太阳能海水淡化能够利用资源丰富的太阳能从海水中提取淡水，解决偏远地区的水短缺问题。近年来，通过构建多级蒸馏装置，太阳能海水淡化的产水效率已经达到了%。然而，为了实现更高的太阳能热利用效率，在“热限域”的原则下设计受限的水运输通道以抑制向下的传热，此时蒸发面累计的盐很难扩散回体相水中，进而诱发盐堵塞的发生。特别是在被动式的多级蒸馏装置中，盐堵塞现象更容易发生，盐堵塞问题亟需解决。
图1电、水、盐的收集装置示意图。(a)太阳能电池板与多级蒸馏器耦合示意图，PV板将太阳能转化为电能和热能，多级蒸馏器由光伏余热驱动，得到洁净的水和盐。(b)盐水运输通道中离子扩散、对流示意图。(c)虹吸现象示意图。盐在吸水材料边缘结晶，与输水材料形成虹吸通道。一旦虹吸条件满足，虹吸泵送的溶液会自发的冲洗结晶盐。
有鉴于此，济南大学前沿交叉科学研究院薛国斌教授、刘宏教授课题组，通过太阳能电池板（PV）与被动式多级蒸馏器的组装，设计了能同时进行电、水、盐收集的耦合器件（PV-MS），并利用虹吸现象有效地解决了被动式多级装置中的盐堵塞问题，该装置甚者可以处理超高浓度盐水。本文论中利用该装置对海水（35g/L）、反渗透处理极限浓盐水（70g/L）、电渗析处理极限浓盐水（g/L）的进行处理，均表现出良好的淡化效果和稳定性。例如，在1个太阳光下处理g/L的高浓度NaCl溶液，五级蒸馏器的产水量约为1.17kgm-2h-1，输出电量为97Wm-2，集盐量为1.02kgm-2d-1。这项工作证明了多级太阳能蒸馏器处理高浓度废水的可行性，是实现废水再利用的重要一步。该成果以题为“Photovoltaic-multistagedesalinationofhypersalinewatersforsimultaneouselectricity,waterandsaltharvestingviaautomaticrinsing”发表在了NanoEnergy（10./j.nanoen..）上。济南大学硕士研究生杨丽萍、孙天宇为本文的共同第一作者。
图2单层装置水、电、盐收集效果。(a)设备的光学图像。插图是光伏板在1个太阳光下的红外辐射(IR)热图像。(b)具有微孔结构的毛细管芯的扫描电镜图像。(c)PV板的紫外-可见-近红外光谱。(d)不同太阳通量下蒸发器和冷凝器的温度。(e)不同太阳通量下单层蒸馏器的产水量。(f)PV板在不同太阳通量下的I-V曲线和功率密度。(g)1个太阳光作用下毛细管芯盐浓度分布的稳态模拟。(h)与实验测量值不同位置的盐浓度。(i)海水淡化时的产水量和产盐量。
图3被动式五级蒸馏器的性能表现。(a)PV板在1个太阳光下的稳定温度。(b)1小时测试期间各阶段的温度变化。(c)PV板在不同太阳通量下的I-V曲线。(d)五级蒸馏器的实时产水量。(e)各阶段产水量。(f)水在蒸馏前和蒸馏后的测量盐度。室温~25°C。
图4被动式五级蒸馏器处理高浓盐水、实现水电盐联产示意图。(a)与外部电路电阻连接的五级蒸馏器的照片。(b)PV板和电阻的温度分布。(c)1小时测试期间各阶段的温度变化。。(d)在1个太阳光下淡化70g/LNaCl溶液时的实时产水量。(e)在1个太阳光下对g/LNaCl溶液进行脱盐时的实时产水量。(f)在1个太阳下脱盐不同浓度盐水溶液时的产盐量。
图5户外实验。(a)大小为10×10cm2装置的光学图片，插图是运行一天后结晶盐的照片。(b)8:30至14:30的太阳辐射和环境温度。(c)设备的产水量。(d)水收集过程的照片。
综上所述，结合“热限域”和潜热回收设计，以及虹吸冲刷的策略，PV-MS表现出良好的长期稳定性，具有较高的产水能力、集盐能力和输出电量。在1个太阳光下处理g/L高浓度盐水时，五级蒸馏器产水量约为1.17kgm-2h-1，发电量为97Wm-2，收盐量为1.02kgm-2d-1，且蒸馏器无盐堵塞现象。本工作通过系统的能量和质量运输调控设计，展示了被动式太阳能蒸馏器淡化处理高浓盐水、同步水电收集的可行性，为解决各种离网条件和水短缺地区高浓废水的零排放回收提供了一条有效途径。
来源：济南大学
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