朱嘉课题组：仿生睡莲叶结构用于高效稳定的高浓污水处理

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伴随着人口迅速增长和日益严重的水污染问题，如何缓解水资源短缺压力、有效处理废水已成为全球亟需解决的问题。人们发展了诸多水处理技术 ，以缓解这些问题，如反式渗透膜、超滤膜技术等。然而目前对于处理高浓盐水（大于7%盐度）或者污水依旧未有高效廉价的方法。对于被广泛使用的膜处理技术，高浓盐水、污水的处理过程对膜的损伤极大；浓缩/结晶法需消耗大量能量。因此寻找新的高效、稳定、廉价的处理高浓海水、污水的方法是当前备受关注的议题之一。近几年来，界面太阳能蒸汽技术由于其低碳环保，无需额外能量输入等特点给海水淡化、污水处理提供了新的可能。然而，在处理高浓盐水、污水过程中，器件结盐结垢问题严重，这会严重遮挡太阳光的吸收、阻碍水的充足供应，使得光热转化效率衰减迅速，甚至导致器件的失效。
针对这一问题，朱嘉教授课题组受睡莲叶片结构启发，设计了一种多级结构（Water-lily-inspired Hierarchical Structure, WHS）的光热-蒸汽转化器件，在处理10 wt%的高浓盐水和30 wt%的污水时，可实现80%的光热转化效率。更值得一提的是，在处理高浓盐水和污水直至蒸发完全（即“零排放”）的过程中，光热转化效率并未出现明显的下降，且表面依旧可以保持洁净。该工作以《A Water-lily-inspired Hierarchical Design for Stable and Efficient Solar Evaporation of High Salinity Brine》为题发表在Science Advances上 (DOI: 10.1126/sciadv.aaw7013) 。
如图1A, B所见，自然界中的睡莲叶片有着十分有趣的结构。首先叶片的表面可以吸收太阳光，且其上分布着充足的用来逸散蒸汽的气孔。同时它的表面是疏水的，能够有效的自清洁。其次，睡莲叶片内部由许多空心腔室，使得整个叶片可以自然的漂浮于水面之上。最后，睡莲叶片和细长的根茎相连，可以通过根茎给整个叶片提供充足的水供应。

图1. 受睡莲叶启发的多级结构（WHS）器件设计图。A和B分别是睡莲叶和WHS器件的示意图。它们有着共同的特点：疏水上表层吸收太阳光，并为蒸汽逸散提供气孔；叶片内的气体腔室可以提供更大浮力让叶片漂浮；根茎可以提供局域的水通道，减少传导热损失。C展示了薄层水夹于吸收体和底座之间的微米级示意图。D图展示了吸收体上的纳米结构对于光吸收的影响。E图展示了吸收体表面分子链尺度的修饰，使样品表面疏水。
研究团队设计的WHS器件包括了一个顶部的太阳光吸收体和一个底座，它们和睡莲叶片有着相似的特性（图1B）。如图1C所示，顶部的吸收体和睡莲叶的表面一般，具有丰富的微米孔道结构，像人工“气孔”一般，给蒸汽提供有效逸散的孔道。吸收体表面有许多纳米级的突起（图1D），可以有效地捕获太阳光，同时也为表面的疏水特性提供结构基础 (1E)。仿照叶片内的腔室结构，研究者在泡沫铜下方安装了一个带孔道的聚苯乙烯底座，使得整个装置可以漂浮在水上。聚苯乙烯底座具有很低的热导（＜0.04 W m-1 K-1）,可以抑制热向水体的扩散。最后如同睡莲叶片的根茎一样，采用准一维的通道（聚苯乙烯底座内的局域的孔道）进行水供应。
当WHS器件处理盐水和污水时，水会从底座中的孔道进入。由于顶层的吸收体两面是疏水的，水不会进入吸收体的内部，而是会夹在吸收体和底座中的薄层空间内。这一层薄层的水是实现稳定、高效地处理浓盐水的关键。太阳能被吸收体吸收转化为热能后局域在薄水层中，实现如同界面加热一般高效的光热-蒸汽转化。同时，由于蒸发发生在顶部吸收体的下表面，随着水的蒸发，盐和溶质不会在上表面析出，而是向下排出，通过底座的孔道扩散到底部的块体水中。
研究团队对此WHS器件进行光-蒸汽转化的性能测试。对于纯水，10 wt%盐水，30 wt%的污水，WHS器件分别有着79.8%，78.5% 和77.2%的光热转化效率，及 1.31 kg m-2 h-1, 1.28 kg m-2 h-1 和 1.27 kg m-2 h-1 的蒸汽产出量。在处理10 wt%浓盐水过程中，研究者将其与传统吸收体进行对比实验。在一个太阳下，利用WHS器件进行水处理，器件表面可持续保持洁净，且其蒸发量一直保持在持续较高的水平。而对于传统吸收体，盐逐渐在表面析出，阻碍了太阳光的吸收，故而其蒸发量亦逐渐下降。而在相同条件下，通过计算可得，WHS器件8小时内的平均蒸发量是1.39 kg m-2 h-1，比传统吸收体的平均蒸发量，0.97 kg m-2 h-1高出约1.4倍。
WHS器件在处理盐水或者污水时，能实现固液体的完全分离。当WHS器件漂浮在盐水（污水）表面时，随着水逐渐蒸发，WHS器件逐步下移，直至将水完全蒸发留下盐或者溶质。值得一提的是，在此过程中，WHS器件表现出持续稳定的水蒸发效率，且表面并未有污染（盐或溶质的析出）。此过程中WHS器件表面照片展示在图3A和3B中的第二列插图处。当水完全蒸发后，留下的盐或溶质可以很容易被取出，如图3A和3B的右下角插图所示。
朱嘉教授课题组14级毕业生徐凝以及16级毕业生李金磊为文章共同第一作者，现工院朱嘉教授为论文的通讯作者，并得到了南京大学祝世宁院士的指导与支持。该研究得到了固体微结构国家实验室（筹）微加工中心的技术支持， 和国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项基金项目的资助。


朱嘉,南京大学教授、博士生导师、“青年973”首席科学家、入选中组部“青年##计划”。博士毕业于美国斯坦福大学电子工程系硕士和博士，随后在加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室从事新能源和环境领域的研究。在 Nature Nanotechnology, Nature Materials, Nano Letters, Materials Science and Engineering Report等国际权威学术期刊上发表20余篇论文，他人引用次数超过1000次。研究成果多次被 Science Daily, Nature Nanotechnology, MIT Tech Review等学术期刊、科学杂志和新闻机构作为 “Research Highlights”, “Cover Article”, “News Focus” 等专题报道，产生了广泛的国际影响。受邀在国际会议、世界著名学府和美国能源部做过30多场专题报告，同时是20多个国际学术期刊的特约审稿人。获得多项重要国际和国家级学术奖项包括，美国化学学会无机化学青年科学家奖，美国材料学会研究生金奖，中国政府优秀自费留学生奖等。