中科院化學(xué)所宋延林研究員團隊：3D打印實現(xiàn)高效海水淡化

來源：高分子科技

利用太陽能進行海水淡化具有重大的應(yīng)用前景。然而，利用太陽能實現(xiàn)海水淡化的效率、長期工作的耐久性等均有待提高，尤其是高鹽度的鹽水淡化仍然是一個巨大挑戰(zhàn)。

近日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所的宋延林研究院團隊和美國麻省理工學(xué)院方絢萊教授等合作，利用3D打印技術(shù)構(gòu)造了三維錐形不對稱結(jié)構(gòu)蒸發(fā)體系，在高鹽度下實現(xiàn)了高效太陽能利用和高速水蒸發(fā)。研究表明：所設(shè)計的3D錐形結(jié)構(gòu)表面可以束縛梯度厚度的水膜，同時，由于3D結(jié)構(gòu)的不同高度存在蒸發(fā)梯度，主要蒸發(fā)位點在3D結(jié)構(gòu)的頂部，因此水膜沿3D結(jié)構(gòu)的側(cè)壁呈現(xiàn)溫度梯度，并由于馬蘭戈尼效應(yīng)使水流向頂部，從而顯著提高水蒸發(fā)速率和能量利用效率。高鹽度水蒸發(fā)時，水膜厚度梯度和蒸發(fā)場梯度導(dǎo)致鹽在3D結(jié)構(gòu)頂部結(jié)晶，因而很容易去除。該系統(tǒng)的海水淡化速率達1.72 kg m-2 h-1，有很強的應(yīng)用前景。

圖1 3D結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器的制備及其增強水蒸發(fā)速率的應(yīng)用。a, 連續(xù)DLP 3D打印系統(tǒng)制備3D結(jié)構(gòu)的示意圖。b, 3D蒸發(fā)器的Micro-CT和SEM表征。c–f, 3D蒸發(fā)器表面超快水鋪展過程。g-j, 3D蒸發(fā)器的表面束縛的水膜結(jié)構(gòu)。k, 一個模擬太陽光照射下3D蒸發(fā)器表面水的揮發(fā)速率，同時以純水和2D平面作為對照。l, 3D蒸發(fā)器表面暗場下水的揮發(fā)速率，同時以純水和2D平面作為對照。

要點：3D結(jié)構(gòu)的制備是通過課題組搭建的DLP連續(xù)3D打印系統(tǒng)（Research, 2018, 2018, 4795604），基于連續(xù)3D打印過程中對切片厚度和光固化復(fù)合材料的調(diào)節(jié)，制備了表面粗糙度可控的陣列微坑結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)液體的超快速鋪展，在200 ms內(nèi)即可在3D結(jié)構(gòu)表面形成完整的液膜，且液膜的厚度隨著3D結(jié)構(gòu)的表面粗糙度梯度呈現(xiàn)厚度梯度，頂部最薄為~ 15 μm，底部最厚~ 1500 μm。

圖2 3D結(jié)構(gòu)的作用機理。a, 暗場下3D蒸發(fā)器表面的紅外圖像。b-c, 水向上擴散過程中的紅外圖像。d, 水在3D結(jié)構(gòu)表面蒸發(fā)達到動態(tài)平衡的紅外圖像。e, 在一個模擬太陽光照射下，3D錐形蒸發(fā)器（紅線）、3D柱狀結(jié)構(gòu)（橙色線）、2D平面（藍線）和純水（黑線）表面的溫度曲線。f, 一個模擬太陽光照射下，水/蒸汽界面處的蒸汽擴散通量的數(shù)值模擬。g, 在暗場下，3D錐形蒸發(fā)器（紅線）、3D柱狀結(jié)構(gòu)（橙色線）、2D平面（藍線）和純水（黑線）表面的溫度曲線。h, 暗場下水/蒸汽界面處的蒸汽擴散通量的數(shù)值模擬結(jié)果。i, 3D結(jié)構(gòu)的高徑比對水的蒸發(fā)速率和太陽能利用效率的影響。j, 3D結(jié)構(gòu)的高徑比對熱毛細流的影響。

要點：通過紅外圖像發(fā)現(xiàn)，沒有水膜存在時，3D結(jié)構(gòu)的頂部溫度高于底部的溫度。同時，水在3D結(jié)構(gòu)表面的蒸發(fā)達到平衡后，水膜沿著3D結(jié)構(gòu)的側(cè)壁呈現(xiàn)溫度梯度。水膜表面的溫度主要由兩個因素決定：一是3D結(jié)構(gòu)通過熱傳導(dǎo)使液膜的溫度升高，二是水的揮發(fā)使液膜的溫度降低，兩者競爭的結(jié)果即是水膜表面的實際溫度，因此3D結(jié)構(gòu)的頂部蒸發(fā)占主導(dǎo)，而底部使熱傳導(dǎo)占主導(dǎo)。由于溫度梯度的存在，水膜存在方向沿著3D結(jié)構(gòu)的底部流向頂部的熱毛細流（馬蘭戈尼效應(yīng)），使水源源不斷地補充至3D結(jié)構(gòu)頂部，實現(xiàn)高速率的水蒸發(fā)和高效的太陽能利用效率。實驗結(jié)果還表明，3D結(jié)構(gòu)的高徑比也會影響水的蒸發(fā)速率和太陽能的利用效率，開放體系可實現(xiàn)2.63kgm-2 h-1的水蒸發(fā)速率和>96%的太陽能利用效率。

圖3 3D結(jié)構(gòu)表面鹽的頂部定位結(jié)晶特性。a–d, 3D結(jié)構(gòu)表面的定位結(jié)晶過程。e, 定位結(jié)晶的鹽可通過傾斜蒸發(fā)器去除。f, 去除的NaCl晶體的Micro-CT底部圖像。g, 去除的NaCl晶體的側(cè)面橫截面Micro-CT圖像。h, 3D蒸發(fā)器頂部位置的Micro-CT圖像。i, 沿3D結(jié)構(gòu)側(cè)壁的連續(xù)水膜與NaCl晶體內(nèi)部連通的示意圖。j, 頂部發(fā)生鹽定位結(jié)晶后3D結(jié)構(gòu)側(cè)壁的溫度曲線，插圖是相應(yīng)的紅外圖像。k, 不同初始濃度的鹽水在使用3D結(jié)構(gòu)淡化后的Na+濃度。橙色和綠色列分別代表純化之前和之后的 Na+濃度。虛線是WHO對飲用水中Na+的濃度標準。l–n, 3D結(jié)構(gòu)凈化不同鹽溶液前后的光學(xué)照片。o, 純化前后的相應(yīng)金屬離子濃度，對應(yīng)l-n中的樣品。

圖4 3D結(jié)構(gòu)淡化海水的耐用性。a, 陣列化3D結(jié)構(gòu)批量凈化海水的裝置示意圖，該方案模擬了實際的太陽能淡化水設(shè)備，鹽水樣品引入容器，水在光照下在3D蒸發(fā)器表面上蒸發(fā)，然后在冷凝器表面和側(cè)壁上冷凝，最后被收集。b, 陣列化3D結(jié)構(gòu)組成的大面積蒸發(fā)器照片。c-d, 陣列化3D結(jié)構(gòu)凈化海水的過程。f, 淡化前后海水樣品中的四種離子的濃度。g, 3D結(jié)構(gòu)淡化海水的耐用性測試。h-i, 陣列化3D結(jié)構(gòu)頂部結(jié)晶的鹽顆粒（h）和去除鹽后（i）的光學(xué)圖像。j, 從陣列化3D結(jié)構(gòu)表面去除并收集鹽的照片。

要點：使用高濃度鹽溶液作為水源時，鹽會在界面隨著水的蒸發(fā)析出，由于3D結(jié)構(gòu)表面水膜的蒸發(fā)場是梯度的，導(dǎo)致鹽的濃度沿著3D結(jié)構(gòu)的側(cè)壁從上至下存在濃度梯度，即3D結(jié)構(gòu)頂部的鹽濃度高，底部的鹽濃度低，因此鹽會在3D結(jié)構(gòu)的頂部定位析出。由于所設(shè)計的3D結(jié)構(gòu)的超快鋪展水膜的特性，液體在3D結(jié)構(gòu)表面是連續(xù)的，使得鹽與3D結(jié)構(gòu)中間有液體薄層，結(jié)晶的鹽易于從3D結(jié)構(gòu)上去除。陣列化3D結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)批量海水淡化，且具有長時間工作的穩(wěn)定性，其海水淡化收集速率可達1.72kgm-2 h-1，具有實際應(yīng)用前景。

該工作以 “Highly efficient three-dimensional solar evaporator for high salinity desalination by localized crystallization ” 為題發(fā)表在《自然通訊》上。該項工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、北京分子科學(xué)國家研究中心的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-14366-1