Passive solare Entsalzung für hohe Effizienz und Salzabweisung über eine Umkehrung

Jun 08, 2023

Nature Water (2023)Diesen Artikel zitieren

Details zu den Metriken

Obwohl die solarbetriebene Umkehrdestillation mit integrierter thermischer Lokalisierung in letzter Zeit eine attraktive Effizienz bei der Umwandlung von Solarenergie in Wasser gezeigt hat, gibt es kaum wirksame Ansätze zur Salzabweisung/-entladung, um eine nachhaltige passive solare Entsalzung zu erreichen. Hier haben wir aufwendig solare Destillationsgeräte hergestellt, die auf umgekehrt verdampfenden Wasserschichten mit einer Dicke im Millimeterbereich basieren, und bei solaren Entsalzungsprozessen erfolgreich eine gleichzeitige hohe Effizienz und Salzabweisung realisiert. Für eine nachhaltige Salzabscheidung wurden zwei passive Betriebsmodi (Schwerkraftmodus und Entladungsmodus) entwickelt, die bei 3,5 Gew.-% Sole einen Wirkungsgrad der Solar-Wasser-Umwandlung von 59,1 % bzw. 60,6 % zeigten. Noch bemerkenswerter ist, dass das hergestellte Gerät auch eine hervorragende Kapazität (47,4 % Effizienz) zur kontinuierlichen Entsalzung von Wasser mit hohem Salzgehalt (21 Gew.-%) ohne Salzkristallisierung zeigte. Für ein breites Anwendungsspektrum haben wir zehnstufige Entsalzungsgeräte diskutiert und getestet, die auf umgekehrt verdampfenden Wasserschichten basieren. Neben dem Erfolg der Salzabweisung in jeder Stufe wurde ein Gesamtwirkungsgrad von 354 % erreicht, was einen neuen Weg für die passive solare Hocheffizienz- und Salzabweisungsentsalzung anzeigt.

Dies ist eine Vorschau der Abonnementinhalte, Zugriff über Ihre Institution

Abonnieren Sie diese Zeitschrift

Erhalten Sie 12 digitale Ausgaben und Online-Zugriff auf Artikel

79,00 $ pro Jahr

nur 6,58 $ pro Ausgabe

Leihen oder kaufen Sie diesen Artikel

Die Preise variieren je nach Artikeltyp

ab 1,95 $

bis 39,95 $

Die Preise können örtlicher Steuern unterliegen, die beim Bezahlvorgang berechnet werden

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind im Papier und seinen ergänzenden Informationen verfügbar.

Der in dieser Studie verwendete Code ist auf begründete Anfrage bei den entsprechenden Autoren erhältlich.

Ghasemi, H. et al. Solare Dampferzeugung durch Wärmelokalisierung. Nat. Komm. 5, 4449 (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Ni, G. et al. Dampferzeugung unter einer Sonne durch eine schwimmende Struktur mit thermischer Konzentration. Nat. Energie 1, 16126 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Tao, P. et al. Solarbetriebene Grenzflächenverdampfung. Nat. Energie 3, 1031–1041 (2018).

Artikel Google Scholar

Yang, Y. et al. Ein diodenartig skalierbarer asymmetrischer Solarverdampfer mit extrem hoher Salzbeständigkeit. Adv. Funktion. Mater. 33, 2210972 (2023).

Artikel CAS Google Scholar

Chiavazzo, E. et al. Passive solare Meerwasserentsalzung mit hoher Ausbeute durch modulare und kostengünstige Destillation. Nat. Aufrechterhalten. 1, 763–772 (2018).

Artikel Google Scholar

Xue, G. et al. Hocheffiziente Wassergewinnung mit optimierter solarthermischer Membrandestillationsanlage. Globus. Herausforderung. 2, 1800001 (2018).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Zhang, L. et al. Passive, hocheffiziente thermisch lokalisierte solare Entsalzung. Energieumwelt. Wissenschaft. 14, 1771–1793 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, F. et al. Ein leistungsstarker einstufiger Solarwasserreiniger mit Invertstruktur durch verbesserte Absorption und Kondensation. Joule 5, 1602–1612 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Xu, Z. et al. Ultrahocheffiziente Entsalzung über einen thermisch lokalisierten mehrstufigen Solardestillierapparat. Energieumwelt. Wissenschaft. 13, 830–839 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, W. et al. Gleichzeitige Produktion von Frischwasser und Strom durch mehrstufige Solar-Photovoltaik-Membrandestillation. Nat. Komm. 10, 3012 (2019).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Wang, W. et al. Integrierte solarbetriebene PV-Kühlung und Meerwasserentsalzung ohne Flüssigkeitsausstoß. Joule 5, 1873–1887 (2021).

Artikel Google Scholar

Ni, G. et al. Eine salzabweisende, schwimmende Solardestillationsanlage zur kostengünstigen Entsalzung. Energieumwelt. Wissenschaft. 11, 1510–1519 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, Y., Xiong, T., Nandakumar, DK & Tan, SC Strukturarchitektur für die salzabweisende solare Grenzflächenentsalzung, um eine Hochleistungsverdampfung mit In-situ-Energieerzeugung zu erreichen. Adv. Wissenschaft. 7, 1903478 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Liu, H., Huang, Z., Liu, K., Hu, X. & Zhou, J. Grenzflächen-Solar-zu-Wärme-Umwandlung zur Entsalzung. Adv. Energie Mater. 9, 1900310 (2019).

Artikel Google Scholar

Zhao, F. et al. Materialien für die solarbetriebene Wasserverdunstung. Nat. Rev. Mater 5, 388–401 (2020).

Artikel Google Scholar

Sheng, MH, Yang, YW & Bin, XQ Aktuelle fortschrittliche selbstfahrende Salzblockierungstechnologien für passive, solarbetriebene Entsalzungssysteme mit Grenzflächenverdampfung. Nano Energy 89, 106468 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Xu, KY, Wang, CB & Li, ZT Salzminderungsstrategien der solarbetriebenen Grenzflächenentsalzung. Adv. Funktion. Mater. 31, 2007855 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Xu, W. et al. Flexible und salzbeständige Janus-Absorber durch Elektrospinnen für eine stabile und effiziente solare Entsalzung. Adv. Energie Mater. 8, 1702884 (2018).

Artikel Google Scholar

Li, LX & Zhang, JP Hochsalzbeständige und wetterfeste solarbetriebene Grenzflächenverdampfer mit photothermischen und elektrothermischen Effekten auf Basis von Janus-Graphen@Silikonschwämmen. Nano Energy 81, 105682 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Chen, X., He, SM & Falinski, MM Nachhaltige netzunabhängige Entsalzung von hypersalinem Wasser mit Janus-Holzverdampfern. Energieumwelt. Wissenschaft. 14, 5347–5357 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Xia, Y. et al. Räumliche Trennung der Salzkristallisation von der Wasserverdunstung für eine kontinuierliche solare Dampferzeugung und Salzgewinnung. Energieumwelt. Wissenschaft. 12, 1840 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Wu, L. et al. Hocheffizienter dreidimensionaler Solarverdampfer für die Entsalzung hoher Salzgehalte durch lokalisierte Kristallisation. Nat. Komm. 11, 521 (2020).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Kuang, YD, Chen, CJ & He, SM Ein leistungsstarker, selbstregenerierender Solarverdampfer für die kontinuierliche Wasserentsalzung. Adv. Mater. 31, 1900498 (2019).

Artikel Google Scholar

Zhang, L. et al. Hocheffiziente und salzabweisende Sonnenverdunstung über eine Docht-freie, begrenzte Wasserschicht. Nat. Komm. 13, 849 (2022).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zhang, Y. et al. Gewährleistung einer vollständigen Salzabweisung durch die Kanalisierung von Salzwasser durch eine photothermische Fluidstruktur hin zu einer synergistischen, energiefreien Produktion von sauberem Wasser und einer In-situ-Energieerzeugung. ACS Energy Lett. 5, 3397–3404 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, YX, Zhang, H. & Xiong, T. Manipulation des unidirektionalen Flüssigkeitstransports, um eine nachhaltige solare Wassergewinnung und durch Soledurchnässung induzierte Energieerzeugung voranzutreiben. Energieumwelt. Wissenschaft. 13, 4891 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Yang, K. et al. Dreidimensionale offene Architektur, die salzabweisende Solarverdampfer mit erhöhter Wasserproduktionseffizienz ermöglicht. Nat. Komm. 13, 6653 (2022).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Morciano, M. et al. Solar-Passivbrenner mit hoher Produktivität und Marangoni-Effekt-gesteuerter Salzabweisung. Energieumwelt. Wissenschaft. 13, 3646 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Liu, GH et al. Salzabweisende Verdunstung an der Sonnengrenzfläche. Cell Rep. Phy. Wissenschaft. 2, 100310 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Li, X., Xie, W. & Zhu, J. Grenzflächensolare Dampf-/Dampferzeugung zum Heizen und Kühlen. Adv. Wissenschaft. 9, 2104181 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, Y. & Tan, SC Best Practices für solare Wasserproduktionstechnologien. Nat. Aufrechterhalten. 5, 554–556 (2022).

Artikel Google Scholar

Referenzen herunterladen

Diese Arbeit wurde gemeinsam von der National Natural Science Foundation of China (Nr. 51976013 und Nr. 52006124) und der Beijing Natural Science Foundation (Nr. 3232031) unterstützt. Wir danken G. Wu, S. Liang, Y. Ji, D. Shi und Q. Ma für ihre Hilfe bei der Messung der optischen Parameter der Konvektionsabdeckung und der TiNOx-beschichteten Aluminiumplatte sowie P. Ren für seine Hilfe bei der Aufnahme optische Fotos von hydrophoben Membranen. ZZ dankt S. Liang, H. Cheng und R. Jin für ihre Hilfe bei den Experimenten.

Fakultät für Maschinenbau, Beijing Institute of Technology, Peking, China

Ziye Zhu, Hongfei Zheng, Hui Kong, Xinglong Ma und Jianyin Xiong

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

HZ und ZZ hatten die Idee. HZ und JX leiteten die Forschung. ZZ und XM führten die Experimente durch. ZZ und HK führten die numerische Simulation durch. ZZ, JX, XM und HZ diskutierten die Ergebnisse. ZZ hat die erste Version des Artikels geschrieben. JX, HK und ZZ haben das Papier überarbeitet.

Korrespondenz mit Hui Kong, Xinglong Ma oder Jianyin Xiong.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Water dankt Chengbing Wang und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Ergänzende Anmerkungen 1–16, Abb. 1–25 und Tabellen 1–5.

Quelldaten Abb. 2.

Quelldaten Abb. 4.

Quelldaten Abb. 5.

Quelldaten Abb. 6.

Springer Nature oder sein Lizenzgeber (z. B. eine Gesellschaft oder ein anderer Partner) besitzen die ausschließlichen Rechte an diesem Artikel im Rahmen einer Veröffentlichungsvereinbarung mit dem Autor bzw. den Autoren oder anderen Rechteinhabern. Die Selbstarchivierung der akzeptierten Manuskriptversion dieses Artikels durch den Autor unterliegt ausschließlich den Bedingungen dieser Veröffentlichungsvereinbarung und geltendem Recht.

Nachdrucke und Genehmigungen

Zhu, Z., Zheng, H., Kong, H. et al. Passive solare Entsalzung mit hoher Effizienz und Salzabweisung durch eine umgekehrt verdampfende Wasserschicht mit einer Dicke im Millimeterbereich. Nat Water (2023). https://doi.org/10.1038/s44221-023-00125-1

Zitat herunterladen

Eingegangen: 14. März 2023

Angenommen: 01. August 2023

Veröffentlicht: 31. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s44221-023-00125-1

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt