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| 中國海洋大學在太陽能耦合濃鹽水淡化與資源化領(lǐng)域取得新進展 |
| http://www.szphoebest.com 2025年10月30日 來源：華禹教育網(wǎng) |
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近日，中國海洋大學材料科學與工程學院高分子材料與工程系徐曉峰教授課題組在國際頂尖材料期刊Advanced Materials（《先進材料》）發(fā)表了題為“Tailor-Made
Solar Desalination and Salt Harvesting from Diverse
Saline Water Enabled by Multi-Material Printing”（多材料3D打印實現(xiàn)可定制光熱界面蒸發(fā)與鹽收集）的研究成果。
全球淡水資源短缺的問題日益嚴峻，嚴重威脅著人類社會的可持續(xù)發(fā)展。近年來，新興的太陽能驅(qū)動的界面蒸發(fā)技術(shù)因可持續(xù)、低能耗等優(yōu)點備受關(guān)注，在高濃度鹽水淡化與資源化領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。然而，傳統(tǒng)光熱復(fù)合材料如氣凝膠、水凝膠和泡沫的各向同性結(jié)構(gòu)限制了光熱性能優(yōu)化和多功能集成應(yīng)用。增材智造（3D打印）是制備精細結(jié)構(gòu)材料的有效方法，但現(xiàn)有的3D打印技術(shù)所制備的光熱復(fù)合材料存在孔隙結(jié)構(gòu)單一、能量損失、傳質(zhì)阻力和鹽結(jié)晶調(diào)控困難等問題，難以在高鹽環(huán)境中實現(xiàn)穩(wěn)定海水淡化與資源化應(yīng)用。
本課題通過多材料墨水直寫技術(shù)（DIW），能在指定的空間位置精確沉積不同的光熱墨水，成功構(gòu)建了具有梯度結(jié)構(gòu)的3D光熱矩陣。通過協(xié)同優(yōu)化墨水配方、離子調(diào)控交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、打印性與打印精度、分級多孔結(jié)構(gòu)等參數(shù)制備了成分、結(jié)構(gòu)與功能可調(diào)控的太陽能界面蒸發(fā)器（3D SGs）和太陽能結(jié)晶器（3D SCs），在寬廣鹽度范圍（3.5% − 25%）內(nèi)實現(xiàn)了高效太陽能脫鹽、溶質(zhì)分離與鹽收集（圖1）。該工作首次實現(xiàn)了多材料3D打印技術(shù)制備可定制形狀和功能的光熱復(fù)合材料，使得光熱材料不僅在海水中的蒸發(fā)速率高于淡水，而且在高鹽度條件下也能穩(wěn)定工作，實現(xiàn)了太陽能耦合濃鹽水淡化與資源化應(yīng)用。
圖1. 本研究中用于多材料墨水直寫的光熱墨水設(shè)計和用于濃鹽水淡化和結(jié)晶的光熱復(fù)合材料的分級結(jié)構(gòu)打印制備。
光熱墨水主要由固定成分纖維素納米纖維（CNFs）、甲基丙烯酸化海藻酸鈉（MA-SA）、碳納米管（CNTs）和可變成分不同濃度的兩性離子預(yù)聚物（如PDMAPS）組成，協(xié)同提升了墨水的可打印性和打印精度，也實現(xiàn)了功能可調(diào)性。
對三種打印針頭定制打印路徑，采用多層疊加的方法對其三維結(jié)構(gòu)進行了建模，設(shè)計了平面表面和華夫格表面。具有華夫格圖案的表面和多尺度分層孔隙的晶格結(jié)構(gòu)顯著增加了有效蒸發(fā)面積，能更好地利用陽光、氣流和環(huán)境能量。兩性離子的引入在海水中產(chǎn)生了顯著的抗聚電解質(zhì)效應(yīng)，屏蔽了聚合物鏈段之間的相互作用，能暴露出更多的離子基團與水分子發(fā)生相互作用。二價陽離子的強溶劑化作用也削弱了水分子的氫鍵，破壞了原始的水分子結(jié)構(gòu)。這些協(xié)同效應(yīng)增加了中間水含量，從而加速了3D SGs的蒸發(fā)。在1個太陽和2 m s−1的風速下，3D SGs在海水中的最高蒸發(fā)速率達到17.9 kg m−2h−1，比相同條件下的淡水中的蒸發(fā)速率高出10.5%，是無風條件下的6倍，即使在25%的鹽水中，蒸發(fā)速率仍能保持在6.6 kg m−2h−1，實現(xiàn)了廣鹽度范圍（3.5−25%）條件下的穩(wěn)定和高效水蒸發(fā)（圖2）。
圖2. 太陽能脫鹽及促進海水蒸發(fā)表征。
與常規(guī)的實現(xiàn)抗鹽性目標相反，溶質(zhì)分離、零液體排放及海水淡化中的礦物資源回收等新興領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。多材料打印及其模塊化設(shè)計能對光熱矩陣單元進行重組，實現(xiàn)了限域溶質(zhì)分離和鹽收集，在20%的鹽水中產(chǎn)生了269.3 g m−2h−1的鹽收集速率。為了評價實際應(yīng)用性能，本工作也模擬了3D SGs和3D SCs在全國7個主要沿海城市和代表性鹽場的蒸發(fā)速率和鹽收集速率，揭示了多材料打印的光熱復(fù)合材料在高效清潔水、溶質(zhì)分離和海鹽生產(chǎn)等領(lǐng)域的潛力。
材料科學與工程學院2023級海洋材料科學與工程專業(yè)博士研究生李晶晶為論文的第一作者。研究工作得到了國家自然科學基金、山東省泰山學者青年項目、山東省自然科學基金等項目的資助，以及英國、瑞典和芬蘭等國外合作單位和研究人員的支持與協(xié)助。
文：李晶晶
文章鏈接：http://doi.org/10.1002/adma.202517244
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