竹笋启发的超高效太阳能蒸发器：突破高盐度海水淡化瓶颈

更新时间：2025-10-22

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在全球水资源短缺日益严峻的背景下，太阳能海水淡化技术因其可持续性和环保性备受关注。然而，传统蒸发器在高盐度海水中易出现盐结晶堵塞、蒸发效率低等问题，限制了其长期应用。

近期，哈尔滨工业大学帅永教授、王兆龙教授团队提出了一种受竹笋启发的锥形多孔蒸发器（BSCPE），通过仿生结构设计实现了超高蒸发效率和长期室外抗盐能力。该蒸发器采用多壁碳纳米管复合树脂材料，并结合摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术制造，在20 wt%高盐度海水中可持续运行200小时以上，蒸发速率高达2.54 kg·m⁻²·h⁻¹，太阳能热效率达94.1%。该研究以“Bamboo shoot inspired ultra-high conical porous evaporator for desalination of seawater with high salinity"为题，发表在国际著名期刊在《Chemical Engineering Journal》上。

研究团队从竹笋的独特结构中汲取灵感。竹笋内部的垂直微通道和表面微孔能够通过毛细效应高效提升水分，同时其锥形结构有助于分散应力。仿照这一特性，BSCPE设计了内部微间隙和表面横向阶梯状纹理，不仅实现了液体的快速输送，还通过扩大蒸发面积提升了效率。蒸发器的材料以多壁碳纳米管为核心光热成分，均匀分散于紫外光固化丙烯酸酯树脂中，形成了吸光率超过94%的复合光热树脂。这种材料在太阳能照射下可高效转化为热能，为蒸发过程提供持续动力。

研究人员采用摩方精密nanoArch^® S140（精度：10 μm）打印出蒸发器结构。经过乙醇清洗和氧等离子体处理，蒸发器表面亲水性显著增强，为毛细效应奠定了基础。这种高精度制造技术不仅保证了结构的机械耐久性，还实现了仿生设计的规模化制备。

图1. 仿生锥形多孔蒸发器的特性描述。

BSCPE的核心优势在于其微流体性能与热管理的协同作用。毛细效应驱动液体在微间隙中上升至126.0 mm的高度，为蒸发过程提供了连续水源。根据杨-拉普拉斯方程，微孔中的弯液面产生向上拉力，与液体重力平衡时达到最大提升高度。较小的孔径（200–600 μm）可加速液体上升，而表面横向纹理则通过润滑理论促进液膜横向扩散，避免破裂并扩大蒸发面积。与此同时，蒸发器的三维锥形结构导致温度分布不均：顶部温度较高，形成温度梯度诱导的Marangoni对流。这种对流使高盐度液体从顶部高温区流向底部低温区，与毛细补给协同抑制盐结晶。

图2. 液体提升和液体膜的形成。

蒸发效率的提升得益于液体表面压力的降低。根据开尔文方程，毛细作用使液体内部压力下降，增加了水分子从液相向气相传质的驱动力。实验表明，BSCPE在单太阳光照下（1000 W m⁻²），高度为150.0 mm时蒸发速率达2.54 kg·m⁻²·h⁻¹。此外，温度梯度还使蒸发器在夜间能从环境中吸收能量，进一步维持蒸发过程。

图3. 温度场与蒸发速率。

盐排斥性能方面，BSCPE在20 wt%高盐度水和两倍太阳光照下仍能稳定运行，盐结晶可在夜间通过液体上升重新溶解，实现了自清洁功能。在应用验证中，研究团队构建了BSCPE阵列户外淡化装置。使用浙江海域海水晶体模拟溶液，连续7天每天8小时测试显示，净化速率稳定在约1.72 kg·m⁻²·h⁻¹，产水盐度低于1.5 mg·L⁻¹，符合世界卫生组织饮用水标准。离子浓度分析表明，该蒸发器能有效去除Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺等金属离子，初始10 wt%溶液处理后离子浓度降至1.3 mg·L⁻¹以下。同时，对有色溶液的净化实验证实其可脱色，凸显了多功能水处理潜力。

图4. 耐盐性和水净化。

图5. 仿生锥形多孔蒸发器的长期脱盐处理。

总结：竹笋启发的锥形多孔蒸发器通过仿生结构设计、先进材料与高精度3D打印技术的融合，解决了高盐度海水淡化中的盐结晶和效率瓶颈。未来，该技术有望应用于沿海地区或工业废水处理，为可持续水资源供应提供新路径。研究团队计划进一步优化结构以提升能效，并探索低成本量产方案，推动太阳能淡化的实际应用。

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