Nature 子刊：3D打印自浮式蒸發(fā)器創(chuàng)下太陽能海水淡化效率新紀(jì)錄

2025年4月29日，南極熊獲悉，來自香港城市大學(xué)、香港理工大學(xué)和紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的一支研究團(tuán)隊開發(fā)了一種大型3D打印自浮式蒸發(fā)器，顯著推進(jìn)了太陽能驅(qū)動的界面海水淡化技術(shù)。

研究成果以題為“Large-scale 3D printedfouling-resistant self-floating evaporator”的論文發(fā)表在《自然通訊》期刊上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58952-7

蒸發(fā)器系統(tǒng)采用凹形AlSi10Mg合金增材制造而成，光熱蒸發(fā)效率接近100%，在一個陽光照射下蒸發(fā)率可達(dá)2.23 kg/m²/h，淡水收集率可達(dá)1.23 kg/m²/h。浮動模塊化設(shè)計提供了持久耐用、可擴(kuò)展的性能，同時解決了結(jié)垢、鹽分積累和能量輸入方面的主要限制。

核心蒸發(fā)器采用3D金屬打印機(jī)制造，功率為370 W，打印速度為1300 mm/s。特點(diǎn)是聚吡咯修飾的光熱頂層、氧化鋁合金(AO)過渡層以及具有超疏水特性的PTFE密封底面。采用化學(xué)氧化、電沉積和部分表面密封等工藝組裝該層狀結(jié)構(gòu)。其他組件包括可更換的二維進(jìn)水層、低導(dǎo)熱率的晶格狀樹脂支架以及嵌入銅翅片的浮動淡水收集器。這些元件構(gòu)成一個模塊化、易于維護(hù)的系統(tǒng)，適用于便攜式和遠(yuǎn)程操作。

△用于光熱界面蒸發(fā)的3D分層浮動裝置。圖片來自《自然通訊》

使用掃描電子顯微鏡（Sigma 500）、能量色散X射線光譜法（Shimadzu EDX-720）和X射線衍射法（D2 PHASER XE-T）分析材料和結(jié)構(gòu)特性。使用日立UH4150紫外-可見-近紅外光譜儀和VERTEX 70 v FTIR光譜儀測量太陽吸收率。使用Hot Disk TPS2500S系統(tǒng)進(jìn)行熱導(dǎo)率測試。使用CEL-PE300L-3 PerkinElmer 300W光源進(jìn)行實(shí)驗室太陽模擬。使用FLIR E8xt熱成像和KEYSIGHT DAQ970A系統(tǒng)繪制溫度曲線，并使用DataPhysics測試儀測量接觸角。使用pc0.dimax HS4高速攝像機(jī)捕捉液滴行為。使用YGY-CJY4數(shù)據(jù)采集單元記錄現(xiàn)場測試期間的室外條件。在 COMSOLMultiphysics 5.6 版本中執(zhí)行熱和蒸汽傳輸模擬。

凹面蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出增強(qiáng)的光捕獲和表面吸收性能。當(dāng)表面裝飾有聚吡咯納米顆粒時，平均太陽吸收率可達(dá)98.1%。通過FLIR熱成像和有限元仿真驗證了傳熱效率，結(jié)果顯示在所有測試條件下，底部表面蒸發(fā)均保持一致。為期17天的穩(wěn)定性測試表明，蒸發(fā)速率持續(xù)保持在2.23 kg/m²/h，只需更換吸水層即可保持穩(wěn)定。接觸角測量值超過135°，證實(shí)了超疏水性。在3.5 wt% NaCl溶液中進(jìn)行的電化學(xué)腐蝕測試表明，密封氧化層的腐蝕電位為-0.59V，與未經(jīng)處理的鋁相比有顯著改善。

△三維分級解耦蒸發(fā)器的蒸發(fā)和向下淡水冷凝。圖片來自《自然通訊》。

在香港烏溪沙鵝卵石灘進(jìn)行的現(xiàn)場試驗評估了一套集成固定蓋板和淡水收集器的全尺寸裝置。嵌入式銅翅片改善了熱對流并增強(qiáng)了冷凝效果，使淡水收集率達(dá)到1.23千克/平方米/小時。無需外部電源。冷卻是通過與周圍海水進(jìn)行熱交換實(shí)現(xiàn)的。

蒸發(fā)器的解耦架構(gòu)確保水僅從底部吸收，保持頂部吸收層干燥，防止鹽結(jié)晶。PTFE 納米顆粒密封進(jìn)一步阻止離子滲透，而化學(xué)氧化則穩(wěn)定了外層鋁表面。在鹽水（25 wt% NaCl）中，性能在 13 天內(nèi)保持穩(wěn)定。ICP-OES 測試證實(shí)，脫鹽后 Na⁺、Ca²⁺ 的濃度均符合世界衛(wèi)生組織的飲用水標(biāo)準(zhǔn)，鈉含量從 10,800 毫克/升降至 5.0 毫克/升。

△擴(kuò)大規(guī)模浮動海水淡化裝置的現(xiàn)場試驗。圖片來自《自然通訊》。