仿生太阳能海水淡化装置成功实现蒸馏水、自主盐收集和零卤水排放
海水淡化是当今阿拉伯国家和其他干旱地区产生淡水的主要方法，传统的海水淡化工艺严重依赖化石燃料并将高浓度卤水排放回海，两者都导致了严重的环境负担。因此，非常有必要寻求清洁能源驱动的海水淡化新工艺，这有助于实现清洁能源、清洁水等全球可持续发展目标。近日，阿联酋哈利法大学张铁军教授团队发明了一种仿生红树林的海水淡化脱盐装置，利用太阳能驱动水分蒸馏，同时实现盐分结晶自主收集，全过程无卤水排放回海。
随着经济的快速发展和人口的快速增长，超过30%的人口将无法获得清洁淡水。为了解决这一问题，电力驱动的反渗透和热脱盐一直被用于从海水中生产淡水，但这类工艺直接或间接依赖于大量的化石燃料。此外生产过程中排出的高浓度盐水已经引起了严重的环境问题，会损害水生生物的多样性。因此，对可再生能源驱动的清洁环保海水淡化技术的需求十分迫切。对此，太阳能蒸馏提供了一种可行的技术途径，在适当的热管理及界面加热的驱动下，利用太阳能生产清洁淡水。其中，副产物卤盐水的管理与处理是太阳能蒸馏中亟待解决的问题。高浓度盐水的排放会造成环境污染，而蒸馏器光热界面中心的盐层堆积又会阻碍光吸收和蒸汽释放，最终降低整体热效率和太阳能蒸汽发生器的适用性。
哈利法大学的张铁军教授团队开发的红树林仿生太阳能蒸馏器很好地解决了上述难题。受到红树林树干无动力水输送和树叶盐结晶能力的启发，他们对钛网进行化学刻蚀使其具有超亲水微纳结构，并制成了具有防腐蚀多孔芯杆和多层叶片的仿生太阳能驱动蒸发器，该装置能够在不排放卤盐水的情况下自动收集蒸馏水和结晶盐。在自然界，盐分泌和边缘结晶发生在叶片中有盐腺的天然红树林中，结晶盐会随红树林叶片自然脱落（如图1左）。同理，仿生叶片能够使其边缘的盐结晶，保持叶片中心区域的清洁，以实现连续的太阳能驱动热蒸发和盐收集，而不会导致性能下降。其中，人造叶片能有效吸收阳光并促进光热转化，叶子表面的多孔结构也有利于水分蒸发；与此同时，可折叠的多孔茎与水接触，并通过毛细管力持续从海水中抽取水分，并实现到人造叶片的无动力单向水输送（如图1右）。在白天蒸发过程中，叶片边缘沉淀的盐形成多孔斑块，在晚上盐水使叶片重新湿润时，盐块会因重力而剥落。此外，他们的研究表明，这些边缘结晶的盐斑块可以将蒸发效果增强1.6倍，并证明了盐堵塞的太阳能蒸发器的蒸发率和热效率的降低主要是由于光吸收损失，而不是盐堵塞孔隙，因为沉淀的片状盐在黑暗下有助于更高的蒸发率。
图1.（左上）阿联酋阿布扎比的灰色红树林（Avicennia marina）植株和边缘盐结晶的红树林叶子。（右上）红树林仿生太阳能蒸馏结晶（solar vapor generator and crystallizer, SVGC)装置设计及其昼夜工作原理。（中右下）人造钛网树叶及边缘结晶盐脱落图片。
即使针对盐度为3.5 wt.%合成海水，这个仿生太阳能蒸馏器在通常日照下也可实现约94%的稳定光热转化效率；在室外条件下，它每天能从真正的海水中产生2.2 L m−2的淡水，这足以满足个人的饮用需求。
这种仿生太阳能蒸馏装置在清洁水生产和无动力盐收集方面表现出了强大的能力，为太阳能热利用、海水淡化、结晶盐收集及零卤水排放铺平了道路，也为应对全球水资源和环境挑战提供了一种新思路。
图2. 红树林模拟SVGC在不同照度下使用不同盐度的水进行性能评估。
张铁军教授，阿联酋哈利法大学工程与自然科学学院副院长、阿联酋MBZ（总理）科学院工程技术学部委员、阿布扎比虚拟研究院可再生能源发电领域负责人。2008年于香港城市大学取得博士学位，2008-2011在美国伦斯勒理工学院从事博士后研究，2011-2014在麻省理工学院任访问助理教授，2011年至今任职于阿联酋马斯达尔学院、哈利法大学。
张教授领导的跨学科团队主攻微纳米热流体科学、先进增材制造及其在太阳能发电与海水淡化、太空原位资源开采等领域的应用，已在Nature Communications、Nature Energy等国际一流学术期刊发表论文近百篇， 并拥有多项PCT国际发明专利。他曾获阿联酋国家产学研合作奖、阿布扎比卓越研究奖和美国国家科学院阿拉伯-美国前沿研究奖，也是美国机械工程师学会微纳米制造期刊（ASME-JMNM）副主编。
