苏州大学方剑/NUS陈瑞深AFM:主动热场集成实现海水淡化阻盐新突破

B站影视 2025-01-31 12:13 2

摘要:在全球水资源短缺问题日益严峻的当下,利用太阳能进行海水淡化成为获取清洁水资源的关键研究方向。近期,发表于Advanced Functional Materials的论文 “Active Thermal Field Integration for Marango

在全球水资源短缺问题日益严峻的当下,利用太阳能进行海水淡化成为获取清洁水资源的关键研究方向。近期,发表于Advanced Functional Materials的论文 “Active Thermal Field Integration for Marangoni‐Driven Salt Rejection and Water Collection”,为该领域带来了新的思考。该研究由苏州大学方剑教授,新加坡国立大学Swee Ching Tan(陈瑞深)教授郭帅博士,武汉纺织大学许多博士等团队联合开展,苏州大学纺织与服装工程学院博士生葛灿为论文第一作者。

一、研究背景:水资源困境与现有技术局限

随着环境污染加剧和用水需求增长,清洁水短缺已成为全球性难题。利用太阳能蒸汽产生(SSG)技术通过光热转换将海水转化为淡水,是一种可持续的解决方案。然而,目前该技术面临两大瓶颈:一是水蒸发速率受理论极限制约;二是在高蒸发速率下,盐积累会导致蒸发器性能下降甚至损坏。因此,如何同时实现高效水蒸发和长期盐排斥,成为清洁海水淡化的关键挑战。

二、创新策略:热梯度织物(TGF)蒸发器的设计

为解决上述难题,研究团队构建了一种带有辅助热场供给的热梯度织物(TGF)蒸发器。该蒸发器的制备融合了可控热场图案缝纫和高效的光热负载技术。选用具有出色亲水性、坚固性和可加工性的天丝纤维和棉布作为原材料,并引入主动电热热场。与传统方法不同,这种辅助电热热场能与光热热场良好整合,通过适度的Marangoni流促进离子循环。额外的能量输入既提升了蒸发效率又避免了盐分累积。

三、热场构建机制与优势

对比传统蒸发器:传统太阳能蒸发器仅依靠辐射输入,表面加热均匀,垂直热梯度明显。这种加热方式导致离子循环弱,在高盐度或长时间脱盐过程中,容易出现严重的盐沉积,限制了蒸发器的高效运行。而热场蒸发器通过主动热集成,呈现立体全方位热梯度,能够加速水蒸发、增强Marangoni流并促进离子循环,通过精细的热场构建和适度的Marangoni循环实现盐排斥。

Marangoni效应的关键作用:Marangoni流由浓度(盐离子)和热(表面温度)梯度引起的表面张力差异所诱导。在蒸发过程中,热场的强度和分布会引发水/离子传输,导致盐度波动和Marangoni流。传统蒸发器中,微弱的离子循环难以抵消盐颗粒的成核;而热场过强的蒸发器会因蒸汽快速消散和强补偿流导致定向Marangoni流,加剧盐结晶。TGF蒸发器通过优化热场,实现了适度的Marangoni流,促进了离子循环,有效抑制了盐的积累。

图1. 传统太阳能蒸发器与热场蒸发器的运行对比

图2. 不同图案热场的构建

图3. TGF的拒盐机制和过程

图4. TGF的拒盐性能

图5. TGF户外运行的器件演示

团队介绍

方剑,苏州大学纺织与服装工程学院特聘教授,博士生导师。长期从事功能性纤维材料、柔性可穿戴智能纺织品、和高性能纺织品研究。入选第十五批“海外高层次人才计划”青年项目,2019年入选“姑苏创新领军人才”计划,2020年入选江苏省 “双创人才”。现任中国纺织工业联合会纺织行业智能纺织服装柔性器件重点实验室主任,中国纺织工程学会青年工作委员会委员,中国工程院院刊《Engineering》青年通讯专家,《Advanced Fiber Materials》和《eScience》青年编委。迄今已在Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Nature Communications, Nano Energy, Applied Catalysis B: Environmental等国内外学术期刊发表文章90余篇。

课题组主页:https://textile.suda.edu.cn/de/71/c6544a319089/page.htm

Tan Swee Ching(陈瑞深),新加坡国立大学教授,在剑桥大学取得博士学位,之后前往美国麻省理工学院进行博士后研究,后任职于新加坡国立大学材料科学与工程学院。主要从事吸附式大气水收集,光热界面转换、功能性水凝胶材料的设计、智能可穿戴材料与器件等多方面的研究。近年来,以通讯作者在Nat. Electron.,Nat. Sustain.,Nat. Water,Joule,Energy Environ. Sci.,Sci. Adv.,Nat. Commun., Chem, Matter,Adv. Mater.,Angew. Chem. Int. Ed.等学术期刊上发表论文100余篇,总引用量7700余次,h因子52,并获得多项发明专利。其研究成果曾被 Forbes, Reuters, MIT Technology Review, Business Insider, Eco-Business, South China Morning Post等多次报道。

课题组主页:https://www.dmse.nus.edu.sg/SweeChingGroup/index.html

原文链接:

来源:高分子科学前沿

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