摘要
基于“热局域”的光热界面蒸发，因其具有低能耗、低成本和可持续等优势，有望发展成为下一代太阳能海水淡化技术。尽管该技术在过去十年取得了巨大进步，但抗盐能力仍是其应用的重要障碍。与一般的抗盐策略相比，局部盐结晶策略的蒸发器因具备同时收集净水和固体盐的能力，受到人们的广泛关注。通常，这些蒸发器的输水结构由多孔介质构成，其在结构和输水特性上的局限性仍会导致在长期运行过程中出现盐垢堵塞等问题。为此，大自然中的开放毛细通道引起了人们的注意，因其快速定向的输液能力和先天的防堵特性为实现抗盐防垢提供了新的可能。另外，3D打印技术也凭借着设计自由度和原型验证等方面的优势，所以在加速蒸发器结构开发过程中备受关注。因此，本文针对目前太阳能蒸发器存在的盐垢堵塞问题，提出先进的仿生输水结构设计并结合3D打印技术加速原型验证，构建具有长效抗盐稳定性的3D太阳能蒸发器，探究其在海水、高浓盐水/重金属盐溶液淡化中的应用。 本文的第二章在受脊柱鸟尾蛤壳纹的启发下，设计并优化了一种具有快速定向输水能力的开放毛细通道。在研究脊柱鸟尾蛤壳纹的结构特征、毛细特性及生成机理的基础上，开展了开放毛细通道的结构仿生设计与优化研究。实验和理论计算表明，与U型和凹型槽相比，V型槽因具有较小的槽道截面和持液量，所以具有更高的毛细上升高度。 在上一章的基础上，利用3D打印技术（FDM）和聚吡咯（PPy）原位聚合方法，构建一种具有快速定向输水能力的3D圆台型蒸发器。SEM和EDX结果表明，V型槽阵列结构在沉积PPy前后得到很好的保持，超亲水的表面涂层由直径约为250nm的球状PPy颗粒堆积组成。蒸发器的中空圆构型和疏水底面，使其具备稳定的“自漂浮”能力，侧壁的V型槽阵列可实现快速定向输水。 第四章研究了3D圆台型蒸发器的海水淡化性能。3D圆台型蒸发器具有95.86%的光-蒸汽转换效率和1.73kg m-2h-1的纯水蒸发速率，得益于合理结构设计所带来的高效光利用（99.49%的太阳光吸收性能）和热调控（总热损失为约6.7%）。另外，蒸发器壁面具有一个独特的温度梯度，其主要与蒸发通量分布和“马兰戈尼”效应有关。最后，蒸发器在处理3.5wt%盐水时展现了出色的长效抗盐稳定性（＞12h）和局部盐结晶特性，并且其处理后的水质也达到了WHO的饮用水标准。 在前几章的基础上，提出局部盐结晶和盐回流的“二合一”集成抗盐策略，对3D圆台型蒸发器的表面结构进行改进，探索其在高浓盐水淡化的应用可能。SEM结果表明，改进3D圆台型蒸发器表面成功制备了V型槽-“棘突肋”阵列仿生结构。另外，蒸发器在淡化高浓盐水/重金属盐溶液中都展现出了出色的长效抗盐稳定性（＞12h）和局部盐结晶特性，并且其处理后的溶液均满足排放标准（GB3838-2002）。进一步的抗盐机制实验表明：V型槽-“棘突肋”结构可以在实现局部盐结晶的情况下，提供了大量的微区盐回流来提高抗盐能力。
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