朱嘉教授课题组在光-蒸汽转化领域取得新进展：仿生睡莲叶结构用于高效稳定的高浓污水处理- 大数跨境

朱嘉教授课题组在光-蒸汽转化领域取得新进展：仿生睡莲叶结构用于高效稳定的高浓污水处理

两江科技评论

2019-07-12

导读：南京大学朱嘉教授课题组在光-蒸汽转化领域取得新进展，研究开发了一种仿生睡莲叶的多级结构器件，可用于高效处理高浓盐水、污水，从而实现水处理领域一直追求的目标，完整固液分离即“零排放”。

导读

南京大学朱嘉教授课题组在光-蒸汽转化领域取得新进展，研究开发了一种仿生睡莲叶的多级结构器件，可用于高效处理高浓盐水、污水，从而实现水处理领域一直追求的目标：完整固液分离即“零排放”。该工作以《A Water-lily-inspired Hierarchical Design for Stable and Efficient Solar Evaporation of High Salinity Brine》为题发表在Science Advance上 (DOI: 10.1126/sciadv.aaw7013) 。

研究背景

伴随着人口迅速增长和日益严重的水污染问题，如何缓解水资源短缺压力、有效处理废水已成为全球亟需解决的问题。人们发展了诸多水处理技术，以缓解这些问题，如反式渗透膜、超滤膜技术等。然而目前对于处理高浓盐水（大于7%盐度）或者污水依旧未有高效廉价的方法。对于被广泛使用的膜处理技术而言，高浓盐水、污水的处理过程对膜的损伤极大；浓缩/结晶法需消耗大量能量。因此，寻找新的高效、稳定、廉价的处理高浓海水、污水的方法是当前备受关注的议题之一。近几年来，界面太阳能蒸汽技术由于其低碳环保，无需额外能量输入等特点，给海水淡化、污水处理提供了新的可能。然而，在处理高浓盐水、污水过程中，器件结盐结垢问题严重，这会严重遮挡太阳光的吸收、阻碍水的充足供应，使得光热转化效率衰减迅速，甚至导致器件的失效。

针对这一问题，朱嘉教授课题组受睡莲叶片结构启发，设计了一种多级结构（Water-lily-inspired Hierarchical Structure, WHS）的光热-蒸汽转化器件，在处理10 wt%的高浓盐水和30 wt%的污水时，可实现80%的光热转化效率。更值得一提的是，在处理高浓盐水和污水直至蒸发完全（留下盐固体或者溶质固体）的过程中，光热转化效率并未出现明显的下降，且表面依旧可以保持洁净。

创新研究

如图1A, B所见，自然界中的睡莲叶片有着十分有趣的结构。首先叶片的表面可以吸收太阳光，且其上分布着充足的用来逸散蒸汽的气孔；同时它的表面是疏水的，能够有效的自清洁。其次，睡莲叶片内部由许多空心腔室，使得整个叶片可以自然的漂浮于水面之上。最后，睡莲叶片和细长的根茎相连，可以通过根茎给整个叶片提供充足的水供应。

图1. 受睡莲叶启发的多级结构（WHS）器件设计图。A和B分别是睡莲叶和WHS器件的示意图。它们有着共同的特点：疏水上表层吸收太阳光，并为蒸汽逸散提供气孔；叶片内的气体腔室可以提供更大浮力让叶片漂浮；根茎可以提供局域的水通道，减少传导热损失。C展示了薄层水夹于吸收体和底座之间的微米级示意图。D图展示了吸收体上的纳米结构对于光吸收的影响。E图展示了吸收体表面分子链尺度的修饰，使样品表面疏水。

研究团队设计的WHS器件包括了一个顶部的太阳光吸收体和一个底座，它们和睡莲叶片有着相似的特性（图1B）。如图1C所示，顶部的吸收体和睡莲叶的表面一般，具有丰富的微米孔道结构，像人工“气孔”一般，给蒸汽提供有效逸散的孔道。吸收体表面有许多纳米级的突起（图1D），可以有效地捕获太阳光，同时也为表面的疏水特性提供结构基础 (1E)。仿照叶片内的腔室结构，研究者在泡沫铜下方安装了一个带孔道的聚苯乙烯底座，使得整个装置可以漂浮在水上。聚苯乙烯底座具有很低的热导（<0.04 W m^-1 K^-1）,可以抑制热向水体的扩散，最后如同睡莲叶片的根茎一样，采用准一维的通道（聚苯乙烯底座内的局域的孔道）进行水供应。

当WHS器件处理盐水和污水时，水会从底座中的孔道进入。由于顶层的吸收体两面是疏水的，水不会进入吸收体的内部，而是会夹在吸收体和底座中的薄层空间内。这一层薄层的水是实现稳定、高效地处理浓盐水的关键。太阳能被吸收体吸收转化为热能后局域在薄水层中，实现如同界面加热一般高效的光热-蒸汽转化。同时，由于蒸发发生在顶部吸收体的下表面，随着水的蒸发，盐和溶质不会在上表面析出，而是向下排出，通过底座的孔道扩散到底部的块体水中。

研究团队对此WHS器件进行光-蒸汽转化的性能测试。对于纯水，10 wt%盐水，30 wt%的污水，WHS器件分别有着79.8%，78.5% 和77.2%的光热转化效率，及 1.31 kg m^-2 h^-¹, 1.28 kg m^-2 h^-1和 1.27 kg m^-2 h^-1 的蒸汽产出量。在处理10 wt%浓盐水过程中，研究者将其与传统吸收体进行对比实验。在一个太阳下，利用WHS器件进行水处理，器件表面可持续保持洁净（图2A上），且其蒸发量一直保持在持续较高的水平（图2B）。而对于传统吸收体，盐逐渐在表面析出（图2A下），阻碍了太阳光的吸收，故而其蒸发量亦逐渐下降（图2B）。而在相同条件下，通过计算可得，WHS器件8小时内的平均蒸发量是1.39 kg m^-2 h^-1，比传统吸收体的平均蒸发量，0.97 kg m^-² h^-1高出约1.4倍。

图2 . WHS器件和传统吸收体在处理盐水（起始浓度为10 wt%）的表面光学照片A) 及水蒸发性能曲线B)。

WHS器件在处理盐水或者污水时，能实现固液体的完全分离。如图3A和3B所示，当WHS器件漂浮在盐水（污水）表面时，随着水逐渐蒸发，WHS器件逐步下移，直至将水完全蒸发留下盐或者溶质。值得一提的是，在此过程中，WHS器件表现出持续稳定的水蒸发效率，且表面并未有污染（盐或溶质的析出）。此过程中WHS器件表面照片展示在图3A和3B中的第二列插图处。当水完全蒸发后，留下的盐或溶质可以很容易被取出，如图3A和3B的右下角插图所示。

图3.稳定且高效的光热蒸汽转化（实现水和溶质的分离）。A和B分别为太阳能海水淡化和污水处理时每一天的蒸发效率。其中的插图第一和第二行分别为样品每天工作时的侧视和俯视图。最右侧一列是在完全的固液分离后收集的盐和金属溶质样品。

END

本文受睡莲叶片结构的启发，设计了一种多级的光热转化器件：WHS器件。它在海水淡化和污水处理（甚至是高浓盐水或污水）的过程中可以保持长期稳定的高蒸发量和高光热-蒸汽转化效率。更值得一提的是，它在水处理过程中可以实现完全的固液分离，将水完全蒸发，留下固体溶质，而此过程中，器件表面并未有任何污染（没有盐或溶质的析出）。可以预期的是：WHS器件不仅可以用来稳定高效地处理高浓盐水/污水，并且在产盐、回收重金属方面也具有很大的应用前景。

朱嘉教授课题组14级毕业生徐凝以及16级毕业生李金磊为文章共同第一作者，现工院朱嘉教授为论文的通讯作者，并得到了南京大学祝世宁院士的指导与支持。该研究得到了固体微结构国家实验室（筹）微加工中心的技术支持，和国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项基金项目的资助。