科學家3D打印太陽能海綿用于海水淡化，有望改變清潔水資源獲取方式
時間：2025-07-11 10:46 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：多孔材料被廣泛用作太陽能海水淡化的光熱蒸發器。然而，傳統蒸發器的性能會隨著尺寸的增加而顯著下降，限制了其從實驗室規模到實際應用的可擴展性。
2025年7月10日，來自香港理工大學航空及航天工程系的一組研究團隊開發出了一種突破性的海綿狀氣凝膠，僅利用陽光就可以將海水轉化為干凈的飲用水。
△這不是紙張，而是一種3D打印材料，可以吸收海水，將其凈化成無鹽水。圖片來源：改編自ACS EnergyLetters 2025
與早期材料不同，這種3D打印結構充滿了微小的垂直通道，即使在較大尺度下也能高效蒸發水分。在戶外測試中，該海綿僅用數小時便產出了飲用水，而且無需電力或復雜的基礎設施。團隊的研究成果以題為“Size-Insensitive VaporDiffusion Enabled by Additive Freeze-Printed Aerogels for Scalable Desalination/利用添加劑冷凍打印氣凝膠實現尺寸不敏感蒸汽擴散，實現可擴展的海水淡化”的論文發表在《美國化學學會能源快報》（ACS Energy Letters）上。
將陽光轉化為淡水
地球上的大部分水都存在于海洋中，但海洋的鹽度太高，無法飲用。雖然海水淡化廠可以去除鹽分，使海水可以飲用，但通常會消耗大量能源。現在，研究人員開發出一種很有前景的新材料，可以改變這一現狀。本研究中開發的海綿狀結構中充滿了細長、微小的氣孔，可以利用陽光將海水轉化為干凈的淡水。在一次戶外測試中，這個簡單的系統——僅用一塊海綿和一個透明的塑料蓋——成功地利用自然光生產出了飲用水。這標志著低能耗、可持續的海水淡化技術朝著更易于普及的方向邁出了一步。
從絲瓜絡到氣凝膠：太陽能海綿的進化史
科學家們一直在嘗試利用太陽能材料凈化水。早期的一個例子是使用一種受絲瓜絡啟發的水凝膠，其中填充了特殊的聚合物。當它暴露在陽光下時，會升溫并從污水中釋放出干凈的水蒸氣。這類水凝膠質地柔軟，充滿液體，但還有一類名為氣凝膠的材料，它們的硬度更高。
△一種受絲瓜絡啟發的多孔水凝膠可以在室溫下吸收污水，然后在加熱時迅速釋放純凈水。改編自 ACS Central Science 2023，DOI：10.1021/acscentsci.2c01245
這些材料具有實體孔隙，可以通過其結構輸送水或蒸汽。氣凝膠在海水淡化方面已展現出良好的前景，但隨著尺寸的增大，效率往往會降低。為了解決這個問題，項目負責人沈教授和同事著手設計一種新型氣凝膠，無論尺寸大小，都能保持同樣的效率。
3D打印微通道海綿氣凝膠
研究人員制作了一種含有碳納米管和纖維素納米纖維的糊狀物，然后將其3D打印到冷凍的表面上，讓每一層都凝固后再添加下一層。這個過程形成了一種海綿狀的材料，上面均勻分布著微小的垂直孔洞，每個孔洞的寬度約為20微米。他們測試了這種材料的方形碎片，尺寸從0.4英寸（1厘米）到約3英寸（8厘米）不等，發現較大的碎片通過蒸發釋放水分的效率與較小的碎片一樣高，解決了以往氣凝膠設計中常見的結垢問題。
在一項戶外測試中，研究人員將這種材料放入一個裝有海水的杯子中，并用一個彎曲的透明塑料蓋蓋住。陽光加熱了海綿狀材料的頂部，只蒸發了水，而不是鹽，變成了水蒸氣。水蒸氣在塑料蓋上以液體形式聚集，將現在干凈的水移到邊緣，然后滴入杯子下方的漏斗和容器中。在自然陽光下照射6小時后，該系統產生了約3湯匙的飲用水。
△一個定制裝置利用自然陽光去除海水中的鹽分，它使用一個裝有海水的燒杯、一塊黑色氣凝膠和一個彎曲的塑料蓋，將鹽滴入漏斗和燒杯中。（圖片來源：ACS Energy Letters）
最后，沈教授表示：“我們的氣凝膠可以實現任何規模的全容量海水淡化，這為無能源海水淡化生產清潔水提供了一種簡單、可擴展的解決方案。”
(責任編輯：admin)
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