳态温度和产水率显著增加（图 5a，b）。显然，逐步优化装置的保温和膨胀比能更加进一步提高产水率。

  作者成功开发了用于水净化的 SSD-RO/NF装置。经过精心设计和实验，SSD-RO 装置在12太阳光照下的产水率高达 81 kg m−2h−1，远高于以往被动式太阳能蒸汽蒸发和冷凝的工作。未来的设备具备了更好的隔热设计和更合理的膨胀率来实现需要更高的产水率。人们还相信，这一战略能大大的提升太阳能热海水淡化装置的分散式经济可行性和可靠性，并为全球水能关系做出坚实贡献。

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