仿生楔形三维气凝胶蒸发器，用于高效的无盐太阳能海水淡化

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Biomimetic wedge-shaped 3D aerogel evaporator for efficient salt-free solar desalination

采用仿鹅喙结构设计，通过定向冷冻法制备纤维素纳米纤丝@还原石墨烯氧化物（CNF@rGO）气凝胶，实现太阳能驱动高效海水淡化。其楔形通道结构促进定向水传输与盐分清除，蒸发速率达2.46 kg·m?2·h?1，能源效率超90%，连续运行20小时无盐结晶，显著提升太阳能蒸发器稳定性。

　　

Bopeng Li|Linfan Li|Xiao Miao|Zhiqiang Hou|Yuanming Song|Guina Ren|Xiaotao Zhu

烟台大学环境与材料工程学院，中国烟台264405

摘要

太阳能驱动的界面蒸发被证明是一种非常有前景的脱盐和淡水生产方法。然而，蒸发表面上的盐分积累严重影响了界面蒸发器的效率和耐久性。在这里，我们通过定向冷冻工艺开发了一种含有楔形通道的纤维素纳米纤维@还原氧化石墨烯（CNF@rGO）气凝胶，这一设计灵感来源于滨鸟口部的定向水流行为。在太阳能驱动的清洁水生产过程中，这些通道促进了快速的水流传输、高光吸收和热量集中。CNF@rGO气凝胶样品在单太阳照射下的蒸汽生成率为2.46 kg m?2 h?1，能量效率超过90%。值得注意的是，即使在15 wt% NaCl盐水中连续20小时产生蒸汽后，该材料仍保持高蒸发率，并且表面没有形成盐晶体。这种出色的抗盐性能主要归功于楔形通道内的定向水流，它能够有效去除盐分。利用CNF@rGO气凝胶，也可以从海水和废水中生产出清洁水。这种仿生设计的CNF@rGO气凝胶为实现高效无盐脱盐和清洁水生产提供了一种新的方法。

引言

随着全球人口增长和工业化的加速，淡水资源短缺和水污染问题变得越来越严重[1]、[2]。鉴于海水的丰富储量，开发高效且可持续的脱盐技术已成为解决淡水危机的关键途径[3]。太阳能作为一种低碳能源，具有缓解全球变暖的潜力，因此被视为许多地区未来供水的发展方向[4]、[5]。与其他脱盐方法相比，太阳能驱动的界面蒸发因其环保性、经济性和高效率而受到广泛关注[6]。迄今为止，包括水凝胶[7]、气凝胶[8]、木质结构[10]、薄膜[11]和纺织品[12]、[13]在内的多种材料已被广泛用于蒸发器的制造，为不同应用提供了灵活的材料选择和结构设计[14]。然而，蒸发器上表面水的持续蒸发会导致盐浓度增加，从而在蒸发界面形成密集的盐结晶层[15]、[16]。盐的沉淀会阻塞蒸发器内的水流和蒸汽通道，阻碍气体的正常排放，从而抑制蒸汽生成[17]。此外，盐的沉淀还会覆盖蒸发器表面，减少其光吸收面积，降低蒸发率[18]。盐的沉淀现在被认为是高效可持续太阳能热脱盐的主要障碍[19]。为了应对盐分积累问题，已经开发了多种方法，包括设计专用结构[20]、[21]、[22]、控制表面润湿性[23]、采用非接触式蒸发模型[24]、[25]以及调节水流路径[26]、[27]。例如，Hu等人在基于木材的太阳能蒸发器中设计了一种合理的微通道阵列，实现了稳定的无盐脱盐过程[28]。Sheng等人开发了一种超亲水蒸发器，通过相互连接的孔隙和通道稀释浓缩的盐离子[29]。尽管在减少盐沉淀方面取得了显著进展，也有许多报道展示了结合抗盐结晶和高产水率的系统[27]，但要实现这种协同效应通常需要复杂的材料设计或结构工程来调节离子传输[30]和结晶行为[31]。因此，核心挑战在于开发出既高性能又简单、可扩展且长期稳定的解决方案。

在这项研究中，我们受到滨鸟通过口部输送水的方式的启发，使用定向冷冻工艺制备了一种含有楔形通道的纤维素纳米纤维@还原氧化石墨烯（CNF@rGO）气凝胶。由于非对称拉普拉斯力的作用，这些通道使水能够从较宽的一端定向移动到较窄的尖端。在这个定向水流过程中，气凝胶表面还能从盐水中去除盐晶体，从而实现无盐脱盐。此外，楔形通道有助于快速的水流传输、高光吸收和热量集中，提高了清洁水生产的效率。CNF@rGO气凝胶样品在单太阳照射下的蒸汽生成率为2.46 kg m?2 h?1，能量效率超过90%。重要的是，即使在15 wt% NaCl盐水中连续20小时生成蒸汽后，气凝胶仍保持高蒸发率，表面没有形成盐晶体。这种仿生设计的CNF@rGO气凝胶为实现高效无盐太阳能驱动界面蒸发系统提供了一种新的解决方案。

材料

纤维素纳米纤维（CNF）由北世纪（江苏）纤维素材料公司提供。以下化学品从国药化学试剂公司购买：石墨粉；硫酸（98%，H?SO?）；高锰酸钾（KMnO?）；盐酸（38%，HCl）；过氧化氢（30%，H?O?）；硝酸钠（NaNO?）。以下化学品从上海麦克林生化有限公司购买：肼水合物（N?H?·H?O）、亚甲蓝（MB）、罗丹明B（RB）等。

CNF@rGO气凝胶的制备与表征

在自然界中，滨鸟通过张开和闭合喙部将含有猎物的水滴输送到口中（见图1a），这归因于它们喙部的曲率梯度[33]、[34]。受到滨鸟不对称几何形状的启发，通过定向冷冻工艺制备了一种楔形CNF@rGO气凝胶，如图1b所示。使用一个具有金字塔形腔体的定制硅胶模具来定向冷冻CNF/rGO。

结论

通过定向冷冻工艺制备了一种楔形CNF@rGO气凝胶，能够在不产生表面盐结晶的情况下实现高效脱盐。气凝胶中的通道促进了高效的光吸收和热量的局部化，以及太阳能驱动的清洁水生产过程中的快速水流传输。CNF@rGO气凝胶样品在单太阳照射下的蒸汽生成率为2.46 kg m?2 h?1，能量效率超过90%

作者贡献声明

Bopeng Li：撰写——初稿、方法论、实验研究。Xiaotao Zhu：撰写——审稿与编辑、项目监督、项目管理。Guina Ren：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金筹集。Yuanming Song：数据验证、软件开发。Zhiqiang Hou：撰写——初稿、方法论。Xiao Miao：数据分析、概念构思。Linfan Li：软件开发、资源协调、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

该项目得到了山东省自然科学基金（ZR2023MB128）的支持。