中科院化学所宋延林研究员团队：3D打印实现高效海水淡化

来源：高分子科技

利用太阳能进行海水淡化具有重大的应用前景。然而，利用太阳能实现海水淡化的效率、长期工作的耐久性等均有待提高，尤其是高盐度的盐水淡化仍然是一个巨大挑战。

近日，中国科学院化学研究所的宋延林研究院团队和美国麻省理工学院方绚莱教授等合作，利用3D打印技术构造了三维锥形不对称结构蒸发体系，在高盐度下实现了高效太阳能利用和高速水蒸发。研究表明：所设计的3D锥形结构表面可以束缚梯度厚度的水膜，同时，由于3D结构的不同高度存在蒸发梯度，主要蒸发位点在3D结构的顶部，因此水膜沿3D结构的侧壁呈现温度梯度，并由于马兰戈尼效应使水流向顶部，从而显著提高水蒸发速率和能量利用效率。高盐度水蒸发时，水膜厚度梯度和蒸发场梯度导致盐在3D结构顶部结晶，因而很容易去除。该系统的海水淡化速率达1.72 kg m-2 h-1，有很强的应用前景。

图1 3D结构蒸发器的制备及其增强水蒸发速率的应用。a, 连续DLP 3D打印系统制备3D结构的示意图。b, 3D蒸发器的Micro-CT和SEM表征。c–f, 3D蒸发器表面超快水铺展过程。g-j, 3D蒸发器的表面束缚的水膜结构。k, 一个模拟太阳光照射下3D蒸发器表面水的挥发速率，同时以纯水和2D平面作为对照。l, 3D蒸发器表面暗场下水的挥发速率，同时以纯水和2D平面作为对照。

要点：3D结构的制备是通过课题组搭建的DLP连续3D打印系统（Research, 2018, 2018, 4795604），基于连续3D打印过程中对切片厚度和光固化复合材料的调节，制备了表面粗糙度可控的阵列微坑结构，可以实现液体的超快速铺展，在200 ms内即可在3D结构表面形成完整的液膜，且液膜的厚度随着3D结构的表面粗糙度梯度呈现厚度梯度，顶部最薄为~ 15 μm，底部最厚~ 1500 μm。

图2 3D结构的作用机理。a, 暗场下3D蒸发器表面的红外图像。b-c, 水向上扩散过程中的红外图像。d, 水在3D结构表面蒸发达到动态平衡的红外图像。e, 在一个模拟太阳光照射下，3D锥形蒸发器（红线）、3D柱状结构（橙色线）、2D平面（蓝线）和纯水（黑线）表面的温度曲线。f, 一个模拟太阳光照射下，水/蒸汽界面处的蒸汽扩散通量的数值模拟。g, 在暗场下，3D锥形蒸发器（红线）、3D柱状结构（橙色线）、2D平面（蓝线）和纯水（黑线）表面的温度曲线。h, 暗场下水/蒸汽界面处的蒸汽扩散通量的数值模拟结果。i, 3D结构的高径比对水的蒸发速率和太阳能利用效率的影响。j, 3D结构的高径比对热毛细流的影响。

要点：通过红外图像发现，没有水膜存在时，3D结构的顶部温度高于底部的温度。同时，水在3D结构表面的蒸发达到平衡后，水膜沿着3D结构的侧壁呈现温度梯度。水膜表面的温度主要由两个因素决定：一是3D结构通过热传导使液膜的温度升高，二是水的挥发使液膜的温度降低，两者竞争的结果即是水膜表面的实际温度，因此3D结构的顶部蒸发占主导，而底部使热传导占主导。由于温度梯度的存在，水膜存在方向沿着3D结构的底部流向顶部的热毛细流（马兰戈尼效应），使水源源不断地补充至3D结构顶部，实现高速率的水蒸发和高效的太阳能利用效率。实验结果还表明，3D结构的高径比也会影响水的蒸发速率和太阳能的利用效率，开放体系可实现2.63kgm-2 h-1的水蒸发速率和>96%的太阳能利用效率。

图3 3D结构表面盐的顶部定位结晶特性。a–d, 3D结构表面的定位结晶过程。e, 定位结晶的盐可通过倾斜蒸发器去除。f, 去除的NaCl晶体的Micro-CT底部图像。g, 去除的NaCl晶体的侧面横截面Micro-CT图像。h, 3D蒸发器顶部位置的Micro-CT图像。i, 沿3D结构侧壁的连续水膜与NaCl晶体内部连通的示意图。j, 顶部发生盐定位结晶后3D结构侧壁的温度曲线，插图是相应的红外图像。k, 不同初始浓度的盐水在使用3D结构淡化后的Na+浓度。橙色和绿色列分别代表纯化之前和之后的 Na+浓度。虚线是WHO对饮用水中Na+的浓度标准。l–n, 3D结构净化不同盐溶液前后的光学照片。o, 纯化前后的相应金属离子浓度，对应l-n中的样品。

图4 3D结构淡化海水的耐用性。a, 阵列化3D结构批量净化海水的装置示意图，该方案模拟了实际的太阳能淡化水设备，盐水样品引入容器，水在光照下在3D蒸发器表面上蒸发，然后在冷凝器表面和侧壁上冷凝，最后被收集。b, 阵列化3D结构组成的大面积蒸发器照片。c-d, 阵列化3D结构净化海水的过程。f, 淡化前后海水样品中的四种离子的浓度。g, 3D结构淡化海水的耐用性测试。h-i, 阵列化3D结构顶部结晶的盐颗粒（h）和去除盐后（i）的光学图像。j, 从阵列化3D结构表面去除并收集盐的照片。

要点：使用高浓度盐溶液作为水源时，盐会在界面随着水的蒸发析出，由于3D结构表面水膜的蒸发场是梯度的，导致盐的浓度沿着3D结构的侧壁从上至下存在浓度梯度，即3D结构顶部的盐浓度高，底部的盐浓度低，因此盐会在3D结构的顶部定位析出。由于所设计的3D结构的超快铺展水膜的特性，液体在3D结构表面是连续的，使得盐与3D结构中间有液体薄层，结晶的盐易于从3D结构上去除。阵列化3D结构可实现批量海水淡化，且具有长时间工作的稳定性，其海水淡化收集速率可达1.72kgm-2 h-1，具有实际应用前景。

该工作以 “Highly efficient three-dimensional solar evaporator for high salinity desalination by localized crystallization ” 为题发表在《自然通讯》上。该项工作得到了科技部、国家自然科学基金委、北京分子科学国家研究中心的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-14366-1