王中林院士团队AMT：用于高效分离超高含水率油包水乳液的自供电摩擦电脱水器

摘要：中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队与大连海事大学徐敏义教授团队展开合作，提出了一种基于摩擦纳米发电机和电脱水原理的自供电高效摩擦电脱水器。相较于传统的电脱水方法，省去了复杂的电源设备且可以通过收集环境能量供电。同时，拓宽了电脱水适用的含水率范围。

关键词：Advanced Materials Technologies, 摩擦纳米发电机, 电脱水, 自驱动系统, 油包水乳液

图1. 摩擦电脱水器（TED）的设计与应用示意图。a）用于原油处理的风力驱动TED网络。b）风力驱动TED装置的结构示意图。c）原理图。与其他工作比较的d）初始含水率和e）最终脱水率。

石油生产或其他活动产生的油水混合物如果不恰当处理，将对生态产生不利影响。传统的油水分离技术通常在处理过程中消耗大量的能源或物料。在众多脱水方法中，电脱水是能量效率较高的一种。它具有很高的脱水效率和脱水质量，但只能在复杂的电源条件和低含水率下工作。因此，发明一种高效可持续的油水分离方法成为迫切需求。近年来，摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator，简称TENG)已发展成为一种新型机电转换技术。依靠静电感应效应，可以轻松达到数千伏特的开路电压。同时，由于及其微安级别的短路电流，具有很高的安全性。因此，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队与大连海事大学徐敏义教授团队展开合作，设计了一种基于摩擦纳米发电机和电脱水原理的自供电高效摩擦电脱水器。

这种摩擦电脱水器（triboelectric dehydrator,TED）由旋转式摩擦纳米发电机（FR-TENG）直接供电，可收集环境能量转化为电能驱动脱水。FR-TENG的设计使转子上的PVC薄膜与定子上的尼龙薄膜柔软地接触。与其他紧密摩擦的TENG相比，FR-TENG的转子和定子之间的阻力扭矩更小。因此，它更容易采集环境能源，如波浪能、风能、洋流能。通过将FR-TENG直接与电脱水机的两个电极连接，在容器中建立了一个电场。根据电流体力学，FR-TENG提供的电场对油包水乳液产生介电力。在电介质力的作用下，被油包裹的水滴产生变形、振荡和凝聚，从而使得脱水的速度明显加快。

图2. 在FR-TENG的电场下，乳液中水滴的运动状态。a）TED的一个完整周期中的四个阶段。b）实验和c）模拟条件下由FR-TENG直接驱动的水滴聚结。

图3. 不同条件下油包水乳液中的电场强度和介电力模拟。a）一个水滴和b）两个水滴之间不同角度下的电场强度和介电力的变化。c）介电常数与电场强度和介电力的关系。d）两个不同中心距的水滴之间的电场强度变化。e）两个不同直径的水滴之间的电场强度变化。f）不同直径的水滴在不同中心距离处的介电力变化。

图4. 不同条件对TED性能的影响。a）电脱水实验流程示意图。b）与自然沉降相比，FR-TENG驱动的电场增强了脱水效果。c）在5分钟和60分钟时，不同平均电强度对两种电极结构的脱水速率的影响。d）通过提高乳液的温度促进脱水。e）最终脱水率随初始水分含量的不同而变化。

传统电脱水器的工作含水量通常低于20%。对于具有脉冲电场和绝缘电极的传统电脱水机，适用的工作含水量接近40%。由于FR-TENG的电气特性与传统的高压电源的电气特性有根本的不同，实验中TED能够脱水的含水量范围几乎涵盖了整个油包水乳液的含水量范围。即使初始水分含量为60%，脱水率也达到99.41%。

该工作提出的基于摩擦纳米发电机和电脱水原理的自供电高效摩擦电脱水器，可用于分离具有超高含水率的油包水乳液，大大拓宽了电场脱水的适用含水率范围。当TENG由机械能驱动时，放置在乳液中的平行电极之间会形成高压电场。为了解高压电场作用下油中水滴的动态性能，将水平集两相流模型和静电模型耦合起来，模拟了高压电场作用下油中水滴之间的相互作用。发现TED产生的介电力通过偶极聚结和振荡聚结促进水滴聚结。此外，实验研究了电场强度、电场均匀性和初始水分含量对TED脱水性能的影响。结果表明，TED的脱水能力在各种条件下都非常出色，表现出优越的效率和稳定性，特别是对于超高水分含量的油包水乳液。此外，风能驱动的TED被成功地证明可以用于油包水乳液脱水。这表明TED在分离油水乳液方面具有巨大的应用潜力，符合高效可持续的发展需求。

相关工作以“A Self-Powered and Efficient Triboelectric Dehydrator for Separating Water-in-Oil Emulsions with Ultrahigh Moisture Content”为题，发表在Advanced Materials Technologies(DOI: 10.1002/admt.202200198)上。大连海事大学徐敏义教授与中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士为论文共同通讯作者。共同第一作者为大连海事大学李方明、万星甫、洪嘉驹。

WILEY

论文信息：

A Self-Powered and Efficient Triboelectric Dehydrator for Separating Water-in-Oil Emulsions with Ultrahigh Moisture Content

Fangming Li, Xingfu Wan, Jiaju Hong, Xinyang Guo, Minzheng Sun, Haijia Lv, Hao Wang, Jianchun Mi, Jia Cheng, Xinxiang Pan, Minyi Xu*, Zhong Lin Wang*

Advanced Materials Technologies

DOI:10.1002/admt.202200198

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期刊简介

Advanced Materials Technologies创刊于2016年4月， 是一本刊载技术相关的衔接材料科学和实际应用的高质量期刊，着重于基于新材料的先进工程、器件设计和新技术。Advanced Materials Technologies于2017年初被Web of Science收录，最新的影响因子为7.848。

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