Nature 子刊：3D打印自浮式蒸發器創下太陽能海水淡化效率新紀錄
時間：2025-04-30 11:05 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2025年4月29日，來自香港城市大學、香港理工大學和紐卡斯爾大學的一支研究團隊開發了一種大型3D打印自浮式蒸發器，顯著推進了太陽能驅動的界面海水淡化技術。研究成果以題為“Large-scale 3D printedfouling-resistant self-floating evaporator”的論文發表在《自然通訊》期刊上。
蒸發器系統采用凹形AlSi10Mg合金增材制造而成，光熱蒸發效率接近100%，在一個陽光照射下蒸發率可達2.23 kg/m²/h，淡水收集率可達1.23 kg/m²/h。浮動模塊化設計提供了持久耐用、可擴展的性能，同時解決了結垢、鹽分積累和能量輸入方面的主要限制。核心蒸發器采用3D金屬打印機制造，功率為370 W，打印速度為1300 mm/s。特點是聚吡咯修飾的光熱頂層、氧化鋁合金(AO)過渡層以及具有超疏水特性的PTFE密封底面。采用化學氧化、電沉積和部分表面密封等工藝組裝該層狀結構。其他組件包括可更換的二維進水層、低導熱率的晶格狀樹脂支架以及嵌入銅翅片的浮動淡水收集器。這些元件構成一個模塊化、易于維護的系統，適用于便攜式和遠程操作。
△用于光熱界面蒸發的3D分層浮動裝置。圖片來自《自然通訊》
使用掃描電子顯微鏡（Sigma 500）、能量色散X射線光譜法（Shimadzu EDX-720）和X射線衍射法（D2 PHASER XE-T）分析材料和結構特性。使用日立UH4150紫外-可見-近紅外光譜儀和VERTEX 70 v FTIR光譜儀測量太陽吸收率。使用Hot Disk TPS2500S系統進行熱導率測試。使用CEL-PE300L-3 PerkinElmer 300W光源進行實驗室太陽模擬。使用FLIR E8xt熱成像和KEYSIGHT DAQ970A系統繪制溫度曲線，并使用DataPhysics測試儀測量接觸角。使用pc0.dimax HS4高速攝像機捕捉液滴行為。使用YGY-CJY4數據采集單元記錄現場測試期間的室外條件。在 COMSOLMultiphysics 5.6 版本中執行熱和蒸汽傳輸模擬。
凹面蒸發器結構展現出增強的光捕獲和表面吸收性能。當表面裝飾有聚吡咯納米顆粒時，平均太陽吸收率可達98.1%。通過FLIR熱成像和有限元仿真驗證了傳熱效率，結果顯示在所有測試條件下，底部表面蒸發均保持一致。為期17天的穩定性測試表明，蒸發速率持續保持在2.23 kg/m²/h，只需更換吸水層即可保持穩定。接觸角測量值超過135°，證實了超疏水性。在3.5 wt% NaCl溶液中進行的電化學腐蝕測試表明，密封氧化層的腐蝕電位為-0.59V，與未經處理的鋁相比有顯著改善。
△三維分級解耦蒸發器的蒸發和向下淡水冷凝。圖片來自《自然通訊》。
在香港烏溪沙鵝卵石灘進行的現場試驗評估了一套集成固定蓋板和淡水收集器的全尺寸裝置。嵌入式銅翅片改善了熱對流并增強了冷凝效果，使淡水收集率達到1.23千克/平方米/小時。無需外部電源。冷卻是通過與周圍海水進行熱交換實現的。蒸發器的解耦架構確保水僅從底部吸收，保持頂部吸收層干燥，防止鹽結晶。PTFE 納米顆粒密封進一步阻止離子滲透，而化學氧化則穩定了外層鋁表面。在鹽水（25 wt% NaCl）中，性能在 13 天內保持穩定。ICP-OES 測試證實，脫鹽后 Na⁺、Ca²⁺ 的濃度均符合世界衛生組織的飲用水標準，鈉含量從 10,800 毫克/升降至 5.0 毫克/升。
△擴大規模浮動海水淡化裝置的現場試驗。圖片來自《自然通訊》。
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