太阳能蒸发的创新突破

 

界面太阳能水蒸发 (Solar steam generation) 被认为是一种最可持续的海水淡化技术之一。然而，盐污染问题严重限制了太阳能水蒸发的实际应用，影响了蒸发器的蒸发性能和使用寿命。为了克服这一挑战，香港城市大学（城大）的研究团队开发了一种突破性的解决方案，多级盐管理策略（HSR）。这种创新方法不仅是推进了可持续海水淡化技术的发展，更为资源回收和海上农业等各种应用的未来发展铺平了道路。

HSR策略利用3D打印技术和表面修饰，制备了分子-微米-毫米的多级结构，在高达20wt%的浓盐水中实现了长期稳定的高效水蒸发（高达2.84 kg m-2 h-1），淡水生产率比对照组提高54%。这种创新研究可以为缺水和基础设施薄弱的地区提供廉价的饮用水，并在海水淡化、污水处理、资源回收和海水灌溉等领域展示出巨大的应用潜力。

Outstanding durability of HSR evaporator in high-salinity brine.
HSR蒸发器表现出有优异抗盐稳定性。（资料来源: Zhengyi M. et al, https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2023.08.003)
Water purification and production performance of the HSR evaporator.
HSR蒸发器的应用展示。（资料来源: Zhengyi M. et al, https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2023.08.003)

联同其研究团队一同领导这项工作的城大工学院院长吕坚教授表示：「我们的研究团队的策略提供了一个通用的解决方案，实现长期、稳定且高效的太阳能驱动海水淡化。这种方法仅依赖太阳能，无需额外设备，有潜力为离网地区提供低成本的清洁水源，实践农业应用，并有望帮助缓解贫困地区的淡水及粮食危机。」

这项工作提出了一个简单而有效的策略，解决了太阳能驱动淡化领域长期存在的挑战，在高盐浓度水中实现长期抗盐，同时保持快速蒸发率。这一突破是通过创建一种新型的抗盐太阳能蒸发器（即HSR蒸发器）而实现的。HSR策略将盐扩散过程分解为三个方面：分子绝缘、微米分支扩散和宏观动脉输送，提高了盐排斥效率，而不牺牲水蒸发率。

The three processes of the HSR strategy.
多级盐管理策略示意图。（资料来源: Zhengyi M. et al, https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2023.08.003)

吕教授补充说：「在这项研究中，最具挑战性的部分是在蒸发器中制备分层结构。」然而，通过利用3D打印的能力，研究团队成功制造了一个分子绝缘层、微孔骨架和互连通道的分层结构。

这项发明展现了广泛的应用场景，包括淡化、废水处理、资源回收和农业灌溉等。展望未来，研究团队计划实现大样本的制备，并开拓在高浓度苦卤水处理、海盐收集和海上农业等场景的应用。

Research team with portable water treatment device.
研究团队和设计的便携水处理装置。
（图片来源：香港城市大学）

相关研究成果已于科学期刊《Nano Materials Science》上发表，题为 “A hierarchical salt-rejection strategy for sustainable and high-efficiency solar-driven desalination”.

如有查询，欢迎联络城大机械工程学系毛正义博士(电邮: zymao3@cityu.edu.hk )。

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