基于MXene纳米流体的太阳能膜蒸馏系统

作者：蒋港凯，于伟教授，雷晖老师

单位：上海第二工业大学能源与材料学院

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.desal.2022.115930 

近日，上海先进热功能材料工程技术研究中心于伟教授团队在Desalination（脱盐和海水淡化领域的国际知名期刊，IF=11.211）上发表了题为“Novel solar membrane distillation system based on Ti₃C₂T᙮ MXene nanofluids with high photothermal conversion efficiency”的研究论文，将纳米流体的光热效应与膜蒸馏系统耦合，大幅提高了直接太阳能加热膜蒸馏系统的水蒸发效率（提升90%）。该论文是以上海第二工业大学能源与材料学院为第一单位，硕士研究生蒋港凯为第一作者，上海第二工业大学高级工程师雷晖老师为通讯作者。

膜蒸馏（MD）技术作为一种新的脱盐工艺，它有效地结合了热处理和膜分离，并且由于其操作温度和压力要求较低，展现出巨大的商业应用潜力。同时，它也可以和太阳能结合构成太阳能膜蒸馏（SMD），利用太阳能来进一步节约传统化石能源的消耗。然而，SMD的光热转换效率很低，在系统的简单设计和高效率方面仍然是一个挑战。在本研究中，我们开发了一种Ti₃C₂T᙮ MXene光热转换材料，并将其进一步耦合到一个新型的SMD系统中。在这个系统中，光热转换粒子吸收太阳光，将太阳能转换成热能来加热进水端，这样完全消除了额外的能量输入。实验结果表明，单层Ti₃C₂T᙮ MXene具有高效的光热转换性能，该系统的膜通量可以达到2.375 kg⋅m⁻²⋅h⁻¹，远高于先前报道的大多数实验研究的SMD系统膜通量。我们的研究为实现太阳能的高效利用和膜蒸馏海水淡化提供了实验和理论依据。

Fig. 1. Preparation flow chart of Ti3C2Tx with different morphologies

Fig. 2. Novel SMD system coupling a new type of photo-thermal conversion material with the membrane distillation system.

Fig. 3. (a) (b) SEM images of the M-MXene. (c) TEM image of the M-MXene sheets. (d) (e) SEM images of the S-MXene. (f) TEM image of the S-MXene sheets. (g) (h) SEM of the TiN. (i) The XRD patterns of MXene and Ti₃AlC₂.

Fig. 4. The SEM images of PTFE membrane (a) (b) before experiments, (d) (e) after experiments, the contact angle images of PTFE membrane (c) before experiments, and (f) cleaning after the experiments.

Fig. 5. Optical properties of nanofluids: (a) TiN, (b) M-MXene, and (c) S-MXene nanofluids of different concentrations, (d) Three kinds of nanofluids of 0.01 vol%.

Fig. 6. Infrared thermal images of 0.04 vol% TiN, M-MXene, and S-MXene in simulated seawater under 1 sun illumination.

Fig. 7. Evaporation performance of nanofluids with different volume concentrations: temperature and mass change of (a)(b) TiN nanofluids, (c)(d) M-MXene nanofluids, and (e)(f) S-MXene nanofluids, (g) Temperature comparison of three kinds of nanofluids with 0.04 vol%, (h) evaporation efficiency of three kinds of nanofluids.

Fig. 8. Solar DCMD performance: (a) Five dynamic temperatures of 0.04 vol% S-MXene nanofluids, (b) Mass change of four kinds of nanofluids, (c) The membrane flux of four kinds of nanofluids, (d) Product water conductivity, (e) The membrane flux in the cycle test, (f) Comparison of the evaporation rate between our steam generator and the reported steam generator devices in the literature.

综上所述，我们提出了一种新型太阳能膜蒸馏系统，并在实验室搭建了该系统，同时将光热转换材料引入到所设计的系统中。这项工作从分析当前太阳能膜蒸馏系统的关键问题开始，目的是提高太阳能光热利用和海水淡化的效率。同时，通过利用具有优异性能的光热转换材料，提高了产水率。与传统的SMD相比，本研究设计的复合系统具有更高的膜通量，达到2.375 kg⋅m⁻²⋅h⁻¹，并且降低了能源消耗的成本。在未来，可以进一步通过改善系统的隔热性能，优化操作条件（如进水速度）和优化进水流道及导流格网的设计等，来进一步提高新型SMD系统的产水率。我们的研究为实现太阳能膜蒸馏提供了实验和理论基础，这种新型SMD系统在海水淡化和废水处理中将具有巨大的应用潜力。