我国海洋大学徐晓峰教授AM： 多资料3D打印完结太阳能耦合浓盐水资源化

时间: 2025-11-11 10:11:08 |   作者: 扑克王下载最新地址免费

  近来，我国海洋大学资料科学与工程学院徐晓峰教授、德比大学科学与工程学院汪志航博士等研讨团队一起协作，在多资料3D打印完结高效太阳能海水淡化与盐分搜集范畴获得突破性研讨效果。研讨团队经过多资料直接墨水书写技能（DIW），在指定的空间方位准确堆积不同的光热墨水，成功构建了3D光热梯度气凝胶矩阵（AM），制备了成分、结构与功用多样性的3D蒸汽发生器（3D SGs）和太阳能结晶器（SCs），完结了在宽盐度规模（3.5% − 25%）内的高效太阳能海水淡化和盐分搜集。该光热墨水主要由固定成分纤维素纳米纤维（CNFs）、甲基丙烯酸化海藻酸钠（MA-SA）、碳纳米管（CNTs）和可变成分不同浓度的两性离子预聚物（如PDMAPS）组成，协同提高了墨水的可打印性和打印精度，也完结了功用可调性。在1个太阳和2 m s−1的风速下，3D SGs在海水中的最高蒸腾速率到达17.9 kg m−2 h−1，比淡水中的蒸腾速率高出10.5%，也是无风条件下的6倍多，即便在25%的盐水中，蒸腾速率仍能保持在6.6 kg m−2 h−1。此外，经过重新摆放矩阵单元，进一步开发的3D SCs用于部分盐结晶和溶质别离，在20%的盐水中发生了269.3 g m−2 h−1的盐搜集速率。该作业初次完结了多资料打印技能在3D SGs和SCs可操控备中的运用，制备了可定制形状和功用的光热资料，这些资料不仅在海水中的蒸腾速率高于淡水，并且在极点盐度下也能有用安稳运转。相关效果以“Tailor-Made Solar Desalination and Salt Harvesting from Diverse Saline Water Enabled by Multi-Material Printing”为题，于2025年10月23日发表于《先进资料》（Advanced Materials）杂志。

  全球淡水资源缺少的问题日渐严峻，严重威胁着人类社会的可继续发展，特别是在根底设施匮乏的偏远地区，居民获取安全饮用水面对严峻困难。尽管反渗透、膜蒸馏等传统水处理技能获得了必定发展，但高能耗、高本钱及潜在二次污染等问题约束了其广泛运用。近年来，太阳能界面蒸腾技能因可继续、低能耗等特性展示出共同优势，该技能经过将光热转化约束在空气-水界面处并显着提高蒸腾功率。但是，惯例制作办法制备的传统气凝胶、水凝胶和泡沫等光热资料受限于各向同性的三维结构，难以完结功用优化和功用集成；现有3D打印技能制备的蒸汽发生器也存在内部孔隙结构单一、盐结晶操控困难等问题，难以在高盐环境下完结安稳运转，约束了其进一步运用。因而，怎么经过3D打印技能完结接连制作具有各向异性和区域特定功用的光热资料是界面蒸腾范畴在结构规划和制备方面的一大问题。

  1. 光热墨水中的固定组分（CNFs、MA-SA和CNTs）保证了资料的可打印性、结构完整性和机械强度，而可变成分（两性离子聚合物）则准确调控了AM单元内的晶格几许结构、孔隙结构、毛细效果力、溶胀行为和抗聚电解质效应。毛细效果与聚合物溶胀行为协同促进了AM单元内的盐溶液吸收和水分分散，而抗聚电解质效应则显着地增强了3D SGs的耐盐性。经过分步打印、合理集成及阳离子调控交联不同AM单元，在3D SGs和SCs中成功完结了成分-结构-功用的异质性规划，这是传统单一资料3D打印办法没办法完结的。

  2. 具有华夫格图画外表和多标准分级孔结构的晶格显着地添加了光热面积和蒸腾速率，增强了对阳光、气流和环境能量的使用。两性离子的引进在海水中发生了明显的抗聚电解质效应，屏蔽了聚合物链段之间的相互效果，也暴露出更多的离子基团与水分子发生相互效果；一起，引进的二价阳离子（Ca2+、Cu2+和Co2+）的强溶剂化效果也削弱了水分子的氢键，破坏了原始的水分子结构。这些协同效应添加了中心水含量，然后加快了3D SGs的蒸腾，使其不仅在海水中的蒸腾速率高于淡水，并且在极点盐度下也能有用安稳运转。

  3. 经过改动墨水和重新摆放AM单元，制备的SCs可完结部分盐结晶和溶质别离。此外，组成的其他两性离子单体（CBMA、SBAA和VBIPS）也被成功引进AM单元，展示了墨水配方、阳离子交联和梯度结构在制作3D SGs和SCs方面的广泛适用性。进一步地，为了点评实践施行状况，本作业也点评了3D SGs和SCs在我国7个滨海城市和盐场的蒸腾速率和盐搜集速率，提醒了多资料打印的3D光热矩阵在高效、大规模清洁水和盐解说方面的巨大潜力，完结了根底规划与不同盐水环境实践运用的有用联接。

  1.资料组分规划与交联机制：固定组分（CNFs、MA-SA、CNTs）构成结构骨架，而可变成分（两性离子预聚物PDMAPS）则经过抗聚电解质效应动态调理资料功用。组成的MA-SA一起具有UV引发共价交联和阳离子离子交联的两层功用，为构建安稳的三维网络和促进海水蒸腾供给了根底。（图1a）

  2.多资料打印与梯度结构构建：经过独立操控三个针头和别离定制打印途径，完结了AM-0/2/5/8四种单元的替换堆积，构成了具有梯度孔结构、抗盐功用的3D SGs和部分盐结晶、定点盐搜集的3D SCs。（图1b）

  3.流变学功用与可打印性：一切光热墨水均出现明显剪切稀化行为（粘度从468.32 Pa·s降至1.90 Pa·s），保证顺利挤出；一起具有快速凝胶-流体改变才能，保证打印形状的即时固定。（图1c、d）

  4.打印参数优化与精度调理：经过体系优化打印压力和喷嘴移动速度，完结了高精度打印（图1e）。图1f显现打印精度较高：铺展比（SR）为1.2（挨近抱负值1），120°角保线，打印性指数（Pr）为1.56，证明该墨水能准确打印杂乱的三维结构。

  5.结构表征与孔隙调控：微距相片（图1g）和Micro-CT（图1h）直观展示了梯度打印光热矩阵的结构。经过密度计测验和定量分析（图1i），发现孔隙率随PDMAPS含量添加而递减，这种梯度孔结构为后续的定向流体传输奠定了根底。

  1.梯度孔隙结构与传水才能：SEM明晰展示了AM单元跟着两性离子含量的添加出现从大孔径到小孔径的改变（AM-2均匀孔径117.8 μm，AM-8均匀孔径11.4 μm）（图2a、b）；AM-2/5/8梯度结构发生定向拉普拉斯压力差（图2e），成功完结”二极管式”单向快速水传输（图2c、d）。

  2.盐呼应行为与抗盐结晶才能：盐水溶胀试验证明了两性离子的抗聚电解质效应的强度随盐度提高而增强（图2f）；在1个太阳光照下，AM-8在20%盐度下仍无盐分出，展示杰出的抗盐才能（图2i）。

  1.外表结构规划和气流增强蒸腾功用：规划了平面外表和华夫格外表（图3a），具有华夫格图画外表和多标准分层孔隙的晶格结构显着地添加了光热区域和有用蒸腾，然后更好地使用阳光、气流和环境能量。

  2.两性离子引进和阳离子交联战略协同促进海水蒸腾：两性离子和二价阳离子（Ca2+、Cu2+和Co2+）的引进会与海水中的盐离子和水分子发生相互效果，添加中心水含量，促进海水的快速蒸腾（图3d-g）。

  3.宽盐度规模内的蒸腾安稳性：SG2-SG4在宽盐度规模（3.5% − 25%）内保持安稳的蒸腾功用，即便在25%的盐水中，蒸腾速率仍能保持在6.6 kg m−2 h−1且无盐分出（图3b、c），远超本范畴的近期研讨（图3f）。

  1.部分盐结晶的模块化结构规划：经过多资料打印将AM-2（底部，快速输水）、AM-0（中部，诱导结晶）和AM-5（顶部，抗盐结晶）进行空间重组，并进行盐搜集测验。（图4a、b）

  2.资料普适性与功用比照：经过1H NMR谱图证明了三种新式两性离子单体（CBMA、SBAA、VBIPS）的成功组成（图4c-e）；一起对它们的蒸腾功用与集盐才能来测验（图4f、g）。

  3.规模化运用的地舆点评：为了点评实践施行状况，本作业点评了3D SGs和SCs在我国7个滨海城市和盐滩的蒸腾速率和盐搜集速率。（图4h、i）

  该研讨经过多资料3D打印技能定制SGs和SCs，完结了宽盐度规模（3.5% − 25%）的高效海水淡化和盐分搜集。两性离子聚合物引进光热墨水与阳离子交联光热矩阵的协同效果，使SGs在海水中的蒸腾速率超越淡水，并在25%的超高盐度下无盐结晶发生；此外，经过摆放重组AM，使SCs能完结部分盐结晶和盐分搜集。该技能有望在可继续的太阳能耦合浓盐水资源化范畴发生深远影响。

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