太阳能驱动界面蒸发（SIE）因其能够高效利用太阳能生产淡水，被认为是缓解淡水短缺最有前景的技术之一。此外，太阳能蒸发器在处理高浓度含盐废水方面具有独特的优势。蒸发过程仅产生盐晶体作为副产品，从而实现零液体排放。然而，蒸发器内盐分的积累会阻碍光吸收并影响蒸汽逸出，最终导致蒸发器蒸发性能下降甚至失效。
为了缓解这一问题，有研究者提出了“盐循环”策略。即为溶液设计循环路径，使盐离子流回卤水中，从而防止盐在蒸发器表面结晶，实现持续稳定的蒸发。然而，这种方法会导致溶液的盐度升高，盐结晶的问题仍然无法避免。
另一种解决方案是“盐析”策略。即通过调控结构，使盐优先在非蒸发区结晶，从而降低盐结晶对蒸发性能的影响，实现盐和淡水的同时收集。然而，“盐析”策略在实际应用中仍面临一些严峻的挑战。
首先，一维盐水输送限制了吸收能力，显著降低了总蒸发速率。其次，盐结晶策略需要定期清除盐晶体，而盐晶体由于粘附性强，很难从蒸发器表面自动脱落。如果沉积的盐不能及时清除，蒸发性能必然会降低。此外，许多高效太阳能蒸发器需要危险或耗时的制备工艺，例如高压、低真空或高温热处理。
因此，开发一种耐用的太阳能蒸发器，通过简单的制备工艺实现长期、高效、稳定的水蒸发和盐收集，实现零液体排放海水淡化，是一个尚未实现的科学目标。
基于以上挑战，山东第一医科大学科研团队制备了一种三维梯度石墨烯螺旋气凝胶蒸发器，可实现高浓度盐水的高效太阳能蒸发，并实现零液体排放。
为了满足太阳能蒸发器在高效太阳能吸收、充分的能量利用、优异的抗盐性能以及长期稳定性方面的严苛要求，项目设计主要围绕以下四个重点：
专注于结构设计和化学稳定性增强
蒸发器需要具有牢固的网络结构和化学稳定性，这对于实现长期、高效、稳定的太阳能海水淡化至关重要。因此，他们选择低成本、超亲水性、高孔隙率和高回弹性的三聚氰胺泡沫作为太阳能蒸发器的支撑骨架。
随后，研究了以三聚氰胺泡沫为骨架的石墨烯气凝胶在压缩、弯曲、拉伸等多种模式下的力学性能，以全面评估其力学性能。
为了进一步验证其在实际应用条件下的坚固性和耐用性，研究团队进行了多种极端条件下的试验。
具体来说，他们将样品在空气和水中反复弯曲 20 次，将其浸泡在酸性和碱性溶液中，并将其置于高温和超声波搅拌等恶劣环境中。
经过这些严格的测试，他们发现样品的外观和微观结构没有发生明显变化，充分证明了其优异的耐久性和结构稳定性。
专注于制造流程的简化和经济改进
为了实现蒸发器制造过程的简单性和经济性，并避免使用昂贵的设备，他们设计了以下准备步骤：
第一步是热压
研究团队利用热压技术，对不同厚度的三聚氰胺泡沫进行压缩，得到厚度为1mm的预压三聚氰胺薄膜。
在此过程中，随着样品原始厚度与最终压缩厚度的比值增加，预压三聚氰胺薄膜的孔径从150 μm精细调节至 20 μm，形成独特的三维梯度网络结构。
第二步是表面喷涂
使用喷雾瓶将氧化石墨烯悬浮液均匀喷涂在预压三聚氰胺薄膜表面。实现了氧化石墨烯在薄膜中的均匀分布，为后续的太阳能还原奠定了基础。
第三步，常压干燥
喷涂完成后，他们将薄膜直接放置在空气中自然风干，避免了冷冻干燥、超临界干燥、溶剂置换等复杂、耗时耗能的制备工艺。
第四步是减少阳光
即用放大镜将太阳光聚焦到样品上，在紫外线的作用下，样品表面的颜色很快由棕色变为黑色，表明氧化石墨烯已成功还原为还原氧化石墨烯。
这种太阳能还原方法不仅操作简单、环境友好，而且不需要使用化学还原剂或高温热还原工艺，大大降低了生产成本和环境污染。
专注于高效太阳能吸收和最大限度减少能量损失
太阳能蒸发器不仅必须吸收各种太阳能并将其转化为热能，还必须最大限度地减少漫反射和热辐射造成的能量损失，并从环境中捕获额外的能量。太阳能界面处的蒸发过程由三个能量通量控制：太阳能输入、蒸发能量输出以及耗散到环境中的能量。
传统的二维太阳能蒸发器由于与周围环境的热交换存在能量耗散问题，难以达到理想的100%太阳能-蒸汽转化效率。相比之下，三维太阳能蒸发器可以突破太阳能-蒸汽转化效率的理论极限。
为了减少三维样品上表面漫反射和热辐射造成的能量损失，该团队设计了一种三维螺旋凹面石墨烯气凝胶。
该结构不仅具有较高的吸收率和较低的反射率，而且其侧壁还能够吸收环境热量和从底部漫反射的热量，从而实现有效的能量回收。
重点关注耐盐性优化和盐结晶管理
即通过设计独特的输送通道，促进盐水的径向输送，从而实现盐的定向结晶。该设计不仅有效防止了盐在蒸发器表面的沉积和堵塞，还实现了盐的有效收集和利用，从而显著提高海水淡化过程的效率和可持续性。
具体而言，他们设计并制备了一种基于预压三聚氰胺多孔膜的三维梯度石墨烯网络结构。这种内部稀疏、外部致密的梯度石墨烯网络能够形成径向毛细力差，从而促进盐水的径向输送。随着蒸汽的持续产生，盐水的径向流动会增加外表面区域的盐水浓度，使盐分在外表面而非内表面定向结晶。这种设计确保了蒸发器内表面保持足够的蒸发面积，从而实现高效稳定的太阳能蒸发。
值得一提的是，该蒸发器利用其整个外表面进行盐结晶，使得结晶面积比其他定向结晶蒸发器大得多。
盐晶主要由排列松散的盐晶体组成，具有丰富的孔隙，有利于卤水的输送和蒸汽的释放。
此外，由于蒸发冷却效应，盐层表面温度低于环境温度，这一特性使蒸发器能够从环境中吸收更多能量，进一步提高蒸发性能。
文章来源：Deep Tech
课题组：山东第一医科大学团队课题组
本文引用自：https://www.163.com/dy/article/J1RENDEH05119734.html
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