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當(dang)前(qian)位(wei)置(zhi)：首(shou)頁(ye)技(ji)術文章竹(zhu)筍(sun)啟發的超(chao)高(gao)效太(tai)陽(yang)能蒸發器：突破高(gao)鹽度(du)海水(shui)淡化瓶頸

竹(zhu)筍(sun)啟發的超(chao)高(gao)效太(tai)陽(yang)能蒸發器：突破高(gao)鹽度(du)海水(shui)淡化瓶頸

更(geng)新時(shi)間(jian)：2025-10-22

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在(zai)全(quan)球(qiu)水(shui)資(zi)源(yuan)短(duan)缺(que)日(ri)益(yi)嚴峻(jun)的背(bei)景(jing)下，太(tai)陽(yang)能海水(shui)淡化技(ji)術因(yin)其可(ke)持續(xu)性和(he)環(huan)保(bao)性(xing)備受(shou)關(guan)註。然(ran)而(er)，傳統蒸發器在(zai)高(gao)鹽度(du)海水(shui)中易(yi)出(chu)現(xian)鹽(yan)結(jie)晶(jing)堵(du)塞、蒸發效率(lv)低(di)等(deng)問題(ti)，限(xian)制了(le)其(qi)長期(qi)應(ying)用。

近期(qi)，哈爾濱工業(ye)大(da)學帥永(yong)教(jiao)授(shou)、王兆(zhao)龍教(jiao)授(shou)團(tuan)隊提(ti)出了(le)壹(yi)種(zhong)受(shou)竹(zhu)筍(sun)啟發的錐(zhui)形多孔蒸發器（BSCPE），通(tong)過(guo)仿生結(jie)構設計(ji)實現(xian)了(le)超(chao)高(gao)蒸發效率(lv)和(he)長(chang)期(qi)室(shi)外(wai)抗鹽(yan)能力。該(gai)蒸發器采(cai)用多壁碳納(na)米管(guan)復(fu)合樹(shu)脂(zhi)材(cai)料(liao)，並結合摩方精(jing)密(mi)面投(tou)影(ying)微立體光刻(ke)（PμSL）技(ji)術制造，在(zai)20 wt%高(gao)鹽度(du)海水(shui)中可持(chi)續(xu)運行200小時以(yi)上，蒸發速(su)率高(gao)達(da)2.54 kg·m⁻²·h⁻¹，太(tai)陽(yang)能熱(re)效率(lv)達(da)94.1%。該研(yan)究以(yi)“Bamboo shoot inspired ultra-high conical porous evaporator for desalination of seawater with high salinity"為(wei)題(ti)，發表在(zai)國(guo)際著名期(qi)刊(kan)在(zai)《Chemical Engineering Journal》上(shang)。

研(yan)究團(tuan)隊從(cong)竹(zhu)筍(sun)的獨特(te)結構中(zhong)汲取靈(ling)感(gan)。竹(zhu)筍(sun)內部的垂(chui)直(zhi)微(wei)通道(dao)和表面微(wei)孔能(neng)夠通過(guo)毛(mao)細效應(ying)高(gao)效提(ti)升水(shui)分，同(tong)時其(qi)錐(zhui)形結構有(you)助(zhu)於分散(san)應(ying)力。仿照(zhao)這壹(yi)特(te)性，BSCPE設計(ji)了(le)內(nei)部微間隙和(he)表面橫向(xiang)階梯狀紋理，不(bu)僅實現(xian)了(le)液體的快(kuai)速(su)輸(shu)送，還(hai)通(tong)過(guo)擴(kuo)大(da)蒸發面積(ji)提(ti)升了(le)效(xiao)率。蒸發器的(de)材(cai)料(liao)以(yi)多壁碳納(na)米管(guan)為(wei)核心光(guang)熱(re)成分(fen)，均勻(yun)分散(san)於紫外(wai)光固化丙烯(xi)酸(suan)酯(zhi)樹(shu)脂(zhi)中(zhong)，形成了(le)吸(xi)光率(lv)超過(guo)94%的(de)復(fu)合光(guang)熱(re)樹(shu)脂(zhi)。這(zhe)種(zhong)材(cai)料(liao)在(zai)太(tai)陽(yang)能照(zhao)射下可(ke)高(gao)效轉化為(wei)熱(re)能，為(wei)蒸發過(guo)程(cheng)提(ti)供(gong)持(chi)續(xu)動(dong)力。

研(yan)究人(ren)員采用摩方精(jing)密(mi)nanoArch^® S140（精(jing)度(du)：10 μm）打印(yin)出蒸發器結(jie)構。經(jing)過(guo)乙醇(chun)清洗(xi)和(he)氧(yang)等(deng)離(li)子體處(chu)理，蒸發器表面親(qin)水(shui)性顯著(zhu)增強(qiang)，為(wei)毛(mao)細效應(ying)奠(dian)定(ding)了(le)基(ji)礎(chu)。這(zhe)種(zhong)高(gao)精度(du)制造技(ji)術不(bu)僅保(bao)證(zheng)了(le)結(jie)構的(de)機械耐(nai)久(jiu)性(xing)，還(hai)實現(xian)了(le)仿生設計(ji)的(de)規模化制備。

圖(tu)1. 仿生錐(zhui)形多孔蒸發器的(de)特(te)性描(miao)述。

BSCPE的核心優(you)勢(shi)在(zai)於其微(wei)流體性能與熱(re)管(guan)理的(de)協同(tong)作用。毛(mao)細效應(ying)驅動(dong)液體在(zai)微(wei)間(jian)隙中(zhong)上升(sheng)至(zhi)126.0 mm的高(gao)度(du)，為(wei)蒸發過(guo)程(cheng)提(ti)供(gong)了(le)連(lian)續水(shui)源(yuan)。根據楊-拉(la)普拉斯方程(cheng)，微孔中(zhong)的(de)彎液面產(chan)生(sheng)向(xiang)上(shang)拉力，與液體重力平(ping)衡時達(da)到(dao)最大(da)提(ti)升高(gao)度(du)。較(jiao)小(xiao)的(de)孔徑(jing)（200–600 μm）可加速(su)液體上升，而(er)表面橫向(xiang)紋理則通(tong)過(guo)潤滑理論(lun)促(cu)進液膜橫向(xiang)擴(kuo)散(san)，避(bi)免(mian)破(po)裂(lie)並擴(kuo)大(da)蒸發面積(ji)。與此(ci)同(tong)時，蒸發器的(de)三(san)維(wei)錐形結構導(dao)致溫(wen)度(du)分(fen)布(bu)不(bu)均(jun)：頂(ding)部溫(wen)度(du)較(jiao)高(gao)，形成溫(wen)度(du)梯度(du)誘導(dao)的(de)Marangoni對(dui)流。這種(zhong)對(dui)流使(shi)高(gao)鹽度(du)液體從(cong)頂部(bu)高(gao)溫(wen)區(qu)流向(xiang)底(di)部低(di)溫(wen)區(qu)，與毛(mao)細補(bu)給協同(tong)抑(yi)制鹽結(jie)晶(jing)。

圖(tu)2. 液體提(ti)升和液體膜的形成。

蒸發效率(lv)的(de)提(ti)升得(de)益(yi)於液體表面壓(ya)力的(de)降(jiang)低(di)。根據開(kai)爾文方程(cheng)，毛(mao)細作用使(shi)液體內部壓(ya)力下(xia)降(jiang)，增加了(le)水(shui)分子從(cong)液相向(xiang)氣(qi)相(xiang)傳質(zhi)的(de)驅(qu)動力(li)。實驗(yan)表明(ming)，BSCPE在(zai)單太(tai)陽(yang)光照(zhao)下（1000 W m⁻²），高(gao)度(du)為(wei)150.0 mm時蒸發速(su)率達(da)2.54 kg·m⁻²·h⁻¹。此(ci)外(wai)，溫(wen)度(du)梯度(du)還(hai)使(shi)蒸發器在(zai)夜間能(neng)從(cong)環(huan)境(jing)中吸(xi)收能(neng)量，進壹(yi)步(bu)維(wei)持(chi)蒸發過(guo)程(cheng)。

圖(tu)3. 溫(wen)度(du)場(chang)與蒸發速(su)率。

鹽(yan)排斥性能方面，BSCPE在(zai)20 wt%高(gao)鹽度(du)水(shui)和兩倍(bei)太(tai)陽(yang)光照(zhao)下仍(reng)能(neng)穩(wen)定(ding)運行(xing)，鹽(yan)結(jie)晶(jing)可在(zai)夜間通(tong)過(guo)液體上升重新溶解，實現(xian)了(le)自(zi)清潔功能。在(zai)應(ying)用驗證(zheng)中，研(yan)究團(tuan)隊構建(jian)了(le)BSCPE陣(zhen)列(lie)戶外淡化裝置。使(shi)用浙江海域(yu)海水(shui)晶(jing)體模擬(ni)溶液，連續7天(tian)每(mei)天(tian)8小(xiao)時(shi)測(ce)試顯(xian)示(shi)，凈化速(su)率穩(wen)定(ding)在(zai)約1.72 kg·m⁻²·h⁻¹，產水(shui)鹽度(du)低(di)於1.5 mg·L⁻¹，符合世界(jie)衛生(sheng)組(zu)織飲(yin)用水(shui)標準(zhun)。離(li)子濃(nong)度(du)分(fen)析(xi)表明(ming)，該蒸發器能(neng)有(you)效(xiao)去(qu)除Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺等(deng)金屬(shu)離(li)子，初始(shi)10 wt%溶液處(chu)理後離(li)子濃(nong)度(du)降(jiang)至(zhi)1.3 mg·L⁻¹以下(xia)。同(tong)時，對(dui)有(you)色溶液的凈化實驗(yan)證(zheng)實其(qi)可(ke)脫(tuo)色，凸顯了(le)多功(gong)能(neng)水(shui)處(chu)理潛(qian)力(li)。

圖(tu)4. 耐鹽(yan)性和(he)水(shui)凈化。

圖(tu)5. 仿生錐(zhui)形多孔蒸發器的(de)長(chang)期(qi)脫(tuo)鹽處(chu)理。

總(zong)結(jie)：竹(zhu)筍(sun)啟發的錐(zhui)形多孔蒸發器通(tong)過(guo)仿生結(jie)構設計(ji)、先(xian)進材(cai)料(liao)與高(gao)精度(du)3D打印(yin)技(ji)術的(de)融合(he)，解決了(le)高(gao)鹽度(du)海水(shui)淡化中的鹽結(jie)晶(jing)和效(xiao)率瓶(ping)頸。未(wei)來(lai)，該技(ji)術有(you)望(wang)應(ying)用於沿海地(di)區(qu)或(huo)工業(ye)廢水(shui)處(chu)理，為(wei)可持(chi)續水(shui)資(zi)源(yuan)供(gong)應(ying)提(ti)供(gong)新(xin)路(lu)徑(jing)。研(yan)究團(tuan)隊計(ji)劃(hua)進壹(yi)步(bu)優(you)化結構以(yi)提(ti)升能效，並探索低(di)成本(ben)量(liang)產方案(an)，推(tui)動太(tai)陽(yang)能淡化的實際應(ying)用。