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大連理工大學化(hua)工學院(yuan)陶勝洋教授團隊在光熱蒸(zheng)發(fa)海水淡化(hua)方向(xiang)的最新研(yan)究(jiu)成果發(fa)表(biao)于環境領域權威期刊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(zhe)為學院(yuan)新引進教師王玉超(chao)副教授。

該工作針對目前三維光熱蒸發器傳質受限造成的界面熱利用較低，且長期海水淡化過程中的鹽析出污染問題，發展一種卷狀蒸發器，利用其層間微米級狹縫孔強化傳質過程，保證高效穩定的水蒸發及長效的拒鹽效果。

針對(dui)(dui)淡水(shui)資源緊張(zhang)問題，人類(lei)歷史上很早就開始(shi)以太陽能(neng)蒸發/蒸餾的方式(shi)從(cong)水(shui)體中(zhong)分離獲得可飲用水(shui)，但受限(xian)(xian)于極低的效(xiao)率，很難得到廣泛應用。近年來，利用光(guang)(guang)熱轉化材料將太陽光(guang)(guang)高(gao)效(xiao)轉化為熱能(neng)，并(bing)對(dui)(dui)海水(shui)蒸發界面限(xian)(xian)域加熱，可以極大的提高(gao)蒸發效(xiao)率，在海水(shui)淡化領域展現出(chu)理想(xiang)的應用前景。

三維光熱(re)蒸發(fa)器由于(yu)在(zai)太陽光捕獲、熱(re)損失控制(zhi)、環(huan)境熱(re)利用(yong)等(deng)方面的特殊優勢，逐漸成為研究的焦點。除(chu)了界面熱(re)利用(yong)效率，水在(zai)蒸發(fa)器內的傳輸同樣是影響三維光熱(re)蒸發(fa)器性能的重要(yao)因(yin)素。而由于(yu)在(zai)重力(li)方向較大(da)的尺寸(cun)，三維光熱(re)蒸發(fa)器內的水傳輸擴散問題是目前研究的重要(yao)內容之一。

圖1.卷狀光熱蒸發器海水淡(dan)化應用(yong)及(ji)其導水作(zuo)用(yong)示意(yi)圖。

圖(tu)2.a卷(juan)狀光(guang)熱蒸發(fa)器(qi)制備示意圖(tu)；b蒸發(fa)裝置示意圖(tu)；c卷(juan)狀光(guang)熱蒸發(fa)器(qi)的(de)蒸發(fa)速率對(dui)比(bi)；d拒鹽(yan)性能(neng)測試；e海(hai)水(shui)淡化測試中(zhong)(zhong)蒸發(fa)-冷凝(ning)裝置照片(pian)；f海(hai)水(shui)及冷凝(ning)水(shui)樣中(zhong)(zhong)常見(jian)陽離子濃度。

基于前期對(dui)毛細結(jie)構導水作用(yong)(yong)的(de)(de)研究，本工作提出通過將二維平(ping)面膜(mo)卷(juan)曲纏繞的(de)(de)方式制備(bei)具有豎直層狀(zhuang)孔(kong)隙的(de)(de)三(san)維卷(juan)狀(zhuang)光熱蒸(zheng)發(fa)器，利用(yong)(yong)可控(kong)的(de)(de)毛細作用(yong)(yong)及良好的(de)(de)浸潤(run)性實現對(dui)整個蒸(zheng)發(fa)器的(de)(de)高效水傳輸和擴散，確保高的(de)(de)蒸(zheng)發(fa)效率(lv)及長效拒鹽(yan)能力，一個太陽(yang)光輻照(zhao)強度下(xia)蒸(zheng)發(fa)效率(lv)可達1.93±0.05 kg m-2 h-1，相比于同(tong)材質的(de)(de)平(ping)面材料提高44%以上(shang)。

在長時間海水(shui)蒸發(fa)過程，蒸發(fa)器(qi)表(biao)面無明顯鹽(yan)析(xi)出，保(bao)證蒸發(fa)器(qi)的(de)光熱(re)性能穩(wen)定。即使蒸發(fa)器(qi)表(biao)面有(you)鹽(yan)沉(chen)積，借(jie)助(zhu)其(qi)高的(de)水(shui)傳(chuan)輸擴散能力，鹽(yan)會在數小時內(nei)溶回海水(shui)中。通過冷凝裝置(zhi)收集到的(de)海水(shui)淡化冷凝水(shui)中，常見(jian)金屬離(li)子(zi)的(de)濃度均下降2-4個數量級，遠(yuan)低于飲用(yong)水(shui)的(de)標準限值。大尺(chi)寸卷(juan)狀光熱(re)蒸發(fa)器(qi)可以借(jie)助(zhu)現有(you)的(de)成熟卷(juan)膜工藝實現規模化生產，展現出良好的(de)應(ying)用(yong)前景。

該工作的(de)開展，為解決(jue)三維形貌下水(shui)(shui)的(de)傳輸擴散提出新的(de)設計思路(lu)，實現了長期穩定的(de)光熱(re)蒸(zheng)發(fa)和拒(ju)鹽性能，推動高(gao)性能光熱(re)蒸(zheng)發(fa)器的(de)開發(fa)，有助于在(zai)海水(shui)(shui)淡(dan)化領域實際應用的(de)發(fa)展。

該研究得到了國家自然(ran)科學基(ji)金、引進(jin)人才科研啟動項目(mu)的資(zi)助。