近日，上海交通大學王如竹教授領銜的“能源-空氣-水”交叉學科創(chuàng)新團隊ITEWA（Innovative Team for Energy, Water & Air）在Advanced Materials上發(fā)表了題目為“All-day Multicyclic Atmospheric Water Harvesting Enabled by Polyelectrolyte Hydrogel with Hybrid Desorption Mode”的研究論文。論文開發(fā)了新一代聚電解質凝膠復合吸附劑實現(xiàn)快速的吸附特性，并結合余熱及太陽能混合解吸策略實現(xiàn)快速水釋放。為了盡可能快速地吸附-解吸循環(huán)特性，優(yōu)化了系統(tǒng)內傳熱傳質特征以及全天循環(huán)策略，實現(xiàn)了取水量的倍增以及全天候的空氣取水，為下一代空氣取水材料開發(fā)、系統(tǒng)優(yōu)化提供新的見解。論文第一作者為上海交大制冷與低溫工程研究所、新加坡國立大學聯(lián)合培養(yǎng)博士生山訸，通訊作者為王如竹教授和Tan Swee Ching教授。
淡水短缺已成為威脅人類可持續(xù)發(fā)展的緊迫全球性挑戰(zhàn)。基于吸附的大氣水收集(AWH)被認為是緩解水資源短缺的一種有前途的方法，可以在大范圍的相對濕度下實現(xiàn)淡水生產，特別是在低相對濕度的環(huán)境中。然而，目前吸附劑的動力學特性仍然受限，限制了空氣取水系統(tǒng)取水量的進一步提高。此外，目前單一的太陽能驅動水釋放解吸模式，難以實現(xiàn)真正的不受天氣、氣候影響的全天候、全地理位置取水。
為此，在材料設計方面，文章采用聚電解質水凝膠的強滲透壓作用，實現(xiàn)高內部滲透壓，并在吸附過程中產生大的壓力梯度，進而促進被吸附的水分子快速運輸?shù)剿z內部，并刷新表面水吸附位點，實現(xiàn)吸附速率的提高。此外，聚電解質水凝膠中帶電荷的聚合物鏈可以限制帶相反電荷的吸濕離子，形成配位鹽，這有望限制鹽的遷移率，控制溶液的泄漏。因此，獨特的具有高內滲透壓的聚電解質水凝膠，可以改善水的運輸和儲存性能，防止溶液泄漏，最終獲得快速、穩(wěn)定的吸附特性。
系統(tǒng)能源輸入方面，目前單一太陽能解吸模式難以實現(xiàn)全天候取水，且由于光熱轉換以及吸附劑內部傳熱阻礙，造成解吸速率有限。如使用工廠排放等余熱作為太陽能的一種能量補充，實現(xiàn)混合解吸模式，有望獲得更均勻和可控的吸附劑解吸溫度，從而更有效地釋放水。此外，這種方法可以實現(xiàn)全天產水，而不受氣候和日變化的影響。研究結果表明，在太陽能和余熱混合解吸模式下，系統(tǒng)的水釋放程度和速度均高于單一太陽能加熱或單一余熱加熱模式。其主要原因是，水凝膠吸附劑通過耦合的能量源從頂部和底部同時加熱，因而水凝膠的上表面溫度在較短的時間內(約10 min)達到75℃。此外，采用混合解吸方式，內部溫度分布較為均勻，溫差小于1℃。水凝膠中較高的平均溫度和更均勻的溫度分布都有利于水凝膠內部的水汽輸送，產生比前兩種模式更快的解吸速率和解吸程度。
系統(tǒng)設計方面，用于水釋放解吸的操作策略對空氣取水系統(tǒng)的整體性能也有很大影響。每日單一吸附-解吸循環(huán)，由于吸附和解吸速率不匹配而造成時間和能源浪費，而采用主動多循環(huán)或分批處理模式可以保持較高的集水速率，成功地將產水量推至1 L kgabsorb-1 day-1以上，但多循環(huán)和分批處理集水器的吸附和解吸時間優(yōu)化仍需要精確調整。為此，研究利用Fickian模型開發(fā)了MATLAB優(yōu)化程序，尋找了最佳吸附和解吸策略。該策略考慮了凝膠吸附劑在循環(huán)過程中由于脫水不完全造成的動力學下降等問題，更加精細化地提供了全天候多循環(huán)解吸的優(yōu)化模式。最終實現(xiàn)了2410 mLwater kgsorbent-1 day-1 的取水量，是不采用混合解吸策略和優(yōu)化全天循環(huán)策略得到的產水量的353%（僅采用太陽能驅動）和255%（僅采用余熱驅動）。
這種聚電解質水凝膠吸附劑的開發(fā)、耦合可持續(xù)能源驅動的混合解吸模式以及系統(tǒng)級傳熱傳質和循環(huán)策略優(yōu)化，為下一代空氣取水系統(tǒng)鋪平了道路，極大地拉近了與日產水量在數(shù)公斤尺度上的距離。
王如竹教授領銜的能源-空氣-水創(chuàng)新團隊長期致力于解決能源、水、空氣交叉領域的前沿基礎性科學問題和關鍵技術，旨在通過學科交叉實現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動相關領域取得突破性進展。團隊近年來在Science, Nature Communications, Joule, EES, Advanced Materials等高水平期刊發(fā)表系跨學科交叉論文。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202302038
詳細導讀：https://mp.weixin.qq.com/s/u2m6cCee4fU-MhvjI-XsdQ
學院OA系統(tǒng)
jAccount登錄
ENGLISH
地址：上海市東川路800號上海交通大學閔行校區(qū)機械與動力工程學院
郵編：200240
Email：sjtume@sjtu.edu.cn