导语
对于界面光热蒸发器,排盐性能决定了蒸发器的使用寿命。通常盐离子迁移调控策略利用对流或者扩散实现盐离子回流至本体水中,然而,在较高浓度盐水(20 wt.%及其以上)的淡化过程中,仅通过对单方向或单通道对排盐性能进行调控依然会导致由于排盐速率不足而造成的蒸发器表面盐析出。
近日,中国科学院化学研究所宋延林研究员课题组在蒸发器表面和下方分别构建特定仿生结构来诱导多维错流排盐,从而确保蒸发器在高浓度盐水中长期使用后仍然保持清洁且蒸发速率稳定。相关成果在线发表于Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202300318)。
前沿科研成果
3D仿生多向排盐水凝胶蒸发器
单向的排盐通道限制了盐离子的高效回流,从而抑制了光热蒸发器在高浓度盐水环境下工作时的排盐性能。近日,中国科学院化学研究所宋延林研究员课题组利用简易且可循环的“三明治式”复型策略制备了一种表面有仿猪笼草凹槽微腔阵列,底部有仿鱼鳃串珠状空心柱阵列的仿鱼鳃蒸发器,从而实现快速水补充、高效光热蒸发净水、多向排盐集一体的多功能应用。
图1:仿鱼鳃蒸发器的设计思路(来源:Advanced Functional Materials)
图2:仿鱼鳃蒸发器的表征(来源:Advanced Functional Materials)
通过设计结构参数实现对热局域的优化,特定参数的仿鱼鳃蒸发器实现了在一个太阳辐射下2.53 kg m-2 h-1的蒸发速率和99.3%的蒸发效率。
图3:仿鱼鳃蒸发器的蒸发表现(来源:Advanced Functional Materials)
作者提出了一种多向错流快速排盐策略。其中,仿鱼鳃蒸发器底部的串珠状空心柱阵列结构能够诱导实现快速纵向离子回流,而蒸发器表面的凹槽微腔阵列结构则能够实现快速横向离子平流,从而形成了多向排盐通道。多向排盐通道确保了仿鱼鳃蒸发器在高浓度盐水中(25 wt% NaCl)连续蒸发140 h后仍然保持蒸发界面清洁且保持稳定蒸发速率(2.11 kg m-2 h-1),同时蒸发器在长期使用后依然能够保持盐产出与盐迁移速率的均衡,为实现自动化免清洁的盐水分离蒸发器构建提供新策略。
图4:仿鱼鳃蒸发器的排盐机理(来源:Advanced Functional Materials)
作者提出了一种养殖废水淡化-锦鲤培养自循环系统。通过对淡化后养殖废水的安全、生物相容、毒害物质含量等方面的表征,验证了自循环养殖体系的可行性,为利用太阳能实现零污染养殖带来新的策略。
进一步地,作者通过失水-水合循环测试表征了蒸发器的失水-恢复性能,进而验证了提出的折叠方法的可行性,进一步提升了蒸发器的便携性。并通过高强度循环折叠、扭转、卷曲测试,展示了仿鱼鳃蒸发器的长期耐久性,同时通过元素分析验证了仿鱼鳃蒸发器具备长期的化学稳定性。
图5:仿鱼鳃蒸发器的实际应用(来源:Advanced Functional Materials)
作者设计并制备了一种在高盐度下具备优异蒸发性能和极强排盐能力的仿鱼鳃蒸发器,并提出了一种多向错流快速排盐策略,同时通过提出的自循环养殖系统拓展了太阳能驱动蒸发器在养殖领域的应用。该工作以“A Bionic-Gill 3D Hydrogel Evaporator with Multidirectional Crossflow Salt Mitigation and Aquaculture Applications”为题发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202300318)上。