大連理工大學化工學院陶勝洋教授團隊在光熱蒸發(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)。文章第一作者為學院新引進教師王玉超副教授。

該工作針對目前三維光熱蒸發(fā)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(fā)展一種卷狀蒸發(fā)器，利用其層間微米級狹縫孔強化傳質過程，保證高效穩(wěn)定的水蒸發(fā)及長效的拒鹽效果。

針對淡水資源緊張問題，人類歷史上很早就開始以太陽能蒸發(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，很難得到廣泛應用。近年來，利用光熱轉化材料將太陽光高效轉化為熱能，并對海水蒸發(fā)界面限域加熱，可以極大的提高蒸發(fā)效率，在海水淡化領域展現出理想的應用前景。

三維光熱蒸發(fā)器由于在太陽光捕獲、熱損失控制、環(huán)境熱利用等方面的特殊優(yōu)勢，逐漸成為研究的焦點。除了界面熱利用效率，水在蒸發(fā)器內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)器內的水傳輸擴散問題是目前研究的重要內容之一。

圖1.卷狀光熱蒸發(fā)器海水淡化應用及其導水作用示意圖。

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)速率對比；d拒鹽性能測試；e海水淡化測試中蒸發(fā)-冷凝裝置照片；f海水及冷凝水樣中常見陽離子濃度。

基于前期對毛細結構導水作用的研究，本工作提出通過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，利用可控的毛細作用及良好的浸潤性實現對整個蒸發(fā)器的高效水傳輸和擴散，確保高的蒸發(fā)效率及長效拒鹽能力，一個太陽光輻照強度下蒸發(fā)效率可達1.93±0.05 kg m-2 h-1，相比于同材質的平面材料提高44%以上。

在長時間海水蒸發(fā)過程，蒸發(fā)器表面無明顯鹽析出，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散能力，鹽會在數小時內溶回海水中。通過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個數量級，遠低于飲用水的標準限值。大尺寸卷狀光熱蒸發(fā)器可以借助現有的成熟卷膜工藝實現規(guī)模化生產，展現出良好的應用前景。

該工作的開展，為解決三維形貌下水的傳輸擴散提出新的設計思路，實現了長期穩(wěn)定的光熱蒸發(fā)和拒鹽性能，推動高性能光熱蒸發(fā)器的開發(fā)，有助于在海水淡化領域實際應用的發(fā)展。

該研究得到了國家自然科學基金、引進人才科研啟動項目的資助。