仿生树状根系结构增强风驱界面蒸发技术处理复杂颗粒废水研究

针对工业浆料废水蒸发效率低下的难题，研究人员开发了基于仿生树状根系（SE-D-30）的风驱界面蒸发系统，在4 m/s风速下实现蒸发速率（ER）达4.8 kg/(m2h)，较自然蒸发提升10倍，为尾矿脱水提供可持续解决方案。

　　

工业浆料废水的高效脱水是环境治理和土地复垦的核心挑战。传统方法如化学絮凝（flocculation）和机械脱水在处理高固体浓度（>75 wt%）颗粒悬浮液时面临能耗高、效率低等问题。尤其矿业尾矿含水率高、颗粒结合紧密，导致水分子难以释放，严重制约废物体积减量。在此背景下，加拿大不列颠哥伦比亚大学（University of British Columbia）的研究团队受植物根系吸水机制启发，开发出仿生树状根系（dendritic root）蒸发器，通过耦合风能驱动对流与多孔帆表面设计，实现工业级浆料的高效脱水。

研究采用2D Hele-Shaw腔室、X射线显微CT（Micro-CT）和差示扫描量热法（DSC）等技术，系统分析根系结构对水力传导性的影响。室外实验使用20 L真实尾矿浆料验证系统 scalability（可扩展性），并通过共聚焦显微镜观测浆料内部水分分布。

关键结果

1. 根系结构优化：树状根系（SE-D-30）在65 wt%硅浆中蒸发速率达4.8 kg/(m²h)，显著优于分支型（SE-B-30）和直根型（SE-T-30），归因于其增大毛细作用面积和降低流动阻力。
2. 深度适应性：75 cm深上清液层下仍能有效抽水，突破传统蒸发器深度限制。
3. 工业级验证：处理真实尾矿浆料时固体浓度提升至75 wt%，体积减量效果优于絮凝（flocculation）和尾矿提升干燥（tail-lift drying）等现有技术。

结论与意义
该研究通过仿生设计将可再生能源（风能）与界面蒸发技术融合，建立了一套可规模化应用的脱水系统。树状根系结构通过模拟干旱环境植物吸水策略，解决了高浓度颗粒-水混合物传导效率低的瓶颈。成果发表于《Water Research》，为矿业尾矿治理提供了兼具环境友好性与经济性的新范式，直接支持联合国可持续发展目标（SDGs）中的土地修复目标。