太陽能驅動界面蒸發（SIE）因其能夠有效利用太陽能生產淡水，被認為是緩解淡水短缺最有前景的技術之一。此外，太陽能蒸發器在處理高濃度含鹽廢水方面具有獨特的優勢。蒸發過程僅產生鹽晶體作為副產品，從而實現零液體排放。然而，蒸發器內鹽分的累積會阻礙光吸收並影響蒸氣逸出，最終導致蒸發器蒸發性能下降甚至失效。
為了緩解這個問題，有研究者提出了「鹽循環」策略。即給溶液設計一個循環路徑，讓鹽離子流回鹽水中，從而防止鹽在蒸發表面結晶，從而實現連續穩定的蒸發。但這種方法會造成溶液的鹽度升高，鹽結晶的問題仍無法避免。
另一個解決方案是「鹽析」策略。即透過結構調控，使鹽優先在非蒸發區結晶，從而減少鹽結晶對蒸發性能的影響，實現鹽和淡水的同時收集。然而，「鹽析」策略在實際應用上仍面臨一些嚴峻的挑戰。
首先，一維鹽水輸送限制了吸收能力，顯著降低了總蒸發率。其次，鹽結晶策略需要定期清除鹽晶體，由於鹽晶體的黏著性很強，很難從蒸發器表面自動脫落。如果不及時清除沉積的鹽分，必然會降低蒸發性能。此外，許多高效能太陽能蒸發器需要危險或耗時的準備過程，例如高壓、低真空或高溫熱處理。
因此，開發一種耐用的太陽能蒸發器，透過簡單的製備過程實現長期、高效、穩定的水蒸發和鹽收集，實現零液體排放海水淡化，是一個尚未實現的科學目標。
基於上述挑戰，山東第一醫科大學科學研究團隊製備了一種三維梯度石墨烯螺旋氣凝膠蒸發器，可實現高濃度鹽水的高效能太陽能蒸發，並實現零液體排放。
為了滿足太陽能蒸發器在高效能太陽能吸收、充分能量利用、優異的抗鹽性能以及長期穩定性方面的嚴苛要求，專案設計主要圍繞以下四個重點：
專注於結構設計和化學穩定性增強
蒸發器需要具有強大的網路結構和化學穩定性，這對於實現長期、高效、穩定的太陽能海水淡化至關重要。因此，他們選擇低成本、超親水性、高孔隙率和高回彈性的三聚氰胺泡棉作為太陽能蒸發器的支撐骨架。
隨後，他們研究了以三聚氰胺泡沫為骨架的石墨烯氣凝膠在壓縮、彎曲、拉伸等多種模式下的機械性能，以全面評估其機械性能。
為了進一步驗證其在實際應用條件下的堅固性和耐用性，研究團隊進行了多種極端條件下的試驗。
具體來說，他們將樣品在空氣和水中反覆彎曲 20 次，將其浸泡在酸性和鹼性溶液中，並將其置於高溫和超音波攪拌等惡劣環境中。
經過這些嚴格的測試，他們發現樣品的外觀和微觀結構沒有明顯變化，充分證明了其優異的耐久性和結構穩定性。
專注於製造流程的簡化和經濟改進
為了實現蒸發器製造過程的簡單性和經濟性，並避免使用昂貴的設備，他們設計了以下準備步驟：
第一步是熱壓
研究團隊利用熱壓技術，對不同厚度的三聚氰胺泡棉進行壓縮，得到厚度1mm的預壓三聚氰胺薄膜。
在此過程中，隨著樣品原始厚度與最終壓縮厚度的比值增加，預壓三聚氰胺薄膜的孔徑從150 μm精細調節至 20 μm，形成獨特的三維梯度網絡結構。
第二步是表面噴塗
使用噴霧瓶將氧化石墨烯懸浮液均勻噴塗在預壓三聚氰胺薄膜表面。實現了氧化石墨烯在薄膜中的均勻分佈，為後續的太陽能還原奠定了基礎。
第三步，常壓乾燥
噴塗後，他們將薄膜直接放在空氣中自然風乾。此步驟避免了冷凍乾燥、超臨界乾燥、溶劑置換等複雜、耗時耗能的製備過程。
第四步是減少陽光
即用放大鏡將陽光聚焦到樣品上。在紫外線的作用下，樣品表面的顏色迅速由棕色變為黑色，顯示氧化石墨烯已成功還原為還原氧化石墨烯。
這種太陽能還原方法不僅操作簡單、環境友好，而且不需要使用化學還原劑或高溫熱還原工藝，大大降低了生產成本和環境污染。
專注於高效能太陽能吸收和最大限度減少能量損失
太陽能蒸發器不僅要吸收各種太陽能並將其轉化為熱能，還要最大限度地減少漫反射和熱輻射造成的能量損失，並從環境中捕獲額外的能量。太陽界面處的蒸發過程由三個能量通量控制：太陽能輸入、蒸發能量輸出和耗散到環境中的能量。
不幸的是，傳統的二維太陽能蒸發器由於與周圍環境的熱交換而面臨能量耗散問題，難以實現理想的 100% 太陽能到蒸汽的轉換效率。相較之下，三維太陽能蒸發器可以突破太陽能到蒸汽轉換效率的理論極限。
為了減少三維樣品上表面漫反射和熱輻射造成的能量損失，團隊設計了一種三維螺旋凹面石墨烯氣凝膠。
該結構不僅具有較高的吸收率和較低的反射率，其側壁還能夠吸收環境熱量和從底部漫反射的熱量，從而實現有效的能量回收。
重點關注耐鹽性優化和鹽結晶管理
那是;透過設計獨特的輸送通道，促進鹽水的徑向輸送，從而實現鹽的定向結晶。這種設計不僅有效防止了鹽在蒸發器表面的沉積和堵塞，而且實現了鹽的有效收集和利用，從而顯著提高了海水淡化過程的效率和可持續性。
具體而言，他們設計並製備了一種基於預壓三聚氰胺多孔膜的三維梯度石墨烯網絡結構。這種內部稀疏、外部緻密的梯度石墨烯網絡能夠形成徑向毛細力差，從而促進鹽水的徑向輸送。隨著蒸氣的持續產生，鹽水的徑向流動會增加外表面區域的鹽水濃度，使鹽分在外表面而非內表面定向結晶。這種設計確保了蒸發器內表面保持足夠的蒸發面積，從而實現高效穩定的太陽能蒸發。
值得一提的是，此蒸發器利用其整個外表面進行鹽結晶，使得結晶面積比其他定向結晶蒸發器大得多。
鹽晶主要由排列鬆散的鹽晶體組成，具有豐富的孔隙，有利於鹵水的輸送和蒸汽的釋放。
此外，由於蒸發冷卻效應，鹽層表面溫度低於環境溫度。此特性使蒸發器能夠從環境中吸收更多的能量，進一步提高蒸發性能。
文章來源：Deep Tech
主題組：山東第一醫科大學團隊主題組
本文引自：https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html
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