研究背景

海水淡化是應(yīng)對(duì)水資源短缺問(wèn)題的一種有效手段?，F(xiàn)有的海水淡化技術(shù)主要包括反滲透、蒸餾和電滲析等，但這些技術(shù)通常存在能耗高、成本大和環(huán)境影響較大的問(wèn)題。因此，研究人員一直在尋找更高效、更可持續(xù)的海水淡化材料和方法。

暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院劉明賢教授團(tuán)隊(duì)在《Chemical Engineering Journal》發(fā)表了題為"3D printing of porous ceramic scaffold based halloysite clay for efficient seawater desalination"的研究，設(shè)計(jì)一種新型的陶瓷材料，通過(guò)DIW墨水直寫3D打印成多孔陶瓷支架以提高海水淡化過(guò)程的效率。

研究?jī)?nèi)容

全球約96.5%的水存在于海洋中，由于海水含鹽量高，不能直接飲用。預(yù)計(jì)到2050年，全球87個(gè)國(guó)家將面臨水資源短缺的問(wèn)題，迫切需要?jiǎng)?chuàng)新的清潔水生產(chǎn)和運(yùn)輸技術(shù)。海水淡化是一種主要通過(guò)熱、機(jī)械或化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)的淡水生產(chǎn)解決方案。太陽(yáng)能蒸餾因其低成本和環(huán)保優(yōu)勢(shì)，尤其在光熱材料和結(jié)構(gòu)工程的快速發(fā)展背景下，成為一種具有前景的技術(shù)。

近年來(lái)，具有高光吸收和光熱轉(zhuǎn)換效率的光熱材料已被廣泛應(yīng)用于海水淡化，纖維材料能利用太陽(yáng)輻射產(chǎn)生水蒸氣。一些研究也開發(fā)了高效的太陽(yáng)能蒸發(fā)器，提升了蒸發(fā)速率和效率。但與二維蒸發(fā)器相比，三維多孔結(jié)構(gòu)的3D打印陶瓷支架更具耐用性和光吸收能力。

因此，本研究制備了一種基于埃洛石粘土納米管（HNTs）、硅酸鈉（SS）和聚乙二醇（PEG）的3D打印復(fù)合墨水，采用DIW墨水直寫3D打印和高溫?zé)Y(jié)技術(shù)制造多孔陶瓷支架（PCS）。通過(guò)涂覆聚多巴胺（PDA），增強(qiáng)了支架的親水性和光熱性能。

研究方法及數(shù)據(jù)

圖1：HNTs/SS/PEG陶瓷漿料的3D打印特性

(a) HNTs/SS/PEG陶瓷漿料的3D打印示意圖。(b) 不同HNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)下HNTs/SS/PEG漿料的狀態(tài)...

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圖2：材料結(jié)構(gòu)與性能表征

(a) HNTs、SS和PEG之間的相互作用。(b) XRD。(c-d) FT-IR。(e) SS、PEG、HNTs粉末...

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圖3：3D打印過(guò)程與結(jié)構(gòu)表征

(a) 不同直徑噴嘴噴出的墨水的光學(xué)照片。(b) DIW 3D打印過(guò)程圖像。(c) 固化前后的結(jié)構(gòu)高度...

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圖4：多孔結(jié)構(gòu)與性能分析

(a) 不同填充率的3D打印PCS。(b、c) 多孔結(jié)構(gòu)和孔徑的顯微圖像。(d) 不同填充率下的密度...

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圖5：PDA涂層制備過(guò)程

（a）PDA涂層制備過(guò)程示意圖。（b、c）涂層PCS的SEM和EDS映射。

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圖6：涂層陶瓷表面溫度與蒸發(fā)性能

（a、b）涂層陶瓷在干濕狀態(tài)下的表面溫度分布。插圖為實(shí)驗(yàn)裝置和相應(yīng)的紅外圖像...

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圖7：不同鹽度下的蒸發(fā)性能

（a、b）涂層陶瓷在不同鹽度溶液（3.5、7.0、15.0、20.0 wt% NaCl溶液）中的質(zhì)量變化...

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圖8：太陽(yáng)能海水凈化設(shè)備與效果

(a、b) 由PDA涂層PCS制成的太陽(yáng)能海水凈化設(shè)備和室外海水淡化。(c) 實(shí)際的渤海海水樣品...

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性能指標(biāo)

研究結(jié)論

3D PCS具有豐富的互連三維孔結(jié)構(gòu)，抗壓強(qiáng)度約為85 MPa。通過(guò)合理設(shè)計(jì)蒸發(fā)裝置，PDA涂覆的PCS在1個(gè)太陽(yáng)輻射下實(shí)現(xiàn)了1.53 kg m^-2h^-1的高蒸發(fā)速率和84.2％的效率。涂層陶瓷在處理高濃度鹽水（20wt％NaCl溶液）和渤海海水時(shí)可實(shí)現(xiàn)水的持續(xù)快速蒸發(fā)。蒸發(fā)器還具有良好的室外蒸發(fā)和凈化能力。