CPN型循環(huán)母液泵設(shè)計(jì)特點(diǎn)

人工光合作用（循環(huán)母液泵）商業(yè)化的道路一直非常坎坷。像“人造葉片”這樣的故事早在2001年就被媒體大肆炒作，但是該技術(shù)的初始研發(fā)公司——Sun Catalytix——在2012年明確知道不可能在這個(gè)方向獲得更多經(jīng)濟(jì)利益后，很快就放棄了他們的商業(yè)企劃。

CPN型循環(huán)母液泵產(chǎn)品概述

   CPN型循環(huán)母液泵是臥式、單級(jí)、單吸離心泵，其尺寸和機(jī)能符合DIN24256/ISO2858標(biāo)準(zhǔn)，CPN型循環(huán)母液泵的性能范圍包括了IH系列標(biāo)準(zhǔn)化工泵的所有性能，其效率、汽蝕性能等指標(biāo)均超過(guò)IH型泵，是化學(xué)和石油化學(xué)產(chǎn)業(yè)、煉油廠、造紙廠和紙漿業(yè)、制糧業(yè)等領(lǐng)域的理想泵型。

   CPN型循環(huán)母液泵適用于化學(xué)和石油化學(xué)產(chǎn)業(yè)、煉油廠、造紙廠和紙漿業(yè)、制糧業(yè)等行業(yè)，可輸送低溫或高溫液體；中性或有腐蝕性液體；清潔或含有固體顆粒的液體，還可以用于輸送各種溫度和濃度的無(wú)機(jī)酸和有機(jī)酸，各種溫度和濃度下的碳酸鈉等堿性溶液或各種液態(tài)石油化工產(chǎn)品、有機(jī)化合物，以及其它有腐蝕性的原料和產(chǎn)品。

CPN型循環(huán)母液泵設(shè)計(jì)特點(diǎn)

   作用于軸封處的壓力由付葉片或葉輪上的平衡孔平衡。軸封既可采用軟填密封（可冷卻，也可不冷卻），也可采用各種結(jié)構(gòu)的單、雙端面非平衡型機(jī)械密封。滾珠軸承經(jīng)久耐用，軸徑尺寸充裕，以保證運(yùn)行平穩(wěn)。部分規(guī)格的泵體設(shè)計(jì)成雙流道殼體，以平衡徑向力。軸承架，包括軸、葉輪、填料函等形成一個(gè)組合部件，使泵體在維修時(shí)不須從管道上拆下。

CPN型循環(huán)母液泵性能范圍   

   流量（Q）3.2～2000m3/h

   揚(yáng)程（H）7～160m

   工作溫度（t）-80～300℃

   工作壓力（P）2.5MPa

而在此期間也有其他公司興起，比如Hypersolar，繼續(xù)嘗試著使他們的技術(shù)商業(yè)化。這個(gè)科研團(tuán)體的運(yùn)氣似乎很不錯(cuò)，極大地推進(jìn)了光電化學(xué)還原方面的基礎(chǔ)科學(xué)研究。

 光電化學(xué)還原的科學(xué)研究大部分是由美國(guó)能源部人工光合作用（循環(huán)母液泵）聯(lián)合中心(JCAP)主持開(kāi)展的。IEEE Spectrum近期采訪了JCAP在伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室北方分部的科研人員。（南方分部在帕薩迪納的加尼福尼亞理工學(xué)院）我們探討了目前科技發(fā)展的現(xiàn)狀、未來(lái)的發(fā)展方向以及納米技術(shù)在光電化學(xué)還原發(fā)展中所起到的作用。

 JCAP成立于2010年。最初這是美國(guó)能源部一個(gè)五年合約下的項(xiàng)目，旨在實(shí)現(xiàn)僅用陽(yáng)光、水和二氧化碳生成氫氣和碳基燃料的宏偉藍(lán)圖。2015年雙方續(xù)簽了五年。

 “在第一個(gè)五年里，我們的目標(biāo)非常明確，那就是哪種類(lèi)型的人工光合作用（循環(huán)母液泵）是我們可以真正實(shí)現(xiàn)的�！盝CAP北方分部科研副主任Frances A. Houle解釋道，“最開(kāi)始我們主要研究水分解成功地實(shí)現(xiàn)了我們的目標(biāo)�！�

 Houle說(shuō)JCAP研究的工藝達(dá)到了至少10%的氫效率。氫效率是指從化學(xué)能源與太陽(yáng)能的產(chǎn)能功率比例。這些設(shè)備不僅表現(xiàn)出了高水平的穩(wěn)定性和持久性，并且它們也有望建成大規(guī)模集成設(shè)備。Houle指出一些實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到18%的氫效率，不過(guò)這些設(shè)備和JCAP的現(xiàn)有設(shè)備截然不同。

  “我們的系統(tǒng)不僅能夠分解水，還能完全分離產(chǎn)物”，Houle解釋道，“一般水分解的過(guò)程中會(huì)同時(shí)生成氫氣和氧氣，也就是一種爆炸性混合物。所以，我們?cè)O(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)在系統(tǒng)內(nèi)嵌入了膜。這樣就可以在高效分解水的同時(shí)還能夠得到完全分離的產(chǎn)物。”

 在第一個(gè)五年后，JCAP開(kāi)始采用技術(shù)成熟度(TRL)評(píng)估技術(shù)進(jìn)展。TRL有十個(gè)等級(jí)，從1到10。其中1級(jí)代表基礎(chǔ)研究階段，10級(jí)代表技術(shù)已經(jīng)成熟，可以進(jìn)行生產(chǎn)部署了。

 JCAP的水分解研究被評(píng)估為T(mén)RL 3級(jí)，即實(shí)驗(yàn)設(shè)備已經(jīng)證明實(shí)際可用，不再是基礎(chǔ)科學(xué)研究。Houle說(shuō)，TRL 3級(jí)階段表明設(shè)備即將轉(zhuǎn)入發(fā)展階段，由能效和可再生能源(EERE)辦公室資助開(kāi)發(fā)。

 自2015年開(kāi)始，JCAP的職責(zé)就變成了研究通過(guò)如何光電化學(xué)法而非電解法還原二氧化碳�！斑@是一個(gè)極為有挑戰(zhàn)性的長(zhǎng)期研究，和此前的研究完全不同，”Houle說(shuō)。

 還原二氧化碳的任務(wù)要遠(yuǎn)比分解水復(fù)雜，發(fā)展之路也更困難。二氧化碳還原的主要難題是：當(dāng)你希望該過(guò)程只產(chǎn)生某一種特定燃料，比如乙醇時(shí)，反應(yīng)過(guò)程常常會(huì)產(chǎn)生一系列產(chǎn)物。JCAP開(kāi)展該項(xiàng)目時(shí)間還不久，目前還沒(méi)有發(fā)表相關(guān)文章。

 同時(shí)，水分解方面的最新研究已經(jīng)在《自然 材料》上發(fā)表：研究人員在用于人工光合作用（循環(huán)母液泵）的半導(dǎo)體上設(shè)計(jì)添加了水分解催化劑。

 關(guān)于該研究領(lǐng)域的一點(diǎn)小背景：半導(dǎo)體材料擁有特殊的帶隙。當(dāng)被高于帶隙能量的光子撞擊時(shí)，半導(dǎo)體帶隙可以產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。這就是在光伏器件中半導(dǎo)體材料將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的原因，也是光電化學(xué)還原的基本原理。

 那篇文章和其他相關(guān)工作中的半導(dǎo)體制備和表征由Francesca Maria Toma(JCAP主要研究員)和她的同事Jason Cooper(JCAP科研員)完成。準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，他們一直在研究硅、III-V族半導(dǎo)體和金屬氧化物半導(dǎo)體在人工光合作用（循環(huán)母液泵）方面的作用。

 “其實(shí)我們正在努力通過(guò)使用金屬氧化物半導(dǎo)體來(lái)降低封裝成本，并不斷改良它們的性能，同時(shí)弄清楚這種新型材料可能存在的缺陷。目前我們還沒(méi)有完全弄清楚這種材料的性質(zhì)。相比于像硅這樣理論清晰的傳統(tǒng)體系，新型材料器件更容易出現(xiàn)毛病，”Cooper說(shuō)道。

 Toma解釋說(shuō)，他們正在使用電子來(lái)分解水或還原CO2，但是目標(biāo)是在電池內(nèi)部實(shí)現(xiàn)該反應(yīng)，也就是空穴可以被用在氧化反應(yīng)極上�！八麄兺ㄟ^(guò)觀察納米材料在受限環(huán)境中的表現(xiàn)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)。具體來(lái)講，我們目前正在攻克的方向是利用氧化銅等光吸收劑，同時(shí)使其納米結(jié)構(gòu)化，從而獲得更高的光電流，”Toma說(shuō)，“在這種方式下反應(yīng)幾率會(huì)更高，因?yàn)楣怆娏鞲�多。我們還研究了制備受限環(huán)境。在受限環(huán)境里可以植入納米顆�；蛘呓缑鎻亩�便于我們觀察反應(yīng)進(jìn)行的過(guò)程。”

 Toma、Cooper及其在JCAP的同事已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種在建的設(shè)備架構(gòu)。他們搭建了一個(gè)裝備齊全、可以自動(dòng)移動(dòng)到太陽(yáng)下生成氫氣和氧氣的設(shè)備。該設(shè)備使用可商業(yè)化的、高效的半導(dǎo)體材料。這些半導(dǎo)體材料組裝穩(wěn)定，可以保護(hù)材料免受水化學(xué)氧化或還原過(guò)程中出現(xiàn)的苛性溶液腐蝕。

 回顧先前Houle解釋的內(nèi)容，Cooper承認(rèn)在生產(chǎn)像這樣的設(shè)備時(shí)他們主要的工作是將半導(dǎo)體從苛性溶液中分離出來(lái)�！澳且彩琼�(xiàng)目的一個(gè)攻克目標(biāo)：如何搭載并封裝這些高效設(shè)備，使其能夠穩(wěn)定產(chǎn)生數(shù)小時(shí)的大量氣泡”，Cooper說(shuō)。

 在這種配置下，研究人員使用了搭載催化劑網(wǎng)格的環(huán)氧樹(shù)脂分離裝置。因此半導(dǎo)體上產(chǎn)生的電子能夠被牽引到催化劑層上，再轉(zhuǎn)入溶液里。

 使用環(huán)氧樹(shù)脂實(shí)質(zhì)上犧牲了空間效率。所以為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員又采用了原子層沉積法（ALD），將環(huán)氧樹(shù)脂層的厚度削減到了4納米。這些極薄層和硅結(jié)合在一起，使得催化劑本身充當(dāng)保護(hù)層成為可能。

 目前全部這些成果和不少正待發(fā)表的工作，都是分解水這一課題下的產(chǎn)物。現(xiàn)在研究正在轉(zhuǎn)向還原二氧化碳，所以，研究方向也在轉(zhuǎn)變。不過(guò)迄今為止積累的研究經(jīng)驗(yàn)仍然可以用于二氧化碳還原的研究，雖然前路可能困難重重。

 Toma補(bǔ)充道：“這并不意味著我們需要去了解一個(gè)我們專業(yè)之外的全新領(lǐng)域，因?yàn)槲覀兊目蒲斜尘皩?duì)于理解二氧化碳還原仍然有很大幫助。它們的反應(yīng)過(guò)程到底是相似的�！�