CEJ|通过相变蓄热增强界面蒸发的可持续性以减轻太阳间歇性

研究背景

水是维持人类生存和促进可持续发展的基本资源。然而，由于气候变化、人口增长、过度开发等因素，全球水资源面临巨大压力。统计数据表明，目前全球超过五分之一的人口面临着严重的水资源短缺问题。因此，寻找可行的解决方案来满足和维持日常用水需求变得越来越紧迫。尽管水覆盖了地球表面的四分之三，但其中97.5% 是非饮用水海水。利用丰富的海水资源并将其转化为淡水是人们长期以来的追。太阳能驱动的界面蒸发利用光热界面的局部热量诱导海水产生纯水蒸汽，已成为海水淡化中一种有前途的方法。与蒸馏、反渗透等传统方法相比，它具有可再生、环境友好、成本效益显着的优。尽管实现了破纪录的蒸发率，但太阳能界面蒸发器（SIE）似乎还没有为实际应用做好充分准备。

具体来说，海水蒸发通常面临盐结晶的问题。积累的白色盐晶体不仅会降低光吸收材料的吸收率，还会堵塞水通道，从而损害蒸发器效率（η）并可能损坏其结构。早期通过定期手动剥离和清洁的物理去除方法已经解决了这个问题，但增加了劳动力和成本。通过扩散和对流促进蒸发界面和底层水之间的盐离子交换似乎很有前景。然而，蒸发器微/纳米多孔结构内的对流作用不足以防止白天高蒸发率期间的盐积。此外，Janus膜使盐晶体仅沉积在亲水层上，并在与大量水接触时溶解，从而达到防污效果。不幸的是，这些膜通常很薄，导致隔热不足和相对较低的η。一般来说，蒸发器进料需要优异的亲水性和互连的多孔结构，以确保蒸发的连续供。使用供给装置从蒸发接口排出高浓度盐水可能是一种有效的方法，尽管盐水排放的部分热损失可能会降低蒸发器的η。因此，供水和盐阻力与蒸发器的能量管理密切相关。

另一个重大挑战来自蒸发界面局部高温与辐射和对流热损失之间相互矛盾的相互作用。在阳光充足的情况下，蒸发界面的局部高温不可避免地通过辐射和对流消散到环境中，从而降低了η。更重要的是，光吸收剂表现出对太阳辐照强度的强烈依赖性。在夜间或阴天条件下，太阳辐照度不足以维持界面蒸发的能量供应，蒸发器的η可以忽略不计。在我们之前的工作中，采用显热储存来适当降低蒸发界面温度，从而减少辐射热损失并预热直接输送到蒸发界面的水。这种方法不仅提高了海水淡化过程的效率，而且确保了系统运行更加受控和稳定。然而，这受到其有限能源容量的限制，从而受到可持续性的限制。相比之下，相变材料（PCM）提供了巨大的热函值，这对于储能应用来说非常有吸引力。石蜡具有无毒、长期稳定性和成本效益的特点，被认为是最有前途的相变材料候选之一。这些启发我们提出一种有效的策略，通过相变蓄热来提高 η 并减轻 SIE 的太阳间歇性。

相关成果以“Enhancing the sustainability of interfacial evaporation to mitigate solar intermittency via phase change thermal storage’’为题发表在《Chemical Engineering Journal》上（JCR一区 中科院一区TOP IF=13.3）。

研究内容

在这项工作中，与使用绝缘材料最大限度地减少蒸发界面热损失的传统方法相反，我们采用高导热率金属紫铜将热量从蒸发界面向下传递到相变储热介质（石蜡）。虽然这降低了光照时的界面温度和蒸发速率，但储存热量的增加导致黑暗期间蒸发质量增加 171.5%，抵消了光照下经历的蒸发损失。重要的是，蒸发器可以在黑暗中长时间维持蒸发，从而提高蒸发的可持续性，从而减轻太阳间歇性问题。

研究数据

图1. SSIE的设计和表征。(a)示意图显示了SSIE 用于可持续蒸发的储热/释放过程。PCM 在照明期间吸收蒸发界面处的热量。在没有光照的情况下，相变材料释放储存的热量以维持持续蒸发。(b)采用超声波干燥法制备太阳能吸收器EFF/C。CNs与PVA溶液混合。随后，将EFF浸入溶液中并进行超声波处理30分钟，以确保CNs均匀粘附到EFF的纤维上。最后，EFF/C 在真空烘箱中干燥。超声波浸泡和真空干燥过程重复3次，以确保CNs在EFF的表面和内部都有足够的粘附力。(c) EFF/C 在 280 至 2200 nm 波长范围内的光谱吸光度。

图2.蒸发器的水和热管理。(a)自流式海水淡化蒸发器示意图。亲水性PWF利用毛细管作用将大量水泵送到顶部蒸发区，确保蒸发界面连续供水。随后，蒸发界面处的高浓度盐水继续在PWF内流动，直至流出蒸发器。(b)在1次太阳照射下连续蒸发4h后蒸发器产生的盐水的质量。(c)热电偶在相变储热装置中的位置。(d)设备1、(e)设备2和(f)设备3中PCM的温度在不同位置随时间变化。

图3.蒸发的补偿。(a)有和没有PCMs的吸收器在1次太阳照射时和光被去除时的表面温度变化.(b)有和没有PCMs的情况下，在1次太阳照射和光消失时的蒸发质量变化.(c)除去光后的蒸发速率,(d)蒸发表面温度和(e)蒸发质量在连续5次吸热和放头循环中在1次太阳照射和去除光照时的变化。

图4. 长期蒸发和传热动力学。(a)装置0和装置3分别在长期运行过程中太阳能吸收器表面温度的演变。(b)装置3长期运行过程中内部温度的演变和相变材料的分裂相变过程。

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156855

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