JMCA：陕科大宋浩杰教授/南京大学唐少春教授受木材启发设计仿生双峰太阳能驱动蒸发器及高效持久净化高盐度废水应用

邃瞳科学云

2023-01-19

导读：本文通过冰模板自组装工艺制备了CNFs/PVA/MXene超轻仿生结构的泡沫，并构建了具有双峰多孔结构、低汽化焓、出色结构稳定性和强大抗盐能力的WBE器件。

第一作者：陈玉

通讯作者：唐少春*，宋浩杰*，杨进*

通讯单位：陕西科技大学，南京大学

研究背景

太阳能驱动界面蒸发技术，在高盐度废水的节能净化方面具有巨大的应用潜力。然而，优异抗盐性往往导致低蒸发率，在保证太阳能蒸发器抗盐性能的同时获得超高水蒸发效率长期以来两者难以同时兼得，这限制了太阳能蒸发器的实际应用。因此，发展具有高蒸发、高抗盐性和长期稳定性的新型太阳能蒸发器有重要意义。

从天然微纳结构获得启发，仿生工程材料的设计与制备为高性能太阳能蒸发器的研发提供了新的思路。巴沙木是一种具有天然双峰多孔结构和水平射线单元的生物质材料，由纤维素、半纤维素和木质素组成，其结构已被证明具有优异的动态抗盐能力。然而，受到木材细胞壁表面的疏水聚合物和微孔边缘效应影响，巴沙木中水的汽化能量增大。因此，设计具有高水合网络的双峰结构蒸发器，有望打破水蒸发和抗盐性难以同时兼顾的问题，为高盐度废水高效持久净化提供一种有效的解决方案。

文章简介

近日，陕西科技大学宋浩杰教授团队和南京大学唐少春教授团队合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A 上发表了题为“Wood-Inspired Bimodal Solar-Driven Evaporator for Highly Efficient and Durable Purification of High-Salinity Wastewater”的学术论文，南京大学在读博士一年级学生陈玉为该论文的第一作者，宋浩杰教授、杨进副教授、唐少春教授为该论文的共同通讯作者。

受天然巴沙木的茎叶结构及蒸腾作用启发，通过冰模板法制备了一种具有垂直排列微通道及均匀分布在细胞壁两侧的微气管和凹坑的超轻泡沫状木材，其在高盐度盐水中展现出同时具有高蒸发量和持久自排盐量的效果。基于该超轻仿生结构的木材，设计制备了一种双模蒸发器（WBE），其在1个太阳光强度下实现了超高水蒸发能力（3.02 kg m^-2 h^-1和长期耐盐性（20wt%盐水中连续浸渍100小时）。特别是，双峰设计赋予了WBE器件突出的长效稳定性和可靠性，即使在80%的变形下重复压缩1000次，WBE器件仍然能够应用于高盐度废水的高效持久净化工程。

本文要点

一、WBE的制备过程示意图及微观结构表征

图1: (a) WBE的构造及制备过程，(b) WBE的超轻特性，以及（c）WBE规模化制造潜力。WBE的俯视SEM图显示了设想中的双峰结构，包括(d)微通道和(e)细胞壁上的微气管。WBE的侧视SEM图显示 (f) 垂直排列的微通道，(g) 均匀分布在细胞壁两侧的微气管和凹坑。(h) 血管通道和气管的大小分布。(i) 双峰结构中盐的动态稀释过程示意图。

二、WBE构造设计提高热管理和降低水汽化焓

由于局部表面等离子体共振（LSPR）效应和太阳光的多重散射，MXenes的加入使能吸收层材料在300-2500 nm范围内具有宽带光吸收（>90%），且MXenes分层使WBE太阳吸收器和水扩散器在湿态下的热导率分别达到0.24和0.62 W m^-1 k^-1。太阳能吸收层为WBE提供了高效太阳能转换，并促进水分的快速蒸发，而底部具有低导热性的水扩散层限制了不必要的能量消耗，并确保热定位效应以及增强界面水蒸气的生成。Raman光谱、DSC测量和暗室蒸发测试结果表明，WBE将纯水的汽化焓从2436.4降低到了1203.8 J g^-1。基于优异的光热转换、热定位效应和快速水传输，WBE器件在1个太阳照射下蒸发率达到了3.02 kg m^-2h^-1，蒸发效率高达91.8%，优于报道的大多数太阳能蒸发器。

图2. (a) WBE的太阳能吸收能测试；(b) WBE湿态下太阳能吸收层和水扩散层的热传导率；(c) 蒸发装置的照片以及WBE系统在一个太阳照射下0、10和30分钟的相应红外图像；(d) COMSOL模拟的WBE模型的温度分布；(e) WBE的水化双峰多孔网络中的水分子示意图；(f) 拉曼光谱的高斯拟合曲线显示WBE中IW和FW的相对含量；(g) 纯水和WBE中的水的DSC曲线和汽化焓值；(h) 太阳照射下WBE和纯水的质量变化；(i) WBE和其他报道的蒸发器的蒸发性能比较。

图3. WBE的太阳能蒸发性能。(a) WBE的蒸发过程示意图和相应的顶视SEM图像。(b) WBE-1的顶视SEM图像，以及(c)尺寸分布。(d) WBE-2的顶视SEM图像。(e) WBE、WBE-1和WBE-2的密度和孔隙率光谱。(f) WBE、WBE-1和WBE-2的汽化焓和IW/FW比 (g) 水、WBE、WBE-1和WBE-2在1个太阳照射下1小时内的蒸发率和（h）效率。

三、WBE的双峰结构提高动态盐交换能力和抗盐性能

得益于独特的双峰结构和超高蒸发性能，WBE在太阳能海水淡化和高盐度废水净化方面具有巨大应用和应用潜力。在1个太阳照射下，WBE针对高盐度盐水（20wt%NaCl溶液），经过连续照射100小时后，WBE表面没有盐结晶析出，而在聚苯乙烯泡沫表面只观察到一部分盐结晶。这说明WBE能合理调节盐流的交换途径，防止盐在蒸发界面析出。通过跟踪WBE在盐水中随时间变化的蒸汽性能，设计的双峰蒸发器在连续运行100小时表现出稳定的蒸发率（大约为2.48 kg m^-2 h^-1）。

图4. WBE的抗盐机制分析。(a) 基于微孔边缘效应的水分子水化效应。(b) WBE的盐度分布的数值模拟和(c)其盐离子扩散过程的示意图。(d) 不同孔径的微通道和微气管的毛细管泵。(e) WBE模型的盐水输送和对流速度的数值模拟。(f) WBE双峰结构中多方向盐离子交换的示意图。

四、WBE的结构稳定性和各种污水纯化能力

机械强度和结构稳定性是太阳能蒸发器在盐水中长效运行的关键。压缩试验显示，经过1000次压缩后，WBE器件几乎保持了原有的细胞壁骨架和双峰多孔结构，这使WBE能在动态环境中长期大规模应用，如海洋、水库、坑湖和污水池，等，拓宽了WBE的应用场景。

我们将不同类型的污水（人工海水、酸、碱水、MO、MB溶液和生活用水等）分别用来验证WBE作为太阳能蒸发器的实际净化性能。测试结果表明，净化处理后的污水均达到了世界卫生组织（WHO），美国环境保护署（EPA）和中国国家标准规定的纯水安全水平。利用自制的太阳能蒸发集水装置，在室外环境中测得WBE系统平均每小时净化水产量为2.4L m^-2 h^-1。因此，这种高效便携的蒸发系统适用于户外救援。

图5. (a) 连续工作100小时前后WBE的压缩σ-ε曲线和照片。(b) WBE在1000次压缩循环测量时的压缩σ-ε曲线。(c) 在1000次循环压缩过程中，WBE的杨氏模量、最大应力和能量损失系数的变化。俯视SEM图（d）在1000次压缩前和（e）1000次压缩后。(f) 太阳照射下不同溶液中WBE的蒸发率和效率。(g) 人工海水、(h)MO和MB染料溶液净化前后的比较。(i) 室外条件下太阳强度和蒸发率随时间的变化。

总结与展望

本文通过冰模板自组装工艺制备了CNFs/PVA/MXene超轻仿生结构的泡沫，并构建了具有双峰多孔结构、低汽化焓、出色结构稳定性和强大抗盐能力的WBE器件。这些优势使WBE在1个太阳的照射下具有优异的蒸发性能（纯水中3.02 kgm^-2 h^-1）。柔性CNF的引入赋予WBE出色的结构稳定性，可以在人工海水中反复压缩1000多次而不影响其内部结构。特别是，由于独特的内部结构和细胞壁上相互连接的凹坑，WBE在高盐溶液（20wt%NaCl）中连续工作超过100小时后没有观察到盐的结晶。这项工作为打破传统拒盐设计，为高盐度废水高效持久净化提供一种有效解决方案。

该研究工作得到了国家自然科学基金和陕西省自然科学基金、江苏省科技厅重点研发计划项目、江苏省碳峰碳中和科技创新专项基金和中央高校基本科研业务费专项资金共同资助。