哈工大任南琪院士团队贺诗欣课题组Nature Water：集太阳能脱盐、发电和作物灌溉功能于一体的综合系统

图片摘要

成果简介

近日，哈尔滨工业大学贺诗欣教授团队在著名学术期刊 Nature Water 上发表了题为“ An integrated system with functions of solar-desalination, power generation and crop irrigation ”的论文。该论文提出了海水淡化 - 发电 - 栽培（ DPC ）三位一体的集成系统，其通过太阳能可以获得淡水、电能和作物栽培介质。 DPC 系统提取了在淡化过程中的海洋盐差能；通过农业集成平台，利用系统排水进行小麦种植，从而实现了太阳能、海洋能和陆地能的无缝结合。基于清洁水 - 能源 - 食品的联系，该综合系统具有太阳能脱盐、发电和作物灌溉功能，是符合可持续发展的宝贵战略 。

气候变暖是当今世界最紧迫的挑战，最终将导致能源危机和水资源短缺。海洋蕴藏着巨大的水资源，可以从中提取淡水来满足人类的需求。太阳能海水淡化是一种有效的海水净化方法，目前已开发出许多基于碳材料、金属纳米颗粒和等离子材料的光热蒸发器用于生产清洁水。然而，这一过程不仅能从海洋中提取饮用水，还能从高盐度海水中提取清洁的盐梯度能 。

基于反电渗析（ RED ）的盐差能提取需要保持足够的浓度梯度以提高发电量，因此既要考虑蒸发，又要考虑离子迁移导致的盐浓度变化，这就需要对系统水循环进行合理设计。采用这一策略的完整水循环设计可提供清洁水、电力和作物灌溉，从而形成一个通过海水淡化收集清洁水，并通过 RED 从海水中提取能源的纽带。这一策略可为电力、清洁水甚至灌溉水短缺的地区提供可持续的能源和水，因此将极大地促进能源安全与人类福祉之间的联系和互动 。

本研究基于 清洁水 - 能源 - 食品的联系 开发了一个可扩展的高效海水淡化 - 电力 - 栽培（ DPC ）三位一体系统。海水淡化过程提高了蒸发器下方海水的盐度，并可通过 RED 提取盐差能。因此， DPC 三位一体系统可在全天候运行条件下持续输出。重要的是， DCP 系统的效率与传统的盐差能提取相比要高出约 2.5 倍。此外，系统排水还可用于作物栽培，不会产生二次污染物。这项技术有望为缓解全球水 / 能源短缺问题提供可行的解决方案，并继续推动全球实现可持续发展和碳达峰 / 碳中和的目标。

图文导读

如图 1 所示，通过在负载聚二甲基硅氧烷（ PDMS ）的三聚氰胺海绵（ MS ）表面喷涂具有高光热效应的疏水化生物石墨烯（ BG ），制造出了高效的 Janus 蒸发器。基于 Janus 蒸发器在海水淡化过程中产生的高盐度海水，利用 RED 提取了高盐度海水与地表水之间增强的盐梯度能量（ ΔG _mix ）。通过合理调节， DPC 三位一体系统的发电排水可用于农作物灌溉，首次展示了太阳能 - 蒸汽 - 发电 - 作物灌溉的无缝可持续能流模式 。

图 2a 展示了 BG 的透射电镜（ TEM ）图像（ i-ii ）以及三聚氰胺海绵（ MS ）和 Janus 蒸发器（ BG@MS ）的扫描电镜（ SEM ）图像（ ii-iv ）。图 2b 表明了 Janus 蒸发器示意图。为了得到最优的蒸发效果，图 2c 探究了不同表面负载量的 Janus 蒸发器（ BG@MS4 、 BG@MS8 、 BG@MS12 和 BG@MS16 ）的蒸发性能，同时对最优蒸发器在海水淡化过程中的温度分布进行确定（图 2d ）。图 2e 测定了 BG@MS12 在三种模拟海水样品（海水淡化前后）的盐度测量值。基于盐度梯度的传输过程，图 2f 给出了蒸发过程和蒸发器下方海水中盐的迁移示意图，并测定了在海水淡化过程中有海水供应和无供应的情况下蒸发器下方海水浓度的变化（图 2g ）；插图显示了在有海水供应和没有海水供应的情况下，等量海水蒸发 3 小时后液面的变化。这些结果证实了在以 Janus 蒸发器为基础的太阳能海水淡化系统中，固定域海水的盐度稳步上升，表明这种利用太阳能生成高盐度海水的策略是可行的 。

图 3a 展示了经过密度泛函理论 (DFT) 优化后的 Nafion 分子结构和分子表面静电势分布。图 3b 展示了 H ₂ O 蒸发和 Na ⁺ 渗透过程的分子动力学模拟。随着时间的推移，高浓度区域的 Na ⁺ （区域 A ）迁移到右侧的低 Na ⁺ 浓度区域（区域 B ）。在整个过程中， A 区和 B 区的浓度呈上升趋势，其浓度增加的主要原因分别是 H ₂ O 的蒸发和 Na ⁺ 的渗透 / 扩散；黑色线和橙色线分别代表 A 区和 B 区浓度变化的斜率（图 3c ），在达到平衡之前， A 区的浓度变化斜率（ k _A ~6.7×10 ^-5 ）大于 B 区（ k _B ~2.5×10 ^-5 ）。此外， H ₂ O 的扩散系数（ D ）值是 Na ⁺ 的 ~22 倍（图 3d-e ），这一差异导致前期 A 区和 B 区的浓度不断增加，并在后期达到平衡。上述分子动力学模拟表明了整个系统的浓度变化过程，并进一步证明了其可持续性 。

图 4a 展示了盐差能的提取机制。图 4b 表明了系统在稳定运行期间（ 4 小时）的开路电压（ E _oc ）和盐度（海水半池）变化，测试结果与海水淡化带来的盐度梯度增加提高 RED 系统电压的预期一致。图 4c 绘制了在淡化过程中系统的电流 - 电压（ I-V ）曲线，从中可获得短路电流（ I _sc ）和最大功率密度 (P _max ) 。初始最大功率密度（ P _max ）为 ~0.106 W m ^-2 ，当电压稳定后（ 4 h ， ~220 mV ）， P _max 达到 ~0.25 W m ^-2 ，几乎是初始 P _max 的 2.5 倍。图 4e 展示了在模拟全天候条件下系统光照过程示意图。图 4f-g 表明在该条件下系统的蒸发速率、表面温度、海水温度、系统盐浓度（海水半池）、 E _oc 和 P _max 的动态过程。随着“白天”光照强度的增加，蒸发器的温度从 ~17.0 °C 上升到 ~48.5 °C ，蒸发速率持续上升。在 0-90° 的区间（ 06:00-12:00 ）内，系统的 E _oc 值（ ~172-209 mV ）和 P _max 值（ ~0.107-0.23 W m ^-2 ）的上升源于蒸发效率的提高。随着光照强度从 90° 逐渐降低到 180° （ 12:00 到 18:00 ），系统的 E _oc 和 P _max 先增加，随后分别降至 ~192 mV 和 ~0.137 W m ^-2 。在 “夜间”条件下，由于海水和地表水之间的盐度梯度， RED 部分可在黑暗条件下连续运行。因此，系统的 E _oc 和 P _max 分别保持在 ~172 mV 和 ~0.105 W m ^-2 。因此，光照条件下的 RED 可提取增强的盐度差能（由于蒸发导致盐度增加），而黑暗条件下的 RED 则可提取海水与地表水之间的自然盐差能 。

图 5a 展示了用于小麦栽培的 DPC 三位一体系统示意图。图 5b 表明了在保证 P _max 的条件下系统排水初始状态和稳定状态下的离子浓度（ Na ⁺ 、 Mg ²⁺ 、 K ⁺ 和 Ca ²⁺ ），该浓度低于小麦种子萌发的耐盐性。以海水和地表水为对照，研究了系统排水培育小麦的能力。如图 5c-d 所示，用排水灌溉的小麦生长良好， 7 天后芽长达约 85 mm ，而用海水灌溉的小麦无法发芽，这是由于盐分胁迫破坏了小麦种子质膜结构和生理功能造成的。通过系统排水灌溉的小麦，其芽长随时间的变化趋势与地表水灌溉的小麦基本相同，表明系统排水与作物栽培相适应，可满足小麦种植的实际需求。

针对可能的区域化应用，本文进一步研究了太阳辐射强度对系统性能的影响。根据世界主要河流和入海口的分布，选取了 0-30°N 、 30-60°N 、 60-90°N 和 0-30°S 、 30-60°S 、 60-90°S 六大纬度分布梯度进行探索。如图 6a-b 所示，世界主要河流和河口以及全球辐照度主要分布在 60°N-30°S 的中低纬度区域，表明 DPC 系统在该区域的应用潜力巨大。从图 6c-d 可以发现在中纬度地区（ 30-60°N 和 30-60°S ）， DPC 系统的生产力是波动的，春秋两季的蒸发速率和功率输出分别为 ~0.5-0.9 kg m ^-2 h ^-1 和 ~0.12-0.15 W m ^-2 。低纬度地区（ 0-30°N 和 0-30°S ）的生产力更为稳定，蒸发速率和功率输出分别为 ~1.08-1.25 kg m ^-2 h ^-1 和 ~0.17-0.23 W m ^-2 。这初步显示了 DPC 系统的区域适用性，可为进一步的实际应用提供参考，但大规模的部署和应用需要更具体的评估。

识别二维码 关注我们