太陽能蒸發的創新突破

 

界面太陽能水蒸發 (Solar steam generation) 被認為是一種最可持續的海水淡化技術之一。然而，鹽污染問題嚴重限制了太陽能水蒸發的實際應用，影響了蒸發器的蒸發性能和使用壽命。為了克服這一挑戰，香港城市大學（城大）的研究團隊開發了一種突破性的解決方案，多級鹽管理策略（HSR）。這種創新方法不僅是推進了可持續海水淡化技術的發展，更為資源回收和海上農業等各種應用的未來發展鋪平了道路。

HSR策略利用3D打印技術和表面修飾，製備了分子-微米-毫米的多級結構，在高達20wt%的濃鹽水中實現了長期穩定的高效水蒸發（高達2.84 kg m-2 h-1），淡水生產率比對照組提高54%。這種創新研究可以為缺水和基礎設施薄弱的地區提供廉價的飲用水，並在海水淡化、污水處理、資源回收和海水灌溉等領域展示出巨大的應用潛力。

Outstanding durability of HSR evaporator in high-salinity brine.
HSR蒸發器表現出有優異抗鹽穩定性。（資料來源: 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。（資料來源: Zhengyi M. et al, https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2023.08.003)

聯同其研究團隊一同領導這項工作的城大工學院院長呂堅教授表示：「我們的研究團隊的策略提供了一個通用的解決方案，實現長期、穩定且高效的太陽能驅動海水淡化。這種方法僅依賴太陽能，無需額外設備，有潛力為離網地區提供低成本的清潔水源，實踐農業應用，並有望幫助緩解貧困地區的淡水及糧食危機。」

這項工作提出了一個簡單而有效的策略，解決了太陽能驅動淡化領域長期存在的挑戰，在高鹽濃度水中實現長期抗鹽，同時保持快速蒸發率。這一突破是通過創建一種新型的抗鹽太陽能蒸發器（即HSR蒸發器）而實現的。HSR策略將鹽擴散過程分解為三個方面：分子絕緣、微米分支擴散和宏觀動脈輸送，提高了鹽排斥效率，而不犧牲水蒸發率。

The three processes of the HSR strategy.
多級鹽管理策略示意圖。（資料來源: Zhengyi M. et al, https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2023.08.003)

呂教授補充說：「在這項研究中，最具挑戰性的部分是在蒸發器中製備分層結構。」然而，通過利用3D打印的能力，研究團隊成功製造了一個分子絕緣層、微孔骨架和互連通道的分層結構。

這項發明展現了廣泛的應用場景，包括淡化、廢水處理、資源回收和農業灌溉等。展望未來，研究團隊計劃實現大樣本的製備，並開拓在高濃度苦鹵水處理、海鹽收集和海上農業等場景的應用。

Research team with portable water treatment device.
研究團隊和設計的便攜水處理裝置。
（圖片來源：香港城市大學）

相關研究成果已於科學期刊《Nano Materials Science》上發表，題為 “A hierarchical salt-rejection strategy for sustainable and high-efficiency solar-driven desalination”.

如有查詢，歡迎聯絡城大機械工程學系毛正義博士(電郵: zymao3@cityu.edu.hk )。

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