DOI：10.1016/j.desal.2024.117738
2024年5月，Desalination杂志在线发表了苏州大学方剑教授团队的最新研究成果。该工作报道了一种仿仙人掌海水淡化蒸发器。论文第一作者为博士研究生葛灿。水资源短缺已成为亟待解决的全球性问题。太阳能海水淡化（SSG）是一项通过海水淡化和冷凝来缓解水资源危机。然而，长期运行后盐分的积累会严重影响太阳能蒸汽发生器的稳定性和效率。常见的排盐方案仅适用于低盐度海水淡化。在这项工作中，受仙人掌捕雾功能的启发，大气集水（AWH）功能被一种交错编织纤维框架（IBFF）所集成。IBFF通过吸收水分，从而在高盐度（20wt%）海水淡化过程中实现可持续的盐分稀释。调节IBFF的编织绒圈密度/高度，以模仿不同结构的仙人掌根/刺，从而优化吸水/集湿性能。优异的水分诱导盐稀释能力确保了循环运行中高效和可持续的高盐度脱盐性能，在1太阳辐射下的异常蒸发速率高达3.11 kg·m-2·h-1。总的来说，这种新方法提供了持久和有竞争力的高盐度海水淡化的实际可能性，具有连续的水/湿度供应。
苏州大学方剑教授团队使用纺织材料为基底，通过编织技术开发了一种仿仙人掌海水淡化蒸发器，器件具有出色的海水淡化性能和稳定性，具体成果和分析如图所示。
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图1 IBFF蒸发器原理图。(a)仙人掌的自然供水、蒸腾和水分收集示意图。(b)集太阳能蒸汽产生和大气集水于一体的IBFF蒸发器概念示意图。(c)供水、光热转换和水分收集机制的概念示意图。图2 IBFF蒸发器的制造与结构表征。(a)原始Tencel、LiCl/Tencel和PPy/LiCl/Tencel的傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)光谱。(b)样品在200-2500 nm的紫外-可见-近红外吸收光谱。(c) CBY编织工艺示意图。(d)缠绕CBY的照片(比例尺:2 cm)。(e) CBY的局部图像(比例尺:500 μm)和(f)径向图像(比例尺:1 cm)。(g) CBY的力学性能试验。(h)光滑CBY(无绒圈)和CBY的应力-应变曲线。(i)由多个CBY编织的IBFF前视图和(j)俯视图的照片(比例尺:1 cm)。图3 IBFF蒸发器的SSG和脱盐性能。(a)不同绒圈密度的IBFF-Ts和(b)相应的CBY的照片。(c) IBFF-Ts的供水通量随时间的变化。(d) 1次太阳辐射下IBFF-Ts的湿态温度。(e) IBFF-T4在1次太阳辐射下的温度变化红外图像。(f) 1次太阳辐射下IBFF-Ts的蒸发质量变化。(g) IBFF-T4在1次太阳辐射下不同浓度盐水中长时间脱盐前后的表面形貌图4 IBFF蒸发器的AWH性能。(a)不同绒圈高度CBYs的IBFF-Hs照片。(b)单个IBFF-Hs束的投影面积和绒圈直径测量。(c) 25℃和不同RHs条件下IBFF-Hs的吸湿能力。(d)原位显微图像记录了IBFF-H4在室内条件下(25℃，70% RH)的吸湿过程。(e)照片记录了在20 wt%盐水中仅依靠亲水性平流扩散(无AWH)蒸发器稀释盐的过程。(f)照片和(g)显微图像记录了室内条件下IBFF-H4的盐稀释过程。图5 IBFF蒸发器的室外脱盐性能。(a)白天海水淡化和夜间吸湿引起的盐稀释过程示意图。在(b)中国苏州(120.82°E, 31.35°N)， (c)中国武汉(113.41°E, 29.58°N)， (d)中国杭州(120.35°E, 30.31°N)的20 wt%盐水中IBFF-T4室外温度、太阳强度、RH、凝结水质量和集湿量的记录。(E)中国苏州20 wt%盐水中IBFF-T4室外凝结水质量和集湿质量的记录。在这项工作中，提出了水分引起的盐稀释，以克服高浓度盐水下常规防盐方案的不连续性和低效率。受仙人掌的启发，通过优化绒圈密度和高度来优化供水和水分收集性能。由于亲水性底物和相互连接的水通道，实现了亲水平流扩散对低盐度盐的去除。在高盐度海水淡化过程中，可持续的盐稀释是在大气集水的帮助下实现的。其中，在1个太阳辐射下，IBFF蒸发器的蒸发速率高达3.11 kg·m-2·h-1。在高盐度脱盐过程中，通过收集周围的水分，IBFF经过一夜的水分稀释后变得干净和完整。与在20%的盐水中循环脱盐相比，每日冷凝质量仍然具有竞争力。在不同的城市和季节进行的室外实验验证了该蒸发器的适应性、耐久性和实用性。总体而言，受仙人掌启发的蒸发器具有水分诱导盐稀释能力，为高效和可持续的高盐度海水淡化铺平了新的道路。
方剑，苏州大学纺织与服装工程学院特聘教授，博士生导师。长期从事功能性纤维材料、柔性可穿戴智能纺织品、和高性能纺织品研究。入选第十五批“海外高层次人才计划”青年项目，2019年入选“姑苏创新领军人才”计划，2020年入选江苏省 “双创人才”。现任中国纺织工业联合会纺织行业智能纺织服装柔性器件重点实验室主任，中国纺织工程学会青年工作委员会委员，中国工程院院刊《Engineering》青年通讯专家，《Advanced Fiber Materials》和《eScience》青年编委。迄今已在Energy & Environmental Science, Advanced
Materials, Nature Communications, Nano Energy, Applied Catalysis B:
Environmental等国内外学术期刊发表文章90余篇。https://textile.suda.edu.cn/de/71/c6544a319089/page.htmCan Ge, Xianzhang Wu, Jiugang Li, Keshuai Liu, Duo Xu, Chong Gao,
Yingcun Liu, Ping Sun, Ze Chen, Jian Fang, Cactus-inspired moisture harvesting
for sustainable and efficient high salinity desalination, Desalination, Volume
583, 2024, 117738.https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.117738.北京泊菲莱科技有限公司创立于2006年，是集研发、生产、销售、服务于一体的国家级高新技术企业，致力于开发智能化、高精度、高性能的高科技设备企业。泊菲莱科技拥有多种自主知识产权，现已应用于新能源、药物合成、精细化工等各类科研领域，在立足于国内市场的同时，多款产品也远销海外。泊菲莱科技荣获国家级高新技术企业、中关村高新技术企业、北京市“专精特新”企业等称号，企业通过ISO9001质量管理体系认证，符合GB/T27922-2011《商品售后服务评价体系》五星级标准。泊菲莱科技不仅拥有雄厚的研发实力，也一直秉持着“以客户为中心”的服务理念和“创见、实干、卓越”的企业精神，作为科技型高新企业，积极创导高科技智能设备等尖端科技，不断革新，不断挑战，以卓越创新的进取精神，推动自身的不断成长和壮大。
