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研究摘要

近年來(lái)，太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)的界面水蒸發(fā)技術(shù)被認(rèn)為是解決淡水資源短缺的絕佳途徑，在海水淡化、污水處理等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。為了提高蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率和效率，研究者一直致力于合成高效的光熱轉(zhuǎn)換材料和改善蒸發(fā)器的功能結(jié)構(gòu)，從而獲得具有高效光熱轉(zhuǎn)換、良好的熱管理、水運(yùn)輸、界面潤(rùn)濕和抗鹽等于一體的蒸發(fā)器。然而，目前二維（2D）平面蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率已經(jīng)接近太陽(yáng)能蒸汽產(chǎn)生的理論極限（1.47 kg m-2?h-1）；具有一定高度的三維（3D）立體蒸發(fā)器側(cè)壁通常具有冷蒸發(fā)特性，致使側(cè)壁溫度低于環(huán)境溫度，從而有效地從周?chē)h(huán)境中獲取額外的能量，導(dǎo)致蒸發(fā)速率高于理論極限。然而，目前大部分3D蒸發(fā)器主要集中在提高蒸發(fā)表面積，忽略了大量蒸汽停滯在孔隙內(nèi)部無(wú)法擴(kuò)散的問(wèn)題，平衡有效蒸發(fā)表面積和擴(kuò)散空間之間的平衡對(duì)于高效蒸發(fā)速率至關(guān)重要。另外蒸發(fā)器的抗菌、抗油污、抗鹽等特性也決定了蒸發(fā)器的使用壽命，同時(shí)蒸汽冷凝成液態(tài)水的過(guò)程中產(chǎn)生的冷凝熱焓損失到環(huán)境中，導(dǎo)致能量利用率大大降低。

成果簡(jiǎn)介

我最?lèi)?ài)你的一剎那給你打電話(huà)你沒(méi)接，等你看到來(lái)電提醒再打回來(lái)的時(shí)候很可能我就不愛(ài)你了?！F(tuán)

近日，青島大學(xué)張憲勝副教授、王莉莉副教授、曲麗君教授和中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所梁坤研究員合作，創(chuàng)新制備了MXene和聚多巴胺/聚乙烯亞胺（PDA/PEI）修飾的具有多級(jí)孔隙的麻紗線垂直陣列結(jié)構(gòu)3D蒸發(fā)器，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)了蒸發(fā)焓可回收利用的冷凝裝置，將其成功組裝成一個(gè)太陽(yáng)能“海水淡化-熱電-灌溉”一體化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了能源的最大化利用。該蒸發(fā)器在一個(gè)太陽(yáng)光下的蒸發(fā)速率高達(dá)3.95 kg m-2?h-1，室外連續(xù)8小時(shí)測(cè)試可實(shí)現(xiàn)47.04 kg m-2的淡水收集量。由于蒸發(fā)器紗線間宏觀孔隙及纖維間微孔隙協(xié)同促進(jìn)了鹽水的對(duì)流和擴(kuò)散，即使在14%的鹽水中連續(xù)一個(gè)太陽(yáng)光照射120 h，蒸發(fā)器表面也沒(méi)有任何鹽晶體析出，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐鹽性。另外，麻纖維的本征抗菌性和MXene高效殺菌特性，賦予蒸發(fā)器優(yōu)異的抗菌和防生物污染性能。PDA/PEI涂層在麻纖維表面形成的水合層表現(xiàn)出穩(wěn)定的親水性和水下超疏油性，不僅可以加快水的輸送，而且表現(xiàn)出良好的抗油污染能力，進(jìn)一步保證了蒸發(fā)器在不同復(fù)雜環(huán)境的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。最后，通過(guò)水收集裝置中創(chuàng)新的冷凝器多模塊設(shè)計(jì)，將蒸汽焓應(yīng)用于熱電轉(zhuǎn)化，余熱進(jìn)一步預(yù)熱待蒸發(fā)的循環(huán)海水，實(shí)現(xiàn)了能源的多次利用。

該成果在線發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊?Advanced Functional Materials?(影響因子19.924) 上，題目為：A Multiscale Porous 3D-Fabric Evaporator with Vertically Aligned Yarns Enables Ultra-Efficient and Continuous Water Desalination。

雷志偉和朱士鳳為本文第一作者。

圖文導(dǎo)讀

圖1.垂直陣列三維蒸發(fā)器的“海水淡化-熱電-灌溉”一體化平臺(tái)示意圖。

圖2.?3D立體織物蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)表征和熱定位性能。（a）PP/M/PP-H的制造過(guò)程示意圖，（b）垂直排列的麻紗線蒸發(fā)器照片，（c-d）Pristine-H、PP-H、M/PP-H、PP/M/PP-H（樣品名稱(chēng)：H=麻，PP=PDA/PEI，M=MXene）的SEM圖像和XPS光譜，（e）PP/M/PP-H可承受100克重量的圖片，（f）水接觸角，（g）PP/M/PP-H的吸收光譜，（h）PP/M/PP-H在熱板上的紅外圖像。

圖3.?水蒸發(fā)性能。（a）蒸發(fā)器頂部表面和底部的溫度圖（左）、蒸汽產(chǎn)生圖像（右），（b）蒸發(fā)器的示意圖，（c）PP/M/PP-H-D1、D2、D3、D4蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率（D代表不同紗線間隙），（d）在1個(gè)太陽(yáng)下各種對(duì)流下PP/M/PP-HD2蒸發(fā)器的水質(zhì)量損失，（e）測(cè)量的PP/M/PP-H-D2在10個(gè)循環(huán)中的蒸發(fā)循環(huán)性能，（f）不同高度的三維蒸發(fā)器在黑暗和陽(yáng)光下的蒸發(fā)速率，（g）不同三維蒸發(fā)器的效率和蒸發(fā)速率的對(duì)比，（h）PP/M/PP-HD2在0°和45°陽(yáng)光照射下的紅外熱圖像，（i）PP/M/PP-HD2在0°和45°陽(yáng)光照射下的水損失。

圖4.?抗菌、抗油污、抗鹽性能。（a）不同樣品中菌落細(xì)胞生長(zhǎng)的瓊脂板的數(shù)字圖像,（b）不同樣品的抗菌效率,（c）PP/M/PP-H的水下油接觸角,（d）PP/M/PP-H良好抗油污性能，（e）PP/M/PP-H在水下優(yōu)越的抗油污性能示意圖，（f）PP/M/PP-H蒸發(fā)水量（測(cè)試溶液：大豆、煤油和汽油水包油乳液），（g）PP/M/PP-H耐鹽性的圖像，（h）鹽-水交換的示意圖。

圖5. 海水淡化-熱電-灌溉一體化平臺(tái)。（a）離子在脫鹽前后的濃度，（b）溶液的吸收光譜，（c）TEG模塊的開(kāi)路電壓，（d）海水淡化-熱電-栽培系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，（e）TEG模塊開(kāi)路電壓的圖像，（f）室外樓頂海水淡化-熱電-灌溉系統(tǒng)裝置的圖像，（g）室外蒸發(fā)光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度以及收集水圖像。

總結(jié)

本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一體化3D蒸發(fā)器系統(tǒng)，在實(shí)際海水淡化中成功地實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的蒸發(fā)性能、抗生物/油污染性能、耐鹽性能，并回收利用蒸發(fā)焓獲取電能。垂直陣列的3D蒸發(fā)器的多尺度孔隙（大孔和微孔）結(jié)構(gòu)通過(guò)增加入射光的多次反射有助于捕獲光（97.5%的光吸收），促進(jìn)光熱轉(zhuǎn)換。這種結(jié)構(gòu)也增加了有效空氣/水界面和蒸汽擴(kuò)散空間、同時(shí)側(cè)壁具有從環(huán)境中吸收能量的特性，實(shí)現(xiàn)了全維度的水蒸發(fā)?；谏鲜鲂阅?，一個(gè)太陽(yáng)光照下蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率為3.95 kg m?2?h?1，在對(duì)流4 m s?1下充分?jǐn)U散，蒸發(fā)速率達(dá)到13.25 kg m?2?h?1，室外連續(xù)8小時(shí)的蒸發(fā)量高達(dá)47.04 kg m?2。同時(shí)，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)促進(jìn)了水的對(duì)流和擴(kuò)散，蒸發(fā)器即使在14%的鹽水中連續(xù)照射120 h（1個(gè)太陽(yáng)光），表面也沒(méi)有任何鹽晶體析出，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐鹽性。此外，麻纖維固有的抗菌作用和MXene的高效殺菌性能抑制蒸發(fā)器附近的細(xì)菌生長(zhǎng)，顯示出優(yōu)越的抗生物污染性能。PDA/PEI涂層在纖維表面形成的穩(wěn)定水合層保護(hù)蒸發(fā)器免受含油污染物的污染。最后創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了一個(gè)“海水淡化-熱電-灌溉”一體化的蒸發(fā)系統(tǒng)，通過(guò)多模塊冷凝器回收的蒸汽焓被用于熱電發(fā)電（TEG）和預(yù)熱要蒸發(fā)的循環(huán)海水，實(shí)現(xiàn)了可用能源的多重利用，且淡化水通過(guò)灌溉栽培平臺(tái)用于實(shí)時(shí)和按需作物生長(zhǎng)。本蒸發(fā)器系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)為開(kāi)發(fā)可持續(xù)、耐用和可擴(kuò)展的太陽(yáng)能蒸發(fā)系統(tǒng)提供了新思路。

文獻(xiàn)鏈接

https://doi.org/10.1002/adfm.202205790

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