耶鲁大学最新技术让废热利用经济、高效

耶鲁大学研究者们发现了一种全新利用废热的办法：在温差不大的情况下，通过使用一种叫「纳米泡沫薄膜」的材料，阻挡装置两边的热水和冷水，水蒸气穿过薄膜，引起冷水体积增大，从而形成压力。压力带动发电装置发电。

众所周知，无论是家电、汽车、发电站等，它们在工作的时候无时不刻不在向环境释放废热。以美国为例，如果对可回收的废热加以利用，可为几百万户家庭提供日常用电。假如你家里那台发热的冰箱，发出的热能也能转化为电能的话，家里的电费是不是又可以节省一些？假如你开车时，发动机发出的热量能转化为电能，油费是不是可以省下一笔？甚至是你手机的发热，都可以用来加以利用。

事实上，目前已有大量的科学家在研究如何利用废热了。只是现在看来，已有的方法既不高效，也不省钱，花的比赚的还多。近期，耶鲁大学的研究者们发现了一种全新利用废热的办法：在温差不大的情况下，他们通过使用一种叫「纳米泡沫薄膜」的材料，阻挡装置两边的热水和冷水，水蒸气穿过薄膜，引起冷水体积增大，从而形成压力。压力带动发电装置产生电能。尽管目前只是初步测试，但热能利用效率达到了惊人的58%！

研究背景

实际上，我们已经能从热量差里获取电能。但这种热量差必须很大，往往需要达到几百度，大到产生的压力差足以推动涡轮机。比较典型的例子是聚光太阳能发电系统，通过镜组加热发电塔，温度能达到600摄氏度。

于是我们发现，废热之所以最后变成了废物，主要是因为温度差太小，这个数字往往只有几度或者几十度。而传统的废热回收系统都是针对高温差而设计的，当面对温差小的情况时，系统会变得极为低效。

但是，如果一定要将这种小的温度差转化为有效电能，往往需要依靠热电材料，这些材料不仅贵，而且很难弄到，甚至有些材料是有毒的。当然，依靠这些热电材料可以达到我们的目的，只是代价太过高昂。

纳米泡沫薄膜工作原理

这个研究团队的成员主要来自耶鲁大学，他们采用了一种完全不同的方式，基本原理是这样的：两种相同的液体，存在温度差异，水分子将从热的液体蒸发，并压缩进冷的液体中。随着时间推移，冷的液体的体积会不断增加。

研究者们制作了一个容器，通过特殊的纳米泡沫薄膜，将热水与冷水隔开。这种纳米泡沫薄膜由聚四氟乙烯（PTFE）组成，研究人员对这种薄膜进行处理，使它的孔隙保持在20纳米以内。我们都知道，聚四氟乙烯具有抗酸抗碱、摩擦系数极低的特点，所以这种薄膜并不吸水。微小的孔隙和不吸水的特性，意味着水的表面张力能阻止水自身穿过孔隙。然而，水蒸气却没有表面张力，所以它能穿过薄膜，到达另一边。

在这个容器里，水蒸气从热水这边穿过薄膜，压缩进冷水那边。随后，冷水开始膨胀，产生压力。「这个薄膜至关重要，它能促进压力的生成，」该论文的通讯作者Menachem Elimelech向第四能源记者表示，他是耶鲁大学化学与环境工程学系的教授。「如果没有这个薄膜，整个过程就无法顺利进行。」

实验效果

实验显示，5摄氏度的温差就能产生400巴的压强。在实际测试中，设定为 40 摄氏度温差的情况下，每平米薄膜能产生 3.5 瓦特的功率。并且，更为重要的是，该技术的能效利用率超过了 50%。

该论文第一作者Anthony Straub告诉笔者，「与现有技术相比，我们的这种技术无疑更为高效。并且，整个过程仅用水就能完成，不仅成本低廉，还环保无污染。」Anthony Straub是耶鲁大学化学与环境工程学系博士生。

截止目前，该研究仍处于实验室阶段。是否能通过此种技术来经济、高效地利用废热，还需拭目以待。

试想一下，如果该项技术最终得以推广利用，说不定你的那台暖手宝手机也可以用来发电了。

该研究成果已发表在 2016 年 6 月 27 日的《自然》杂志能源版块。