近日，制冷与低温工程研究所“能源-水-空气”交叉学科创新团队ITEWA在Nature Communications上发表了题为“Ultra-high freshwater production in multistage solar membrane distillation via waste heat injection to condenser”的研究论文，提出了基于热增压强化的多级太阳能膜蒸馏策略，通过在蒸馏装置末端利用低温热源进行加热，从而提升系统整体的运行温度和蒸发-冷凝蒸汽压差，实现更高的蒸汽通量。本文的第一作者为博士后Primož Poredoš、高金彤和博士生山訸，王如竹教授和徐震原教授为通讯作者。
随着气候变化的加剧，人们对水资源安全问题日益关注，水资源问题不仅与生态系统密切相关，还影响到社会、经济的可持续发展。利用可再生能源（如太阳能）实现海水淡化是解决水资源安全问题的重要途径。现有的海水淡化方法中，热驱动的多级膜蒸馏技术近年来愈发受到关注，尤其在材料和系统设计方面取得了显著进展，但该技术仍存在进一步提升的空间：首先，多级膜蒸馏装置中产水速率逐级下降，装置利用率随级数增加而降低，整体产水性能与理论极限相比还有极大的提升空间；其次，需进一步探索在紧凑型膜蒸馏装置中引入额外热源的创新设计方法，并优化装置运行。
本文提出了一种新型的多级太阳能膜蒸馏系统，与现有技术（图A1）在系统末端只考虑冷却的思路不同，新系统在末端利用低温热源进行加热，从而提升系统整体的运行温度和蒸发-冷凝蒸汽压差（图A2），作者将其称为温度增压（Stage temperature boosting,STB）方法。该做法实现了意想不到的提升效果，尤其在装置整体产水量方面的提升非常明显。
作者通过理论计算揭示了通过温度提升来提高蒸汽压差的热增压物理机制，以及热增压对蒸发-冷凝间蒸汽通量的提升作用。以气隙厚度为2mm的单级膜蒸馏过程为例，蒸汽通量与蒸发、冷凝之间的温差呈非线性关系，温度越高则相同温差所产生的蒸汽通量越大（图A3），这是由于水的饱和蒸气压随温度上升呈指数增加。因此可以通过引入外部热源（低温余热等）加热的方式提高装置整体温度以实现热增压，从而提升产水速率。
基于该原理作者设计并组装了如图A3所示的多级膜蒸馏装置，装置顶部的太阳热能输入分别通过电加热（D1）、选择性吸光板（D2）和光热膜（D3）实现，装置内部的电加热器件用于模拟其他热源并实现热增压，三种装置的级数分别为5级（D1）和8级（D2和D3）。对蒸馏装置在不同太阳辐照强度和加热功率条件下进行了实验验证，结果表明电加热位置越靠前，整体产水速率的提升越明显（图A4），这符合多级冷凝热回收的运行规律。同时，蒸馏系统各级的产水速率并不像常规系统那样逐级下降，反而逐级上升（图A5中的阴影区域）。在1000 W m-2的太阳辐照强度下，通过最后两级分别以250 W m-2的功率进行加热实现了9.0 L m⁻² h⁻¹产水速率，综合能量转换效率达到407%。与采用聚光太阳能膜蒸馏（3000 W m-2）相比，产水速率和能量转换效率分别提高了409%和816%（图A6）。单级平均产水速率达到了1.13 L m⁻² h⁻¹的新纪录，在现有研究的基础上提高了88%。进一步的模拟结果表明，在十六级的太阳能膜蒸馏系统采用这种热增压方式强化，其产水性能与光伏-反渗透（PV+RO）技术相比具有竞争性（图A7）。
本文揭示了一种利用低温余热对多级太阳能膜蒸馏进行热增压强化的方法，并通过仿真和实验验证了该方法在提升膜蒸馏系统产水速率的有效性。研究成果为新型的高效、紧凑膜蒸馏器件提供了新的设计思路，在实现低成本海水淡化方面具有巨大潜力。
