化學(xué)所利用3D打印制備出仿生高效排鹽太陽能蒸發(fā)器

來源：高分子科技

太陽能海水淡化技術(shù)被認(rèn)為是獲取淡水資源可持續(xù)的方法之一。近年來，科研人員在太陽能蒸發(fā)器材料設(shè)計(jì)、水/蒸氣/鹽通道及光熱調(diào)控方面展開研究，提高了蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率和光熱轉(zhuǎn)換效率。然而，太陽能蒸發(fā)器在面向?qū)嶋H應(yīng)用過程中面臨著蒸發(fā)器制備繁瑣、材料耐候性差以及長期抗鹽耐用性低的問題。

近日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所綠色印刷實(shí)驗(yàn)室研究員宋延林課題組在前期利用3D打印技術(shù)構(gòu)造三維錐形不對(duì)稱結(jié)構(gòu)蒸發(fā)體系、實(shí)現(xiàn)高鹽度下高效太陽能利用和高水蒸發(fā)的基礎(chǔ)上（），進(jìn)一步設(shè)計(jì)出橋拱型太陽能蒸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器的一步制備，其具有優(yōu)良的耐候性以及在高鹽度下的長期抗鹽性。該蒸發(fā)器表面上形成了雙層連續(xù)水膜，下層限域?qū)佑糜诒３炙�膜的連續(xù)性以快速補(bǔ)充液體，上層由于溫度梯度引起的Marangoni對(duì)流，可以抑制鹽在高溫區(qū)域的積聚，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)長時(shí)間穩(wěn)定排鹽。

△3D橋拱形蒸發(fā)器示意圖、雙層液膜排鹽機(jī)理與海水淡化-作物種植連動(dòng)系統(tǒng)

該蒸發(fā)器即使利用10 wt% NaCl高鹽度的鹽水連續(xù)蒸發(fā)200 h，蒸發(fā)器表面也無鹽分析出，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)海水淡化提供了新策略。該蒸發(fā)器獲得的清潔水達(dá)到WHO的飲用標(biāo)準(zhǔn)，可用于農(nóng)作物種植；該海水淡化技術(shù)為海島農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了新思路。

圖1 3D打印仿生橋拱形蒸發(fā)器的制備過程

研究人員搭建了DLP連續(xù)3D打印系統(tǒng)(Research, 2018, 2018, 4795604)，打印出表面具有仿豬籠草微坑結(jié)構(gòu)的3D橋拱蒸發(fā)器，其對(duì)保證連續(xù)蒸發(fā)起到了關(guān)鍵作用。光熱材料在打印過程中嵌入至基底材料內(nèi)部，能夠保證長期的使用。

圖2 不同結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器的蒸發(fā)性能

他們還對(duì)不同結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器進(jìn)行了蒸發(fā)性能測試，參數(shù)優(yōu)良的蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率為1.64 kg m-2 h-1，光熱轉(zhuǎn)換效率為91％。對(duì)蒸發(fā)器表面溫度分布進(jìn)行觀測發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)器表面形成了從橋頂?shù)綐虻椎臏囟忍荻确植肌?br />

圖3 蒸發(fā)器排鹽機(jī)理探究

在仿豬籠草微坑凹槽的作用下，蒸發(fā)器表面上形成的連續(xù)水膜由上下兩層構(gòu)成：下層的限域?qū)优c上層的自由流動(dòng)層。下層的限域?qū)颖３炙�膜的連續(xù)以快速補(bǔ)充液體；上層的自由流動(dòng)層由于溫度梯度引起的Marangoni對(duì)流速度足夠快，可以抑制鹽在高溫區(qū)域的積聚，實(shí)現(xiàn)長時(shí)期穩(wěn)定排鹽。即使在10 wt% NaCl的鹽水中連續(xù)蒸發(fā)200 h，蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)表面也無鹽分析出，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)海水淡化提供了新的策略。

圖4 蒸發(fā)器的水凈化能力與農(nóng)作物種植

該研究還創(chuàng)新發(fā)展了海水淡化太陽能蒸發(fā)器的應(yīng)用，搭建出海水淡化-作物種植連動(dòng)系統(tǒng)，將獲得的清潔水用于作物種植，為可持續(xù)海島農(nóng)業(yè)種植提供了一種有前景的方案。獲得的清潔水達(dá)到WHO的飲用標(biāo)準(zhǔn)，細(xì)胞毒性檢測驗(yàn)證了其生物安全性。

該工作以“3D Printing a Biomimetic Bridge-Arch Solar Evaporator for Eliminating Salt Accumulation with Desalination and Agricultural Applications ”為題發(fā)表在《先進(jìn)材料》上。論文的第一作者為中科院化學(xué)所碩士生鄒苗苗，通訊作者為宋延林研究員與吳磊副研究員。該項(xiàng)工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、北京分子科學(xué)國家研究中心、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的支持。