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石油生产和其他人类活动产生的油水乳液如果处理不当，对环境、生态、和人类健康会产生不利影响。现有油水分离技术通常需要在油水处理过程中消耗大量的能源或物料。因此，发明一种高效可持续的油水分离方法成为迫切需求。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。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，TENG的开路电压可以很容易地达到几千伏特。同时，由于TENG有限的转移电荷，其短电流输出通常处于微安的水平。因此，大连海事大学徐敏义教授团队与中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队合作，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。
近日，大连海事大学徐敏义教授团队与中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队展开合作，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（TED），该脱水器被设计用于高含水率油包水乳液的脱水。TED将脱水器的两个电极与独立旋转式摩擦纳米发电机（Freestanding rotary Triboelectric nanogenerator，简称FR-TENG）直连，相较于传统的电脱水方法，省去了复杂的电源转换设备且可以通过收集环境能量（风能、波浪能等）供电。得益于FR-TENG高电压，低电流的输出特性，在满足脱水电压的同时，大大减少了可能发生的短路损坏，拓宽了电脱水适用的含水率范围。实验表明，其适用的含水率范围几乎是传统电脱水的三倍。该工作通过结合摩擦纳米发电机和电脱水技术，发明了一种新型的高效可持续的油水分离技术。该成果以”A Self-powered and Efficient Triboelectric Dehydrator for Separating Water-in-oil Emulsions with Ultrahigh Moisture Content”为题发表于Advanced Materials Technologies。
图文导读
图1. 用于分离油包水乳液的TED的设计与应用.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）TED原理图。d）初始含水率和e）最终脱水率与其他工作的比较。
图2. FR-TENG的结构和电气特性。a）FR-TENG的结构示意图。b）FR-TENG电气特性的测量电路图。开关位置1和2分别对应FR-TENG的开路电压和短路电流的测量。不同转速下FR-TENG的c）开路电压和d）短路电流。FR-TENG各种间隙距离的e）开路电压和f）短路电流。
图3. FR-TENG构建的高压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 4.模拟不同条件下油包水乳液中的电场强度和介电力。a）围绕一个水滴和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5. 不同实验条件对TED电脱水性能的影响。a）电脱水实验过程示意图。b）与重力沉降相比，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。
图6. 用于分离油包水乳液的风力驱动TED的演示。a）风力驱动TED的实验室台和能量循环的示意图。b）在 5mm、17mm和26mm的间距下驱动 FR-TENG时的扭矩变化。c）风力驱动TED的实验室台照片。1到5分别表示风扇、TED的容器、风速计、风轮和FR-TENG（图中比例尺长度：10 厘米）。d）用风力驱动的电源分离油包水乳液的照片（图中比例尺长度：2厘米）。
- 综上所述，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。
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