大规模 3D 打印抗污自浮式蒸发器：助力太阳能海水淡化新突破

为解决界面脱盐技术中维持长期高效、抗污和节能的难题，研究人员开展了 3D 打印凹形太阳能蒸发器和浮动淡水收集装置的研究。结果显示，该装置在 1 个太阳光照下光热蒸发效率近 100%，淡水收集率达 1.23 kgm-2 h-1 ，为便携式太阳能驱动界面脱盐和淡水收集提供了可能。

　　在全球淡水稀缺和水污染严重的当下，海水淡化成为获取淡水的重要途径。太阳能驱动的界面脱盐技术因绿色环保、低能耗等优势备受关注，然而它却面临着诸多挑战。比如，太阳能蒸发器内容易产生盐垢，入射光与蒸发的水汽相互干扰，太阳能蒸发器与海水中杂质的相互作用导致运行不稳定，传统的向上蒸汽冷凝收集淡水方式还存在光学和热损失等问题 。这些问题严重阻碍了太阳能驱动界面脱盐技术的发展与应用，因此，研发一种高效、抗污且节能的海水淡化装置迫在眉睫。

香港城市大学等机构的研究人员开展了相关研究，设计出一种 3D 分层太阳能蒸发器和浮动装置用于界面蒸发和淡水收集。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为解决淡水危机提供了新的方向和可能。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是 3D 打印技术，用于制造 3D 凹形 AlSi₁₀Mg 复合太阳能蒸发器；其次是表面修饰技术，对蒸发器进行双面表面修饰，以实现更好的性能；另外，利用有限元方法，借助 COMSOL Multiphysics 软件对水蒸发过程进行模拟分析。

研究结果如下：

• 3D 打印凹形太阳能蒸发器的表征：3D 凹形太阳能蒸发器由聚吡咯（PPy）修饰的光热层、导热 3D 骨架和超疏水防腐层组成。3D 打印的铝合金模板具有宏观凹形结构和微观结构，有助于热辐射、对流再吸收以及抗水和其他杂质腐蚀。通过多种测试手段对其结构、成分、光学性能、热导率和防腐性能进行了详细表征。
• 太阳能蒸发器的光热效应：测量不同样品在 400nm - 20μm 波长范围内的光谱，结果显示 3D 凹形 A - O - P 的平均太阳能吸收率约为 98.1%。通过公式计算纯热能增益，3D 凹形 A - O - P 和 A - O 在 1 个太阳光照下的纯能量增益分别为 890 W^m-2和 873 W^m-2 ，且蒸发器呈现分层温度分布，有利于热对流和辐射再吸收。
• 太阳能蒸发器的防腐性能：通过电化学开路电位（OCP）曲线和 Tafel 图测量，评估 A - A 和 A - O 在海水中的耐腐蚀性。结果表明，氧化层使 A - O 的腐蚀电位优于纯 A - A，腐蚀电流密度更低。经过 PTFE 密封处理后，A - O 的防腐性能进一步提升，底部表面也变得更加疏水。
• 向下脱盐设计的性能：3D 凹形 A - O - P 的蒸发速率为 2.23 kg^{m-2 h-1} ，高于 2D A - O - P。该装置在不同盐浓度环境下表现出稳定的蒸发性能，通过更新吸水层可维持高效蒸发。自浮式淡水收集箱的淡水收集速率为 1.11 kg^{m-2 h-1} ，实验数据与模拟结果相符，表明其具有高效的汽 - 水转换效率。
• 大规模太阳能驱动界面脱盐装置的现场试验：设计大规模浮动装置进行现场试验，结果显示该装置在实际环境中能实现高效冷凝，铜鳍片提高了淡水收集率，收集的淡水离子浓度符合世界卫生组织（WHO）饮用水标准。

研究结论和讨论部分指出，该 3D 分层太阳能蒸发器和浮动装置结合了 3D 金属打印和双面修饰技术，实现了高效蒸发和防腐。3D 打印的铝合金具有良好的热传导和表面修饰优势，宏观凹形和微观结构有利于太阳能捕获和热再吸收，底部凹形表面扩大了水 - 气界面面积，促进蒸汽向下逃逸。自浮式收集装置在冷却海水中能持续进行热对流，实现高效冷凝，且具有灵活便携的特点。该研究成果有望为可持续发展的海水淡化技术提供新的思路和方法，推动相关领域的进一步发展。