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大連理工大學(xué)化工學(xué)院陶勝洋教授團(tuán)隊(duì)在光熱蒸發(fā)海水淡化方向的最新研究成果發(fā)表于環(huán)境領(lǐng)域權(quán)威期刊Environmental Science&Technology，題為“Rational 3D Coiled Morphology for Efficient Solar-Driven Desalination”(DOI:10.1021/acs.est.0c05449)。文章第一作者為學(xué)院新引進(jìn)教師王玉超副教授。

該工作針對(duì)目前三維光熱蒸發(fā)器傳質(zhì)受限造成的界面熱利用較低，且長(zhǎng)期海水淡化過(guò)程中的鹽析出污染問題，發(fā)展一種卷狀蒸發(fā)器，利用其層間微米級(jí)狹縫孔強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程，保證高效穩(wěn)定的水蒸發(fā)及長(zhǎng)效的拒鹽效果。

針對(duì)淡水資源緊張問題，人類歷史上很早就開始以太陽(yáng)能蒸發(fā)/蒸餾的方式從水體中分離獲得可飲用水，但受限于極低的效率，很難得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，利用光熱轉(zhuǎn)化材料將太陽(yáng)光高效轉(zhuǎn)化為熱能，并對(duì)海水蒸發(fā)界面限域加熱，可以極大的提高蒸發(fā)效率，在海水淡化領(lǐng)域展現(xiàn)出理想的應(yīng)用前景。

三維光熱蒸發(fā)器由于在太陽(yáng)光捕獲、熱損失控制、環(huán)境熱利用等方面的特殊優(yōu)勢(shì)，逐漸成為研究的焦點(diǎn)。除了界面熱利用效率，水在蒸發(fā)器內(nèi)的傳輸同樣是影響三維光熱蒸發(fā)器性能的重要因素。而由于在重力方向較大的尺寸，三維光熱蒸發(fā)器內(nèi)的水傳輸擴(kuò)散問題是目前研究的重要內(nèi)容之一。

圖1.卷狀光熱蒸發(fā)器海水淡化應(yīng)用及其導(dǎo)水作用示意圖。

圖2.a卷狀光熱蒸發(fā)器制備示意圖；b蒸發(fā)裝置示意圖；c卷狀光熱蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率對(duì)比；d拒鹽性能測(cè)試；e海水淡化測(cè)試中蒸發(fā)-冷凝裝置照片；f海水及冷凝水樣中常見陽(yáng)離子濃度。

基于前期對(duì)毛細(xì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)水作用的研究，本工作提出通過(guò)將二維平面膜卷曲纏繞的方式制備具有豎直層狀孔隙的三維卷狀光熱蒸發(fā)器，利用可控的毛細(xì)作用及良好的浸潤(rùn)性實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)蒸發(fā)器的高效水傳輸和擴(kuò)散，確保高的蒸發(fā)效率及長(zhǎng)效拒鹽能力，一個(gè)太陽(yáng)光輻照強(qiáng)度下蒸發(fā)效率可達(dá)1.93±0.05 kg m-2 h-1，相比于同材質(zhì)的平面材料提高44%以上。

在長(zhǎng)時(shí)間海水蒸發(fā)過(guò)程，蒸發(fā)器表面無(wú)明顯鹽析出，保證蒸發(fā)器的光熱性能穩(wěn)定。即使蒸發(fā)器表面有鹽沉積，借助其高的水傳輸擴(kuò)散能力，鹽會(huì)在數(shù)小時(shí)內(nèi)溶回海水中。通過(guò)冷凝裝置收集到的海水淡化冷凝水中，常見金屬離子的濃度均下降2-4個(gè)數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)低于飲用水的標(biāo)準(zhǔn)限值。大尺寸卷狀光熱蒸發(fā)器可以借助現(xiàn)有的成熟卷膜工藝實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

該工作的開展，為解決三維形貌下水的傳輸擴(kuò)散提出新的設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期穩(wěn)定的光熱蒸發(fā)和拒鹽性能，推動(dòng)高性能光熱蒸發(fā)器的開發(fā)，有助于在海水淡化領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的發(fā)展。

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、引進(jìn)人才科研啟動(dòng)項(xiàng)目的資助。