竹筍啟發(fā)的超高效太陽能蒸發(fā)器：突破高鹽度海水淡化瓶頸

更新時間：2025-10-22

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在全球水資源短缺日益嚴(yán)峻的背景下，太陽能海水淡化技術(shù)因其可持續(xù)性和環(huán)保性備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)蒸發(fā)器在高鹽度海水中易出現(xiàn)鹽結(jié)晶堵塞、蒸發(fā)效率低等問題，限制了其長期應(yīng)用。

近期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)帥永教授、王兆龍教授團隊提出了一種受竹筍啟發(fā)的錐形多孔蒸發(fā)器（BSCPE），通過仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了超高蒸發(fā)效率和長期室外抗鹽能力。該蒸發(fā)器采用多壁碳納米管復(fù)合樹脂材料，并結(jié)合摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)制造，在20 wt%高鹽度海水中可持續(xù)運行200小時以上，蒸發(fā)速率高達(dá)2.54 kg·m?2·h?1，太陽能熱效率達(dá)94.1%。該研究以“Bamboo shoot inspired ultra-high conical porous evaporator for desalination of seawater with high salinity"為題，發(fā)表在國際著名期刊在《Chemical Engineering Journal》上。

研究團隊從竹筍的獨特結(jié)構(gòu)中汲取靈感。竹筍內(nèi)部的垂直微通道和表面微孔能夠通過毛細(xì)效應(yīng)高效提升水分，同時其錐形結(jié)構(gòu)有助于分散應(yīng)力。仿照這一特性，BSCPE設(shè)計了內(nèi)部微間隙和表面橫向階梯狀紋理，不僅實現(xiàn)了液體的快速輸送，還通過擴大蒸發(fā)面積提升了效率。蒸發(fā)器的材料以多壁碳納米管為核心光熱成分，均勻分散于紫外光固化丙烯酸酯樹脂中，形成了吸光率超過94%的復(fù)合光熱樹脂。這種材料在太陽能照射下可高效轉(zhuǎn)化為熱能，為蒸發(fā)過程提供持續(xù)動力。

研究人員采用摩方精密nanoArch^® S140（精度：10 μm）打印出蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)。經(jīng)過乙醇清洗和氧等離子體處理，蒸發(fā)器表面親水性顯著增強，為毛細(xì)效應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。這種高精度制造技術(shù)不僅保證了結(jié)構(gòu)的機械耐久性，還實現(xiàn)了仿生設(shè)計的規(guī)模化制備。

圖1. 仿生錐形多孔蒸發(fā)器的特性描述。

BSCPE的核心優(yōu)勢在于其微流體性能與熱管理的協(xié)同作用。毛細(xì)效應(yīng)驅(qū)動液體在微間隙中上升至126.0 mm的高度，為蒸發(fā)過程提供了連續(xù)水源。根據(jù)楊-拉普拉斯方程，微孔中的彎液面產(chǎn)生向上拉力，與液體重力平衡時達(dá)到最大提升高度。較小的孔徑（200–600 μm）可加速液體上升，而表面橫向紋理則通過潤滑理論促進液膜橫向擴散，避免破裂并擴大蒸發(fā)面積。與此同時，蒸發(fā)器的三維錐形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致溫度分布不均：頂部溫度較高，形成溫度梯度誘導(dǎo)的Marangoni對流。這種對流使高鹽度液體從頂部高溫區(qū)流向底部低溫區(qū)，與毛細(xì)補給協(xié)同抑制鹽結(jié)晶。

圖2. 液體提升和液體膜的形成。

蒸發(fā)效率的提升得益于液體表面壓力的降低。根據(jù)開爾文方程，毛細(xì)作用使液體內(nèi)部壓力下降，增加了水分子從液相向氣相傳質(zhì)的驅(qū)動力。實驗表明，BSCPE在單太陽光照下（1000 W m?2），高度為150.0 mm時蒸發(fā)速率達(dá)2.54 kg·m?2·h?1。此外，溫度梯度還使蒸發(fā)器在夜間能從環(huán)境中吸收能量，進一步維持蒸發(fā)過程。

圖3. 溫度場與蒸發(fā)速率。

鹽排斥性能方面，BSCPE在20 wt%高鹽度水和兩倍太陽光照下仍能穩(wěn)定運行，鹽結(jié)晶可在夜間通過液體上升重新溶解，實現(xiàn)了自清潔功能。在應(yīng)用驗證中，研究團隊構(gòu)建了BSCPE陣列戶外淡化裝置。使用浙江海域海水晶體模擬溶液，連續(xù)7天每天8小時測試顯示，凈化速率穩(wěn)定在約1.72 kg·m?2·h?1，產(chǎn)水鹽度低于1.5 mg·L?1，符合世界衛(wèi)生組織飲用水標(biāo)準(zhǔn)。離子濃度分析表明，該蒸發(fā)器能有效去除Na?、Mg2?、K?、Ca2?等金屬離子，初始10 wt%溶液處理后離子濃度降至1.3 mg·L?1以下。同時，對有色溶液的凈化實驗證實其可脫色，凸顯了多功能水處理潛力。

圖4. 耐鹽性和水凈化。

圖5. 仿生錐形多孔蒸發(fā)器的長期脫鹽處理。

總結(jié)：竹筍啟發(fā)的錐形多孔蒸發(fā)器通過仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計、先進材料與高精度3D打印技術(shù)的融合，解決了高鹽度海水淡化中的鹽結(jié)晶和效率瓶頸。未來，該技術(shù)有望應(yīng)用于沿海地區(qū)或工業(yè)廢水處理，為可持續(xù)水資源供應(yīng)提供新路徑。研究團隊計劃進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)以提升能效，并探索低成本量產(chǎn)方案，推動太陽能淡化的實際應(yīng)用。

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