仿生多级太阳能脱盐：基于Volutharpa ampullacea perryi启发的超亲水铝界面实现高效耐用淡水生产

《Journal of Materials Chemistry A》：Passive multistage solar desalination enables durable high-efficiency freshwater production

本文报道了一种受Volutharpa ampullacea perryi启发的仿生太阳能脱盐系统，通过构建超亲水微米级V型槽阵列（SMVAs）与玻璃纤维导管集成的铝基界面，实现了定向微米级液膜快速传输。该系统在单倍太阳光照下创纪录地达到410%的太阳能-蒸汽转换效率和6.25 kg m?2h?1的产水率，同时具备长期抗盐结晶稳定性，为全球缺水地区提供了可扩展的高效淡水解决方案。

　　

引言

全球水资源短缺问题日益严峻，三分之二人口面临用水压力。海水作为地球最丰富的水资源，通过脱盐技术可成为重要解决方案。传统反渗透和热法脱盐技术能耗高且伴随显著温室气体排放，而太阳能驱动蒸汽发电因其无能源操作和最小碳足迹受到关注。其中，太阳能界面脱盐技术通过将光吸收和冷凝区域分离，实现更高蒸发速率和太阳能-水转换效率。

SMVAs的制备与表征

研究团队受海洋腹足类动物Volutharpa ampullacea perryi表面微沟槽结构启发，采用皮秒激光刻蚀技术，在500微米厚铝板上制备出宽度100微米、深度40微米的超亲水微米级V型槽阵列。扫描电镜显示主沟槽内嵌套次级沟槽，表面覆盖多孔纳米结构层。X射线光电子能谱证实材料由金属铝和氧化铝复合组成，存在羟基化、表面氧化和金属键合状态。该结构作为毛细通道使水滴以156 mm s^?1的初始速度逆重力上升，稳态速度达41 mm s^?1，符合Washburn-Rideal模型描述的H²∝ t规律。

单级蒸发器性能优化

研究设计三种SMVAs基单级蒸发器构型。SMVAs-C采用低导热系数柔性超亲水玻璃纤维（FSGF）供排水，结合聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）透光层、空气隔热层和太阳能吸收体多层光热界面。在1 kW m^?2辐照下，SMVAs-C实现1.31 kg m^?2h^?1蒸发速率和83%太阳能-蒸汽效率。其蒸发界面温度达40.5°C，而热损失仅占13.65%（传导0.9%、辐射2.5%、对流7.25%、水相耗散3%）。SMVAs高达220 W m^?1K^?1的热导率确保快速界面升温。

抗盐性能与耐久性验证

高流速界面设计有效抑制盐结晶。SMVAs-C在10小时连续运行中保持界面无盐结晶，而无沟槽超亲水铝表面（SAS）构型15分钟内即出现明显盐垢。在20%高盐度下仍保持1.02 kg m^?2h^?1蒸发速率，归因于29.1 mm s^?1的逆重力盐水流速。实验显示V型槽内盐晶体在0.9秒内完全溶解，20毫克NaCl晶体在20分钟内完全溶解，证明系统具备强溶盐能力。

多级反向蒸馏装置设计

基于冷凝焓回收原理，团队开发了多级被动太阳能脱盐装置（MPSDA）。其创新性在于将亲水功能和热交换功能集成于单层：SMVAs上表面作为蒸发界面，下表面作为冷凝传热层，实现30毫米超薄器件厚度。随着级数从1增加至15，蒸发速率从1.31提升至6.25 kg m^?2h^?1，太阳能-蒸汽效率从189%提升至410%。热成像显示第一级与第十五级间温差仅22°C，证明垂直传热效率卓越。

户外实际应用验证

户外测试中，100×100 mm规格MPSDA在峰值日照900 W m^?2时达到4.5 kg m^?2h^?1蒸发速率，8小时累计产水48 mL。离子色谱分析显示产水离子浓度远低于世界卫生组织饮用水标准，铝离子浓度0.02 mg L^?1符合安全要求。60天海水浸泡实验证实SMVAs保持1.3 kg m^?2h^?1蒸发速率和0.3秒内水滴铺展能力。采用聚乳酸框架-发泡聚乙烯-铝箔三层防护罩，设备在20天连续运行中保持稳定，晴天日均产水达1.12 L kW^?1h^?1。

结论

该研究通过仿生设计实现冷凝热交换与亲水蒸发层的单板集成，结合高导热性和主动排盐机制，构建出15级太阳能脱盐系统。其410%的能源效率和长期抗盐结晶特性，为缺水地区提供了可扩展的实用化解决方案，标志着太阳能脱盐技术向高效耐用方向的重要突破。