突破技术“天花板”！中国农业大学本科生以第一作者身份在一区top期刊（IF=18.8）发表研究成果
学术
2024-09-04 13:47
法国
近日，中国农业大学水利与土木工程学院刘志丹教授团队在《科学通报》（Science Bulletin）上发表了题为 Renewable biomass reinvigorates sustainable water-energy nexus 的研究论文。本研究介绍了一种利用可再生生物质实现盐水分离与清洁电力生产的可持续方法。这一策略为处理废弃生物质、非并网地区的淡水供应、分布式清洁能源的提供、水环境保护以及盐碱土壤的改良等多个领域面临的挑战提出了新的解决方案。随着人口的增长和气候变化的影响，对可持续资源的需求变得日益迫切。传统的海水淡化方法，例如反渗透和蒸馏，消耗大量的电力，而电力的生产过程本身也会消耗大量的水资源，这种紧密的相互作用形成了一个复杂的挑战。此外，发电厂依赖水资源来冷却，这进一步加剧了水资源的紧张状况。尽管双功能装置旨在同时产电和产淡，但它们的表现通常不及单一功能的设备，并且造价昂贵、碳排放量大。相比之下，太阳能蒸发脱盐技术利用太阳能来蒸发海水，从而生成淡水，并且在这一过程中，还可以利用由能量或海水中离子浓度差异产生的梯度来收集清洁的电能。该技术的发展瓶颈在于寻找可持续、经济高效且低碳的材料。因此，本文介绍了一种采用可再生生物质材料的创新策略，旨在通过结合太阳能蒸发脱盐与清洁电力生产，克服现有双功能装置的限制（见图1）。研究结果显示，即便在光照强度较低的条件下，本研究所提出的太阳能脱盐技术依然能够实现超过100%的效率。通过简单的水热处理和结构调控，生物质材料能够实现每平方米每小时3.56公斤的高效蒸发率及高达149.1%的脱盐率，并且能够实现长期稳定的全天候电力产出（见图2）。本研究中生物质材料的多功能协同效应，促进了同步的淡水提取、海水淡化以及电力生成，并且已经进行了初步的工程验证，为全球水-能源-环境系统的可持续发展提供了有力支持。从全球视角来看，环境影响和经济效益的分析表明，这项技术在20年的运行周期内，其平均温室气体排放量仅为传统工业反渗透脱盐技术的千分之三，并且具备实现负碳排放的潜力。此外，在20年期间的累计收益中，淡水生产、清洁电力销售以及因减少碳排放所获得的收益分别占到了16.3%、73.1%和10.7%，显示出显著的社会经济效益（见图3）。基于此项研究成果，我们看到了利用低成本可再生生物质资源应对全球水环境和能源挑战的前景。图3 基于水热生物质的取水-脱盐-产电体系的稳定性和环境经济分析中国农业大学刘志丹教授团队致力于生物质能、水热技术、生物质-环境-能源等方面的研究。本科毕业生陈鸿绪（现为普林斯顿大学博士生）和徐佳涛为（现为本校硕士生）共同第一作者，刘志丹教授为通讯作者。普林斯顿大学任智勇教授为论文提供了重要支持和指导。本研究得到了国家自然科学基金（U21A20162和52261145701）和中国农业大学2115人才培育发展计划项目的资助和支持。![]()
