2018年11月19日
[本篇访问: 8025]
朱嘉教授课题组光热转换新进展:快速、低能耗、低成本的太阳能蒸汽灭菌

近日,我校现代工程与应用科学学院朱嘉教授课题组在高效“界面光热转换”领域取得新进展,揭示了界面光热转换的动力学优势并应用在蒸汽灭菌领域中,该工作以《Interfacial solar steam generation enabled fast responsive, energy efficient and low cost off-grid sterilization》为题发表在Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.201805159)。课题组硕士研究生李金磊为该论文的第一作者,朱嘉教授为论文的通讯作者,该工作得到了南京大学生命科学院刘常宏教授课题组、杨永华教授课题组、斯坦福大学材料工程系Luca Bertoluzzi博士的帮助和支持,和南京大学祝世宁院士的指导和支持。

蒸汽灭菌是医疗过程中使用最为广泛、最为可靠的灭菌方式之一。但传统的蒸汽灭菌技术需要消耗电能,而在发展中国家和地区,约有15亿人长期缺乏电能供给;在野外、灾害等特殊场景下,电力的稳定供应也无法保障。有效、可靠的灭菌技术的匮乏使得这些地区的人民暴露在多种危险的由病原体感染导致的流行疾病下。因此,为离网地区与特殊场景提供一种可靠、高效、低成本的灭菌方式迫在眉睫。

图1. 基于体块加热和界面加热的太阳能灭菌对比示意图

在这些远离电网的地区,太阳能资源往往十分丰富,因此近些年来,太阳能驱动的蒸汽灭菌技术引起广泛的关注。如图1a所示,蒸汽灭菌包括三个阶段,即:升温阶段(蒸汽温度升高到灭菌温度),保温阶段(蒸汽温度越高,时间越短)以及降温阶段(蒸汽温度降低到100℃,以安全打开灭菌器)。然而之前的太阳能灭菌技术多数基于体块加热方式(即加热全部的水体)来产生高温蒸汽。这种加热策略使得升温过程及降温过程都耗时很长,能量利用率低,极大限制了这种技术的实际推广和应用。

朱嘉教授课题组近几年一直系统地研究高效界面光热转换及其在太阳能海水淡化、水处理等领域的应用。区别于传统的体块加热,界面光热转换过程中仅将位于水-气界面的水分子持续不断地活化变为蒸汽,而大部分水体仍然可以保持在较低的温度状态。之前“界面光热转换”领域的工作主要关注其热力学优势,即太阳能-蒸汽的高能量转换效率;而这一工作首次揭示了其动力学优势,即由于只需要加热界面水分子,“热质量”被大大降低,从而产生高温蒸汽并达到稳态的速度会有量级提升(图1b)。

如图2所示,基于界面加热的太阳能灭菌技术可以快速、高效地产生蒸汽;达到更高的准稳态蒸汽温度,大大缩短灭菌过程的保温时间;同时也可快速地冷却下来,这有利于连续灭菌循环操作(图2c),从而极大的提高灭菌器的处理能力。该系统在响应速度和单位蒸汽的能耗均要优于商业化的传统灭菌以及其他太阳能蒸汽灭菌技术(图2d)。

图2. 基于界面加热和体块加热的太阳蒸汽生产的响应速度及能量消耗对比。(a)界面加热和体块加热的示意图。(b)温度随时间变化曲线。(c)模拟连续灭菌操作。(d)基于界面加热的太阳能蒸汽灭菌器与其他灭菌器的性能对比。

朱嘉教授课题组进一步开发出了基于界面加热方式的太阳能蒸汽灭菌器概念模型。该灭菌器可以对多种细菌营养体及芽孢实现有效的杀灭,灭菌效果均超过国际卫生组织对医疗器械灭菌的要求(图3)。值得一提的是,该系统的运行成本及寿命周期成本均要比商业灭菌器件低一个量级,使得这种灭菌器非常适合在广大发展地区推广和应用。此外,这种灭菌系统环境友好的,每个系统在生命周期中可以减少二氧化碳排放67吨。因此该系统的推广和应用不仅可以为远离电网的地区提供快速、有效、负担的起的灭菌方式,还可以推进这些地区的节能减排。

图3. 基于界面加热的太阳能蒸汽灭菌锅的灭菌效果

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201805159

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)