文献分享232：离子工程太阳能海水淡化：提高耐盐性和活性水产量

本期分享中国陕西科技大学安盟副教授课题组发表在Chemical Engineering Journal杂志上题目为“Ion-engineered solar desalination: Enhancing salt resistance and activated water yield”的研究文章。

Part 1 文章简介

太阳能驱动界面蒸发，由于其利用丰富，可持续，环保的太阳能，现在已被广泛用于海水淡化。理想的太阳能蒸发器应具有高光热转化能力，优异的热管理设计和卓越的水/蒸汽传输通道。但是，面临的一个重大挑战是，盐结晶可能严重影响高性能蒸发的稳定性，表面上的盐沉积可能会提高阳光的反射率，从而降低能量转化效率。此外，盐结晶通常堵塞蒸发器的内部孔结构，对蒸汽逸出造成不利影响，最终影响蒸发速率。本文，陕西科技大学安盟副教授团队在《Chemical Engineering Journal》期刊发表名为“Ion-Engineered Solar Desalination: Enhancing Salt Resistance and Activated Water Yield”的论文，报道了一种多孔复合水凝胶（PCH），它利用带相反电荷的聚合物链作为蒸发器的基质，结合CuO纳米颗粒其独特的LSPR效应为关键吸光层，最终形成吸光铜基水凝胶（LACH）。此外，离子增强的水合能力极大地促进了具有更多“活化”IW的水合聚合物网络，并且有效蒸发所需的能量更少，最终实现连续、稳定和高效的太阳能海水淡化。在3.5 wt% NaCl溶液中LACH的蒸发速率达到3.93 kg·m-2·h-1，相应的能量效率达到93.5%。在真实海水和自然光照条件下，进行了一系列太阳能海水淡化实验，验证了LACH的耐久性和稳定性。

Part 2 主要图表

图1是 (a) LACH太阳能海水淡化示意图 (b) 通过加强传质排除积盐 (c) 水凝胶网络各组成部分的示意图，其中亲水基团用于激活水，CuO用于增强光热转化 (d) 传热与汽化热关系示意图

图2是 (a) LACH制备过程的示意图 (b-d) 不同放大倍数下LACH（0.8% CuO）的SEM图像 (e) LACH的接触角测试 (f) LACH孔隙结构中水体体积分数和流体速度分布的数值模拟结果

图3是(a) 以LACH为基础的SIVG海水淡化示意图 (b) 不同浓度CuO的LACH水凝胶的紫外-可见-近红外光谱 (c) LACH表面和体相水60分钟内的温度变化 (d) 不同样本在1个太阳下的温度分布的红外图像 (e) LACH内部温度分布的数值模拟 (f) 含0.8%CuO的LACH基SIVG在模拟海水中的质量随日照时间的变化 (g) 不同CuO浓度的LACH基SIVG在模拟海水中的蒸发速率 (h) 在0.5,1.0,1.5,2.0kW·m-2的太阳光照下的质量变化

图4是(a) 不同卤水中LACH还原蒸发焓的示意图 (b) 模拟海水中LACH在一小时后的质量变化及相应的能量效率 (c) LACH与早期研究中的材料的能效、水蒸发速率和工作盐水浓度的比较 (d) 在3.5%盐水中LACH拟合曲线的O-H拉伸能区的拉曼光谱 (e) 不同浓度卤水中LACH的IW/FW比值 (f) 含0.8%CuO的LACH样品在3.5wt%NaCl溶液中的分子水平模拟快照 (g) S（PNaSS）和O（水）之间的径向分布函数（RDF）随盐浓度和CuO浓度的变化而变化 (h) LACH-水和水-水的氢键密度随盐浓度和CuO浓度的变化

图5是 (a) 在蒸发器表面添加0.1g盐晶体前后，LACH基SIVG的质量变化和相应的蒸发速率 (b)海水淡化前后实际海水样本中四种主要离子的测量浓度 (c) 评价LACH在强碱环境和 (d) 酸性盐溶液中的蒸发性能

图6是(a) 在5天循环实验中，3.5wt%盐水中LACH的质量变化和蒸发速率 (b) 2023年5月5日9:00~17:00陕西西安地区室外蒸发实验的太阳辐射强度、蒸发速率和温度

Part 3 研究团队

安盟 副教授

安盟，陕西省青年科技新星，日本文部省学术振兴会JSPS特别研究员。主要从事微纳尺度热能高效转化与利用及其微观物理机制的研究工作。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目、博士后特别资助、博士后基金面上资助、陕西省自然科学基金青年项目、陕西省青年创新团队等项目共10余项，作为学术骨干参加国家自然科学基金面上项目和中日国际合作交流项目。发表SCI学术论文90余篇，其中第一作者、共同一作或通讯作者60余篇。第一作者或通讯作者发表在高影响力杂志Nature Communications（2篇）、Advaned Energy Materials、Nano Letters、Nano-Micro Letters、Nano Energy、International Journal of Heat and Mass Transfer等。受邀以第一作者编写英文著作《Chalcogenide semiconductors: from 3D to 2D and beyond》第11章“硫化物热输运性质”，爱思唯尔（Elsevier）出版社，ISBN: 978-0-08-102687-8。担任2023年第六届传热传质青年学术论坛和 2023 年第一届光热界面蒸发研讨会分会主席。担任国际知名SCI 收录期刊《Chinese Chemical Letters》（中国化学快报）青年编委；担任Journal of Modern Green Energy期刊编委，担任在Energy Materials和Frontiers in Mechanical Engineering期刊客座主编。

课题组网站：https://net-sust.github.io

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.149918

引用：Guo, Haoxiang, et al. "Ion-engineered solar desalination: Enhancing salt resistance and activated water yield." Chemical Engineering Journal 485 (2024): 149918.

陕西科技大学研究生郭浩翔为本文的第一作者，陕西科技大学安盟副教授为通信作者。

欢迎各位科研人分享自己的研究工作，请将研究工作或自行拟好的推文发送到竹子学术邮箱，竹子学术邮箱为：zhuzixueshu@163.com。