科学家制备梯度石墨烯气凝胶，实现高浓度盐水持续淡化，并构建太阳能脱盐灌溉系统

作为支撑人类生存与发展的基石，淡水资源的重要性不言而喻。然而，随着社会的快速发展，居民生活及工农业用水需求急剧增加。

同时，水污染与水资源浪费问题日益严重，淡水短缺已成为 21 世纪全球共同面临的重大挑战。

太阳能驱动界面蒸发技术（SIE, solar-driven interfacial evaporation），凭借其高效利用太阳能生产淡水的特性，被视为缓解淡水短缺最有前景的技术之一。

此外，太阳能蒸发器在处理浓盐废水方面具有独特优势，其蒸发过程仅产生盐晶体这一副产品，从而实现了零液体排放。

但是，盐分在蒸发器的积累会阻碍光的吸收，并影响蒸汽逸散，最终导致蒸发器的蒸发性能下降甚至失效。

此前为了缓解这一问题，一些研究者提出“盐循环”策略。即为溶液设计一条循环回流通路，让盐离子回流到盐水中，从而防止盐在蒸发表面结晶，借此实现连续、稳定的蒸发。

然而，这一方法会导致溶液盐度上升，盐结晶问题也依旧不可避免。

另一种解决方案是“盐析”策略。即针对结构加以调控，让盐优先在非蒸发区域实现定向结晶，从而降低盐结晶对于蒸发性能的影响，借此实现盐和淡水的同时收集。

不过，“盐析”策略在实际应用中仍面临一些严峻的挑战。

首先，一维盐水输运限制了吸收能力，显著降低了整体蒸发速率。

其次，盐结晶策略需要定期去除盐晶体，盐晶体由于附着力强，很难从蒸发器表面自动脱落。如果沉积的盐不及时去除，必然会降低蒸发性能。

此外，许多高效的太阳能蒸发器需要危险或耗时的制备过程，比如高压、低真空或高温热处理等。

因此，通过简单的制备工艺，开发一种耐用的太阳能蒸发器，实现长期、高效、稳定的水蒸发和盐收集，以用于零液体排放脱盐是一项尚未实现的科学目标。

基于以上挑战，山东第一医科大学李晨蔚教授及其团队，制备了一种三维梯度石墨烯螺旋气凝胶蒸发器，该蒸发器能够实现高效太阳能蒸发高浓度盐水，达到零液体排放的效果。

图 | 李晨蔚（来源：李晨蔚）

据了解，该团队侧重于通过调控盐的定向结晶，以实现高效太阳能海水淡化。

为了满足太阳能蒸发器在高效太阳能吸收、能量充分利用、出色耐盐性以及长期稳定性等方面的严苛要求，课题设计主要聚焦于以下四个关键点：

关键点一：注重结构设计与化学稳定性强化。

蒸发器需要具有坚固的网络结构和化学稳定性，对实现长期、高效、稳定的太阳能脱盐具有至关重要的作用。

因此，他们选用低成本、超亲水性、高孔隙率、以及高回弹性的三聚氰胺泡沫，来作为太阳能蒸发器的支撑骨架。

随后，他们研究了以三聚氰胺泡沫为骨架的石墨烯气凝胶在多种模式下的力学性能，包括压缩、弯曲和拉伸，以全面评估其机械性能。

为了进一步验证其在实际应用条件下的坚固性和耐久性，课题组进行了多种极端条件下的测试。

具体而言，他们将样品在空气和水中反复弯折 20 次，并浸泡在酸性、碱性溶液中，以及置于高温环境和超声波搅拌等恶劣环境中。

经过这些严苛的测试后，他们发现样品的外观及微观结构没有明显的变化，这充分证明了其出色的耐久性和结构稳定性。

图 | 三维梯度石墨烯螺旋气凝胶制备过程示意图（来源：Advanced Science）

关键点二：注重制造工艺的简化与经济性提升。

为了实现蒸发器制造工艺的简单性和经济性，避免使用昂贵的设备，他们设计了以下制备步骤：

第一步，热压。

利用热压技术，课题组将不同厚度的三聚氰胺泡沫进行压缩，得到厚度为 1mm 的预压三聚氰胺薄膜。

在此过程中，随着样品原始厚度与最终压缩厚度比例的增加，预压三聚氰胺薄膜的孔径实现从 150μm 到 20μm 的精细调控，形成独特的三维梯度网络结构。

第二步，表面喷涂。

利用喷壶将氧化石墨烯悬浮液均匀地喷涂在预压三聚氰胺薄膜表面。实现了氧化石墨烯在薄膜中的均匀分布，为后续的太阳光还原奠定了基础。

第三步，常压干燥。

喷涂完成后，他们将薄膜直接置于空气中进行自然风干。这一步骤避免了冷冻干燥、超临界干燥和溶剂置换等复杂且耗时、耗能的制备过程。

第四步，太阳光还原。

即巧妙利用放大镜聚焦太阳光对样品进行照射。在紫外线的作用下，样品表面颜色由棕褐色迅速变为黑色，标志着氧化石墨烯成功还原为还原氧化石墨烯。

这种太阳光还原的方法不仅操作简单、绿色环保，而且无需使用化学还原剂或进行高温热还原过程，显著降低了生产成本和环境污染。

关键点三：注重太阳能的高效吸收与能量损失的最小化。

太阳能蒸发器不仅要吸收和转换大范围的太阳能为热能，而且还要尽量减少漫反射和热辐射造成的能量损失，并从环境中捕获额外的能量。

太阳界面蒸发过程，受到三种能量通量的控制：太阳能输入、蒸发能输出以及向环境散失的能量。

遗憾的是，传统的二维太阳能蒸发器因与周围环境的热交换而面临能量耗散问题，使得其难以实现理想的 100% 太阳能-蒸汽转换效率。

相比之下，三维太阳能蒸发器能够打破太阳能-蒸汽转换效率的理论极限。

而为了减少三维样品上表面由于漫反射和热辐射造成能量损失，该团队设计了三维螺旋凹型结构的石墨烯气凝胶。

这种结构不仅具有更高的吸光度和更低的反射率，而且其侧壁能够吸收环境热量和底部漫反射的热量，从而能够实现能量的有效回收。

图 | 实现定向盐结晶和能量回收改进过程示意图（来源：Advanced Science）

关键点四：注重耐盐性能优化与盐结晶管理。

即通过设计独特的输送通道，促进盐水的径向输送，进而导致盐的定向结晶。

这一设计不仅有效防止盐在蒸发器表面的沉积和堵塞，同时也实现了盐的有效收集和利用，从而显著提升脱盐过程的效率和可持续性。

具体而言，他们基于预压三聚氰胺多孔薄膜，设计并制备了三维梯度石墨烯网络结构。

这种内稀外密的梯度石墨烯网络，可以形成径向毛细力差，促使盐水沿径向输送。

随着蒸汽的持续产生，盐水的径向流动增强了外表面区域的盐水浓度，导致盐在外表面而非内表面发生定向结晶。

这一设计确保了蒸发器内表面维持足够的蒸发面积，从而实现高效稳定的太阳能蒸发。

值得一提的是，该蒸发器利用其整个外表面进行盐结晶，使得结晶面积远大于其他定向结晶蒸发器。

盐结晶主要由松散堆积的盐晶体构成，这些晶体具有丰富的孔隙，有利于盐水的输送和蒸汽的释放。

此外，由于蒸发冷却效应，盐层表面温度低于环境温度。这一特性使得蒸发器能够从环境中吸收更多的能量，进一步提升了蒸发性能。

图 | 三维梯度石墨烯螺旋气凝胶作为定向结晶蒸发器的示意图（来源：Advanced Science）

据介绍，这款蒸发器展现出不错的综合性能。在 20wt% 的盐水中平均蒸发速率达到 6.5kgm-2h-1，盐收集速率达到 1.5kgm-2h-1，能够连续运行 144 小时，并且具备零液体排放脱盐的特点。

在室外测试中，三维梯度石墨烯螺旋气凝胶创造了破纪录的产水性能（3.1kgm-2h-1）。

图 | 基于三维梯度石墨烯气凝胶的连续脱盐-灌溉系统（来源：Advanced Science）

在一些偏远地区，由于基础设施较为薄弱，可供饮用和灌溉的淡水资源十分有限。尽管这些地区可能拥有丰富的海水资源，但由于其高含盐量，不利于种子萌发，从而严重抑制了作物的生长。

基于此，该团队还基于三维梯度石墨烯气凝胶，设计了一种连续脱盐-灌溉系统，该装置可以在自然阳光下有效地从高浓度盐水中生产淡水，为作物生长提供持续的淡水资源。

这种小型脱盐-灌溉装置结构简单，通过蒸发器使盐水蒸发，产生的水蒸气在玻璃盖上凝结，随后流入土壤中，为小麦生长提供必要的水分。

在为期 15 天的实验期间，他们观察到小麦发芽并生长至约 135 毫米的高度。相比之下，使用盐水灌溉的小麦种子未能成功发芽。

以上结果充分展示了太阳能脱盐装置在偏远地区农业灌溉中的巨大潜力，有望为可持续的农业灌溉提供一种切实可行的解决方案。

综上所述，该团队报道的三维梯度石墨烯螺旋气凝胶的制备方法不仅简便易行，而且绿色环保。

由于蒸发器采用凹形设计，故能减少热辐射和热对流的能量损失，从而可以提高蒸发速率。

蒸发器内稀外密的孔径结构，使得太阳蒸发过程中水的定向输送成为可能，从而让盐在侧蒸发面上积聚。

这一机制不仅提高了蒸发速率，还增强了盐收集效率，为零液体排放脱盐提供了有力支持。

总的来说，该团队设计出一种三维梯度石墨烯螺旋气凝胶，并将其用于高效太阳能蒸发和定向盐结晶，最终实现了零液体排放脱盐。

其中，采用常压干燥和太阳能还原过程，不仅简化了制备过程、降低了成本，也为大规模制备奠定了基础。

与常见的一维供水体系不同，这种设计实现了三维供水。三维供水方式显著提高了蒸发性能，克服了一维供水体系供水量不足的限制。

三维螺旋凹形结构的设计不仅能够提高能量回收效率，并有效从环境中收集能量，进一步增强了蒸发性能。

此外，梯度网络结构能够实现盐水径向输送，促进盐的定向结晶。这一机制不仅提高了蒸发速率，还增强了盐收集效率，为零液体排放脱盐提供了有力支持。

研究人员表示：“本次研究不仅为太阳能脱盐提供了一种独特而有效的解决方案，还为下一代太阳能海水淡化装置设计提供了重要的科学依据。”

目前，尽管太阳能界面蒸发器在淡水获取的产业化仍处于探索阶段，但他们对该技术的发展前景充满信心。

此外，太阳能界面蒸发技术凭借其高效率、低成本以及绿色环保的特性，在医疗废水消毒、灭菌以及污水处理等多个领域展现出了巨大的应用潜力。

最终，相关论文以《梯度石墨烯螺旋气凝胶用于高效太阳蒸发和定向盐结晶的零液体排放脱盐》（Gradient Graphene Spiral Sponges for Efficient Solar Evaporation and Zero Liquid Discharge Desalination with Directional Salt Crystallization）为题发在 Advanced Science[1]。

图 | 相关论文（来源：Advanced Science）

赵德民是第一作者。

图 | 赵德民（来源：资料图）

山东第一医科大学丁美春副教授和李晨蔚教授担任共同通讯作者。

图 | 丁美春（来源：资料图）

后续，课题组一方面将深入探究太阳能蒸发器，在高盐度废水零液体排放脱盐中的应用；另一方面则将开发太阳能蒸发器系统，以实现医疗废水的高效处理和利用。

参考资料：

1.Zhao, D., Ding, M., Lin, T., Duan, Z., Wei, R., Feng, P., ... & Li, C. (2024). Gradient Graphene Spiral Sponges for Efficient Solar Evaporation and Zero Liquid Discharge Desalination with Directional Salt Crystallization.Advanced Science, 2400310.

运营/排版：何晨龙

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