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

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第一作者：王蒙; 危岩 教授; 王鑫

通讯作者：贺诗欣 教授

通讯单位：哈尔滨工业大学环境学院

论文DOI：10.1038/s44221-023-00118-0

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。

引言

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

图1.基于Janus 蒸发器和反电渗析（RED）技术的海水淡化-发电-种植（DPC）三位一体系统示意图

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2. Janus蒸发器的海水淡化性能和盐度浓缩能力

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3. 基于RED系统的分子动力学模拟

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H₂O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H₂O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，H₂O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 4. 基于RED 的DPC系统在模拟全天候条件下的发电性能和总体效果评估

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 5.系统排水用于小麦种植的能力

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⁺、Mg²⁺、K⁺和 Ca²⁺），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。

图 6. DPC系统的区域化应用潜力

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。

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小结

在这项研究中，我们基于可持续的水-能源-农业关系，从海水淡化过程中产生的高盐度海水中提取化学能，既实现了淡水收集和增强发电，又合理调节了系统排水进行作物栽培，首次展示了一个综合的海水淡化-发电-栽培（DPC）三位一体系统和可持续战略。基于高效的太阳能海水淡化性能，DPC三位一体系统可通过海水淡化产生的盐度梯度实现出色的发电效果。系统排水可用于实时、按需栽培小麦（7d后苗高可达约~85 mm），且不会产生任何二次污染物。DPC三位一体系统出色的全天候生产能力为其大规模应用提供了可能。基于清洁水-能源-食品的联系，我们提出的具有太阳能脱盐、发电和作物灌溉功能的综合系统是符合可持续发展的宝贵战略。

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通讯作者简介

通讯作者：贺诗欣(Shih-Hsin Ho), 长聘教授，博士生导师，现任职于哈工大环境学院，并担任国合基地副主任，国家高层次人才。近年来，主持并参与了包含中组部、基金委、科技部等项目共15项。主要从事微藻废水处理与藻渣资源化利用、及环境功能材料开发等相关领域的研究。在Nat. Water, Nat. Biomed. Eng., Trends in Biotech., Appl. Cat. B, Water Res., Environ. Sci. Technol.等发表SCI论文270余篇。总引用19000余次（Google Scholar），H index为74 (Google Scholar)，29篇高被引论文。连续多年入选世界前2%科学家并入选2022年科睿唯安（Clarivate）全球高被引科学家。拥有授权发明专利10余项，开展成果转化应用多项。现担任中组部、教育部、科技部、基金委和多所国内外高校人才评审专家等，并担任Environ. Sci. Ecotechnol. (SCI), J. Hazard. Mater. (SCI), Chin. Chem. Lett. (SCI), Bioresour. Bioprocess. (SCI), Energies (SCI), Results Eng. (SCI)等多本期刊副主编、编委或客座编委。

联系邮箱：[e-mail]

第一作者：

王蒙，哈尔滨工业大学环境学院博士生；

危岩，教授，国家高层次人才，清华大学前沿高分子研究中心主任；

王鑫，东北林业大学材料科学与工程学院博士生。

投稿：哈尔滨工业大学贺诗欣教授团队。投稿、合作、转载、进群，请添加小编微信Environmentor2020！环境人Environmentor是环境领域最大的学术公号，拥有15W+活跃读者。由于微信修改了推送规则，请大家将环境人Environmentor加为星标，或每次看完后点击页面下端的“在看”，这样可以第一时间收到我们每日的推文！环境人Environmentor现有综合群、期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个，欢迎大家加小编微信Environmentor2020，我们会尽快拉您进入对应的群。

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