基于蚕茧壳的自支撑自漂浮三维腔体蒸发器实现高效太阳能海水淡化和废水处理

《npj Clean Water》：A self-standing and self-floating 3D cavity evaporator for highly efficient desalination and wastewater treatment

本研究针对传统太阳能蒸发器能量利用率低、无法自漂浮等瓶颈问题，开发了一种基于天然蚕茧壳(SC)的三维双表面蒸发器(Up-FSCE)。通过聚多巴胺(PDA)原位聚合和水凝胶修饰，该蒸发器在1太阳光照下蒸发速率达2.32 kg·m-2·h-1，效率达98.17%，且具备优异的自漂浮性能和耐酸碱高盐稳定性，为界面太阳能淡化技术的实际应用提供了新方案。

　　

随着全球水资源短缺问题日益严峻，开发高效、可持续的淡水生产技术成为当务之急。传统海水淡化技术如反渗透、多级闪蒸等虽然成熟，但存在能耗高、投资大等局限性。界面太阳能蒸发技术因其绿色、可持续的特性而备受关注，特别是三维(3D)蒸发器相比二维(2D)结构具有更大的蒸发面积。然而，传统3D蒸发器存在内部空间利用不足、热管理效率低、难以自漂浮等挑战，严重制约其实际应用。

针对这些问题，研究人员受天然蚕茧壳(SC)独特腔体结构的启发，设计了一种具有内外双蒸发界面的自支撑自漂浮3D蒸发器(Up-FSCE)。该研究通过部分脱胶处理保留蚕茧壳结构完整性，利用聚多巴胺(PDA)原位聚合增强光热转换性能，并通过聚乙烯醇/壳聚糖(PVA/CS)水凝胶涂层调控水分传输。特别引入的EPS泡沫层不仅提供浮力，还有效阻隔热损失，实现了优异的热管理。

关键技术方法包括：蚕茧壳的部分脱胶处理优化孔隙结构；多巴胺原位聚合构建光热转换层；PVA/CS水凝胶冷冻成型技术调控水分传输；EPS泡沫集成实现自漂浮功能。实验使用舟山海域真实海水和模拟废水进行评估。

制备与表征

扫描电镜(SEM)显示经过Na₂CO₃处理后蚕茧壳表面粗糙度增加，有利于PDA均匀包覆。接触角测试表明改性后材料从疏水性(130°)转变为超亲水性(0°)，显著改善水分传输性能。傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)证实PDA成功聚合和水凝胶交联。

光吸收与光热转换机制

紫外-可见-近红外(UV-vis-NIR)光谱显示SC@PDA在300-2400 nm波长范围平均吸光度达83.7%。红外热成像证实改性材料在1太阳光照下120秒内表面温度从25°C升至73°C，展现优异的光热转换性能。热导率测试表明湿润SC@PC/PDA(0.162 W/(m·K))较EPS泡沫(0.035 W/(m·K))更利于热量传递。

太阳能蒸发测试

通过精密电子天平记录水分蒸发量，Up-FSCE在1太阳光照下蒸发速率达2.32 kg·m^-2·h^-1，显著高于纯水(0.45 kg·m^-2·h^-1)。能量转换效率计算采用公式η=(Δν·h_LV)/I，其中蒸发焓为1747 kJ·kg^-1。不同光照强度测试显示蒸发速率随光强增加而提升，但效率有所下降，归因于高温表面与环境热交换增强。

耐盐性与稳定性

在0-20% NaCl浓度范围内，Up-FSCE保持1.84-2.32 kg·m^-2·h^-1的蒸发速率。连续8小时高盐测试未发现表面盐结晶，展现优异自清洁能力。机械稳定性测试表明材料能承受200g载荷和24小时搅拌，在pH=1-13环境中保持结构完整。

自支撑自漂浮与废水净化

Up-FSCE通过底部配重和EPS泡沫实现自漂浮，连续7天运行保持稳定。实际海水淡化测试显示，产水离子浓度降低3-4个数量级，符合WHO和EPA饮用水标准。对甲基橙(MO)、甲基蓝(MB)的去除率近100%，强酸强碱条件下产水保持中性。

该研究成功开发了一种基于天然生物质的三维双表面蒸发器，通过创新的结构设计和材料改性，实现了高效太阳能利用和优异的环境适应性。蒸发器独特的腔体结构实现内外双表面蒸发，PDA涂层提供高效光热转换，水凝胶层降低蒸发焓，EPS泡沫优化热管理。在1太阳光照下达到2.32 kg·m^-2·h^-1的蒸发速率和98.17%的效率，且具备自漂浮、耐盐、抗污染等特性，为太阳能淡化技术的实际应用提供了可靠解决方案。这项发表于《npj Clean Water》的研究为可持续水处理技术的发展开辟了新途径。