竹筍啟發的超高效太陽能蒸發器：突破高鹽度海水淡化瓶頸

更新時間：2025-10-22

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在全球水資源短缺日益嚴峻的背景下，太陽能海水淡化技術因其可持續性和環保性備受關注。然而，傳統蒸發器在高鹽度海水中易出現鹽結晶堵塞、蒸發效率低等問題，限制了其長期應用。

近期，哈爾濱工業大學帥永教授、王兆龍教授團隊提出了一種受竹筍啟發的錐形多孔蒸發器（BSCPE），通過仿生結構設計實現了超高蒸發效率和長期室外抗鹽能力。該蒸發器采用多壁碳納米管復合樹脂材料，并結合摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術制造，在20 wt%高鹽度海水中可持續運行200小時以上，蒸發速率高達2.54 kg·m?2·h?1，太陽能熱效率達94.1%。該研究以“Bamboo shoot inspired ultra-high conical porous evaporator for desalination of seawater with high salinity"為題，發表在國際著名期刊在《Chemical Engineering Journal》上。

研究團隊從竹筍的獨特結構中汲取靈感。竹筍內部的垂直微通道和表面微孔能夠通過毛細效應高效提升水分，同時其錐形結構有助于分散應力。仿照這一特性，BSCPE設計了內部微間隙和表面橫向階梯狀紋理，不僅實現了液體的快速輸送，還通過擴大蒸發面積提升了效率。蒸發器的材料以多壁碳納米管為核心光熱成分，均勻分散于紫外光固化丙烯酸酯樹脂中，形成了吸光率超過94%的復合光熱樹脂。這種材料在太陽能照射下可高效轉化為熱能，為蒸發過程提供持續動力。

研究人員采用摩方精密nanoArch^® S140（精度：10 μm）打印出蒸發器結構。經過乙醇清洗和氧等離子體處理，蒸發器表面親水性顯著增強，為毛細效應奠定了基礎。這種高精度制造技術不僅保證了結構的機械耐久性，還實現了仿生設計的規模化制備。

圖1. 仿生錐形多孔蒸發器的特性描述。

BSCPE的核心優勢在于其微流體性能與熱管理的協同作用。毛細效應驅動液體在微間隙中上升至126.0 mm的高度，為蒸發過程提供了連續水源。根據楊-拉普拉斯方程，微孔中的彎液面產生向上拉力，與液體重力平衡時達到最大提升高度。較小的孔徑（200–600 μm）可加速液體上升，而表面橫向紋理則通過潤滑理論促進液膜橫向擴散，避免破裂并擴大蒸發面積。與此同時，蒸發器的三維錐形結構導致溫度分布不均：頂部溫度較高，形成溫度梯度誘導的Marangoni對流。這種對流使高鹽度液體從頂部高溫區流向底部低溫區，與毛細補給協同抑制鹽結晶。

圖2. 液體提升和液體膜的形成。

蒸發效率的提升得益于液體表面壓力的降低。根據開爾文方程，毛細作用使液體內部壓力下降，增加了水分子從液相向氣相傳質的驅動力。實驗表明，BSCPE在單太陽光照下（1000 W m?2），高度為150.0 mm時蒸發速率達2.54 kg·m?2·h?1。此外，溫度梯度還使蒸發器在夜間能從環境中吸收能量，進一步維持蒸發過程。

圖3. 溫度場與蒸發速率。

鹽排斥性能方面，BSCPE在20 wt%高鹽度水和兩倍太陽光照下仍能穩定運行，鹽結晶可在夜間通過液體上升重新溶解，實現了自清潔功能。在應用驗證中，研究團隊構建了BSCPE陣列戶外淡化裝置。使用浙江海域海水晶體模擬溶液，連續7天每天8小時測試顯示，凈化速率穩定在約1.72 kg·m?2·h?1，產水鹽度低于1.5 mg·L?1，符合世界衛生組織飲用水標準。離子濃度分析表明，該蒸發器能有效去除Na?、Mg2?、K?、Ca2?等金屬離子，初始10 wt%溶液處理后離子濃度降至1.3 mg·L?1以下。同時，對有色溶液的凈化實驗證實其可脫色，凸顯了多功能水處理潛力。

圖4. 耐鹽性和水凈化。

圖5. 仿生錐形多孔蒸發器的長期脫鹽處理。

總結：竹筍啟發的錐形多孔蒸發器通過仿生結構設計、先進材料與高精度3D打印技術的融合，解決了高鹽度海水淡化中的鹽結晶和效率瓶頸。未來，該技術有望應用于沿海地區或工業廢水處理，為可持續水資源供應提供新路徑。研究團隊計劃進一步優化結構以提升能效，并探索低成本量產方案，推動太陽能淡化的實際應用。

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