利用太陽能進行海水淡化具有重大的應用前景。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，中國科學院化學研究所的宋延林研究院團隊和美國麻省理工學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，而底部使熱傳導占主導。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），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照片。o, 純化前后的相應金屬離子濃度，對應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、國家自然科學基金委、北京分子科學國家研究中心的支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-14366-1
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