我院张华教授团队在Cell子刊Cell Reports Physical Science上发表太阳光驱动的空气水收集研究论文

发布者:王坤发布时间:2022-06-23浏览次数:103

近日,我院张华教授团队联合上海交通大学王如竹教授团队在Cell Reports Physical Science上发表了《高产量和可扩展的蜂窝式吸湿聚合物用于太阳光驱动的空气水收集》High yield and scalable water harvesting of honeycomb hygroscopic polymer driven by natural sunlight)的研究论文,报道了一种基于新型蜂窝凝胶吸附剂PCLG的自然光驱动的高效空气取水技术,证实了其在全球干旱地区取水的巨大潜能。该论文是我校能动学院、理学院、上海交通大学联合研究成果,我校为第一单位,我院青年教师王佳韵为该论文的第一作者,邓超和、钟国栋、应汶峻等研究生为联合作者,张华教授和王如竹教授为共同通讯作者。



1. PCLG用于空气取水的概念图


水资源在人类生产生活中发挥着至关重要的作用,然而由于人口增长、全球变暖和水质恶化等问题,世界上三分之二的人口面临淡水短缺问题。太阳能驱动的吸附式空气取水技术可突破地域限制,利用阳光与空气生产淡水,可实现分布式灵活供水,极具应用推广价值。然而由于成本、能效等诸多因素,材料研究与实际应用之间依然存在很大的差距,多数研究成果仍止步于实验室。针对这一困境,我校能动学院制冷低温创新团队开发了一种高性能、可拓展的蜂窝式水凝胶基复合吸附剂,并搭建了一套高集成的空气取水装置,完成了从材料-热力学优化-装置的系统性研究。结果表明:

1PCLG材料实现了3.97 g(水)/cm32.55 g(水)/gPCLG)的高水收集量,通过蜂窝优化的PCLG吸附床结构设计,可大幅降低水蒸气的渗透阻力,提升床体内的传热传质能力,为高效的空气取水提供了理论支撑(图2a)。

2PCLG 具有良好的光热特性,在低辐照强度下能实现高效取水(图2defg)。PCLG的解吸水量在75%RH30%RH条件下分别高达1.530.47 g(水)/gPCLG),单位面积取水量分别是3.8 kg/m21.08 kg/m2

3)上海理工大学动力二馆楼顶的户外取水实验表明:在太阳光驱动(0.73kW/m2)及35℃的冷凝温度下,该装置取水量可达2.9 L/m2。基于PCLG材料的取水性能,结合300多个气象站的典型气象数据(包括昼夜温度、RH和太阳辐射强度),预测该AWH装置在相对湿度大于80%的潮湿地区,取水量最高可达6 L/m2(图3)。


2. PCLG蜂窝吸附床取水性能及光热特性


3. PCLG空气取水机组的全球取水应用前景

该研究系统的介绍了超高效水凝胶吸附剂和可拓展的空气取水技术,开拓性的展示了从“材料-优化-装置-预测”的体系化空气取水研究过程,呈现了课题组对于空气取水领域较为全面的研究能力,为材料开发至应用拓展之间构筑了桥梁,从而为缓解世界的缺水问题提供了切实可行的解决方案。

本研究工作得到国家自然科学基金青年项目(52006145)、上海市晨光项目(19CG54)、上海市青年英才计划扬帆项目(20YF1431500)的资助。

期刊介绍:Cell Reports Physical ScienceCell Press出版集团推出的高影响力综合期刊,旨在发表物理、化学、能源科学、材料科学以及交叉学科领域中的重大研究进展。


论文链接:https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100954