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上海交大ITEWA團隊 AM:聚電解質水凝膠吸附劑及混合解吸模式實現全天候空氣取水
2023-05-24  來源:高分子科技

  近日,上海交通大學王如竹教授領銜的能源--空氣” 交叉學科創(chuàng)新團隊ITEWA(Innovative Team for Energy, Water & Air)與新加坡國立大學Tan Swee Ching教授合作在Advanced Materials期刊發(fā)表名為All-day Multicyclic Atmospheric Water Harvesting Enabled by Polyelectrolyte Hydrogel with Hybrid Desorption Mode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快速的吸附特性,并結合余熱及太陽能混合解吸策略實現快速水釋放。為了盡可能快速的吸附-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。論文的作者為上海交通大學制冷與低溫研究所、新加坡國立大學材料系聯合培養(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)。大氣中水資源估計有12900立方千米,占地球淡水資源的10%;谖降拇髿馑占(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,進而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,很難實現真正的不受天氣、氣候影響的全天候、全地理位置取水。


圖:凝膠吸附劑的吸附過程以及聚電解質水凝膠與非離子凝膠的結構示意圖;余熱混合解吸模式以及全球余熱潛力

【研究亮點】


1 聚電解質水凝膠實現吸附動力學增強 


圖:凝膠吸附劑的合成以及對自由態(tài)鹽和配位鹽的表征分析


  水凝膠復合吸附表面的吸濕鹽首先捕獲水蒸氣并發(fā)生原位液化,之后,液態(tài)水通過滲透壓差轉移到聚合物網絡內部,并由于其獨特的膨脹特性而被儲存。表面吸濕部位被重新暴露以供隨后的吸附。因此,由滲透壓驅動的水的遷移及其隨后由膨脹引起的滯留是區(qū)分水凝膠型吸附劑與其他吸附劑的決定性特征。水凝膠的溶脹特性和內部滲透特性有利于增強水的儲存和遷移,從而顯著影響材料的吸附能力和動力學。因此,采用聚電解質水凝膠的強滲透壓作用,可以實現高內部滲透壓,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到水凝膠內部,并刷新表面水吸附位點,實現吸附速率的提高。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。


混合解吸模式實現解吸動力學增強 


圖:混合解吸模式的策略、解吸性能評價及其傳熱傳質解釋


  目前單一太陽能解吸模式難以實現全天候取水,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。如果使用工廠排放等余熱作為太陽能的一種能量補充,實現混合解吸模式,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,這種方法可以實現值得贊揚的全天產水,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,在熱源溫度分別為50、60、7590 ℃,同時模擬太陽強度為1 kW m-2的情況下,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。利用COMSOL和吸附傳質模型探究其原因,發(fā)現太陽能驅動的解吸模式下水凝膠表面溫度上升非常緩慢,余熱驅動模式下上升速度較快,而混合解吸模式在10分鐘內最快達到平衡,且凝膠吸附劑內部的溫差較。1℃),溫度非常均勻。 


圖:太陽能驅動、余熱驅動、熱流體驅動以及混合解吸策略的比較


  從傳熱傳質的角度來解釋,因為太陽界面加熱通過非接觸輻射向水凝膠表面提供熱能,受太陽強度和光熱轉換效率的限制,其熱流密度固定且有限。相比之下,底部余熱為水凝膠下部提供了一個恒溫邊界,可以是太陽能加熱功率的數倍,不受光熱轉換效率的限制。因此,與太陽通量恒定的條件相比,底部恒溫加熱條件導致水凝膠內部溫度快速平衡,內部水蒸氣濃度梯度更高,最終導致余熱驅動模式的水釋放能力更快。


  對于混合加熱方式,水凝膠吸附劑通過耦合的能量源從頂部和底部同時加熱。在混合解吸模式下,水凝膠的上表面溫度在較短的時間內(10 min)達到75℃。這說明換熱特性主要受SWH源提供的恒溫邊界條件控制。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,導致比前兩種模式更快的解吸速率和解吸程度。


系統(tǒng)級傳熱傳質及循環(huán)策略優(yōu)化實現全天高效取水 


圖:系統(tǒng)吸附-解吸循環(huán)策略的模型優(yōu)化


  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(https://www.nature.com/articles/s41467-022-33062-w),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,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,更加精細化的提供了全天候多循環(huán)解吸的優(yōu)化模式。 


圖:混合解吸策略裝置開發(fā)以及實驗驗證


  最后,優(yōu)化后的多循環(huán)運行策略和混合脫附模式的日循環(huán)平均集水量為2410 mLwater kgsorbent-1 day-1  5795 mLwater msorbent-2 day-1,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公斤尺度上的距離。


  全文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202302038


作者簡介



第一作者 – 山訸 上海交通大學、新加坡國立大學博士生,導師王如竹教授,合作導師Tan Swee Ching助理教授。研究方向為復合吸附材料用于空氣-能源-水等交叉學科研究,重點關注吸濕凝膠的材料開發(fā)以及空氣取水器件循環(huán)策略的優(yōu)化。



通訊作者 - 王如竹教授從事制冷、熱泵與熱調控研究,主持的成果獲國家自然科學二等獎和國家技術發(fā)明二等獎,何梁何利基金科學與技術創(chuàng)新獎;作為首位中國學者榮獲國際能源署熱泵大獎、國際制冷學會最高學術獎Gustav Lorentzen獎章等5項重要國際學術獎項。他領銜的能源-水-空氣創(chuàng)新團隊(ITEWA)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5年來在Science, Nature Communications, Joule, EES, Advanced Materials等高水平期刊上發(fā)表40余篇學科交叉論文。



通訊作者 - 陳瑞深(Tan Swee Ching)博士于劍橋大學獲得電氣工程博士學位,隨后于麻省理工學院材料科學與工程系進行博士后研究,現為新加坡國立大學材料科學與工程系助理教授。他曾于惠普公司擔任激光加工與設備工程師,幫助公司降低至少40萬美元的年運營成本,并將其所在部門的產能提高 35%,并被惠普公司授予杰出成就獎。他同時也是專注于超吸濕材料的Ultra Dry公司的創(chuàng)始人。陳瑞深博士已在 Nature Electronics、Nature Sustainability、Joule, EES、Advanced Materials、Nature Comm、Science Advances 等國際頂級期刊上發(fā)表了眾多優(yōu)秀論文。

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(責任編輯:xu)
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