仿生光热蒸发织物：低成本、可规模化的新一代水净化技术
仿生光热蒸发织物：低成本、可规模化的新一代水净化技术
随着全球人口增长和环境污染加剧，淡水短缺已成为一个日益严峻的全球性问题。传统的海水淡化和废水处理技术往往需要大量能源且成本高昂。为应对这一挑战，东华大学和西安交通大学的研究团队开发了一种创新的仿生光热蒸发织物，该技术不仅成本低廉、可规模化生产，而且具有高效的水净化能力。
研究背景
传统的海水淡化和废水处理技术是能源密集型和昂贵的。因此，有必要开发一种低成本、低能耗的高效战略。光热界面蒸发一直被认为是缓解淡水短缺的一种很有前途的方法。受蜻蜓翅膀启发，通过可扩展静电植绒技术，在棉织物（CWF）表面构建了一个由液相氧化垂直排列CF（LO-VACF）组成的3D微阵列结构，用于高效水蒸发。
技术原理与制备方法
研究团队采用静电植绒技术，利用高压静电场在给定的基底上植入纤维的三维阵列结构。具体来说，使用静电植绒技术的“向上方法”来制备LO-VACFs/CWF。上板和下板分别与高压线和地线接触，以产生均匀的电场力。在高压电场下，末端具有相反电荷的LO-CF可均匀地插入上板上的基板中。
图1. LO-VACFs/CWF原理图
性能优势
LO-CFs具有优异的光热效应和高导热性，可以快速将热量传递到界面水进行蒸发。这种3D微阵列结构不仅扩展了光散射途径，实现全方位的高光吸收，而且促进了快速的蒸汽逸出。此外，通道阵列结构还可以实现快速的离子扩散，避免太阳能蒸汽生成过程中的盐分积累。
图2. LO-VACFs/CWF的制备和物理性能
特别地，结合LO-CF表面的纳米毛细管和LO-CF的微阵列结构，可以产生强的多尺度毛细管效应，以形成在LO-CF阵列中包含大量微弯月面和纳米级薄水层的3D水蒸发表面，从而产生更多的用于蒸发的水/空气界面。此外，得益于LO-CF的亲水性，薄水层的疏水状态发生了显著变化，导致蒸发焓降低。
图3. LO-VACFs/CWF的光热性能
应用前景
研究团队开发的这种仿生光热蒸发织物在实际应用中表现出色。在1.0 sun光照条件下，蒸发速率达到2.21 kg m−2 h−1。此外，通过静电植绒技术的灵活可设计性，制作了宏观三维球形LO VACFs/CWF蒸发器，即使在3.5 wt.%NaCl溶液中8小时，也能获得2.73 kg m−2 h−1的高水分蒸发率。具有多个3D球体的离网水处理装置可以在真实环境条件下实现每天10.71 kg m−2的高纯水收集，在海水淡化和废水处理方面显示出很高的应用潜力。
图4. LO-VACFs/CWF的蒸发性能测试
总结
这项研究通过模仿蜻蜓翅膀的微观结构，结合静电植绒技术，成功开发了一种具有优异光热性能和高效蒸发能力的仿生光热蒸发织物。这种技术不仅成本低廉、可规模化生产，而且在海水淡化和废水处理等领域展现出广阔的应用前景。未来，如何将这种低成本可规模化的蒸发器真正用于界面蒸发是值得进一步研究和讨论的。
原文链接：
Y. Tian, R. Song, Y. Li, R. Zhu, X. Yang, D. Wu, X. Wang, J. Song, J. Yu, T. Gao, F. Li, Biomimetic Structural Design of Fabric for Low-Cost, Scalable, and Highly Efficient Off-Grid Solar-Driven Water Purification. Adv. Funct. Mater. 2024, 2309470.
https://doi.org/10.1002/adfm.202309470