Desalination| Marangoni效应驱动的仿生盐分泌蒸发器

研究背景

太阳能驱动界面蒸汽产生(SISG)被认为是一项具有潜在应用前景的淡水生产和海水淡化技术。水剧烈蒸发时卤水中的盐分不可避免地会而沉积在蒸发器表面，严重阻碍太阳能的吸收和水的蒸发，制约了SISG系统的实用性。目前解决这一问题的尝试如构建Janus结构、非接触式蒸发器、双峰结构等将高浓度的盐扩散回大块卤水中而不是被收集，浪费了获得宝贵盐资源的机会。Marangoni效应驱动的液体输送为处理高盐度盐水提供了一种有效的替代方案。但许多基于Marangoni效应的结构设计通常是能源密集型的，并且依赖于3D打印和激光蚀刻等复杂的制造，为现实的工业应用带来了挑战。为此，陕西科技大学的杨进教授团队基于Marangoni效应，以天然红树林叶片的盐分泌机制为灵感，设计了一种由木壳和光热水凝胶组成的仿生盐分泌蒸发器(BSSE)，在盐水蒸发过程中可在产汽界面外诱导形成盐结晶。

相关成果以“Marangoni-driven biomimetic salt secretion evaporator”为题，发表在水处理领域国际学术期刊《Desalination》（IF=11.211）上。

研究结论

研究人员将水凝胶前驱体倒入钻孔的轻杉木中，在浸入液氮的铜板上定向冷冻1 h。室温解冻后，构建了仿生BSSE。规则的微腔阵列水凝胶区提供了超快的盐水泵送，而巴尔木的双峰结构和分布均匀的凹坑有助于盐的水平运移。由于区域间光热转换和蒸发性能的不均匀性，设计的BSSE在太阳能海水淡化过程中自然产生了中心扩散温度梯度和浓度梯度。实验表征和数值模拟结果一致表明，热毛细作用和溶质毛细作用诱导的Marangoni对流驱动盐离子从水凝胶区迁移到木材表面，使盐在蒸发器外结晶和收获。BSSE在20%的盐水中连续工作100小时，表面无盐沉积，同时保持2.08 kg m -2 h -1的高蒸发速率和90.8%的能源效率。此外，由于仿生结构设计的盐分排泄现象和盐分收集特性，BSSE可以有效地净化盐碱化土壤，盐碱化土壤中的卤水(含多种金属离子)被输送到蒸发界面，完成盐/水分离。在太阳照射下，蒸汽不断产生，并被收集在冷凝器底部，反复稀释盐碱化土壤的盐离子浓度。同时，积累在蒸发器表面的盐在Marangoni对流的驱动下从BSSE的水凝胶区迁移到木缘区结晶完成采盐，计算盐碱化土壤修复装置的产盐率约为0.248 kg m -2 h -1，为全球水和粮食问题提供了新的解决思路。

研究数据

图1. (a)红树林叶片的盐分分泌机制；(b)红树林木质部的毛细血管泵送；(c) BSSE局部盐结晶示意图；(d)双峰式蒸发器中的水平盐迁移；(e)在基于水凝胶的蒸发器中超高速抽取盐水；(f) BSSE的定向盐分泌过程。

图2. (a) BSSE制备过程示意图；(b) BSSE中水凝胶的SEM俯视图和(c)侧视图；(d) BSSE中木材的SEM顶视图和(e)侧视图；(f) 盐沿水凝胶凹坑向木材细胞壁微孔迁移示意图。

图3. (a) 木材和水凝胶的吸光光谱。(b) 在1个太阳的照射下，30分钟内湿态BSSE的照片和红外图像。(c) 不同位置的BSSE的表面温度变化曲线。(d) 通过DSC测量测试的水的蒸发焓。(e) 拉曼光谱的高斯拟合曲线显示木材和水凝胶中IW和FW的相对含量。(f) 木材和水凝胶的蒸发率和效率比较。(g) 由温度梯度和不均匀蒸发引起的表面张力差异示意图。

图4. (a, b)在20 wt% NaCl溶液中连续光照36 h时，立方蒸发器和BSSE的盐水输送和盐结晶特性示意图，以及相应的盐积累状态光学图像；(c)盐水连续蒸发36 h时BSSE和立方蒸发器的蒸发速率变化曲线；(d) BSSE在矿化度为3.5 ~ 26.5%的盐水中的蒸发性能和盐结晶；(e)不同重金属离子(含20 wt% CuSO4, 20 wt% K2CrO4, 10 wt% NaCl和10 wt% CoCl2混合溶液)的水样在太阳净化前后的光学图像；(f)净化前后相应金属离子的浓度。

图5. (a)模拟盐碱化土壤修复系统的实验装置；(b)室外盐渍化土壤修复装置光学图像；(c) 1天后土壤修复装置表面光学图像；(d)盐渍化土壤的电阻值随室外蒸发时间的变化，插图是万用表测试结果与国内土壤对比的光学图像；(e)模拟盐渍化土壤净化前后的四种金属离子浓度；(f)盐碱地、净化盐碱地和国内土壤小麦苗长随栽培时间的变化，插图为13天后拍摄的相应光学图像。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011916422007421?via%3Dihub

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