香港理工大學(xué)研發(fā)3D打印氣凝膠，僅用陽(yáng)光高效將海水轉(zhuǎn)化為飲用水

導(dǎo)讀：眾所周知，全球一些地區(qū)缺乏清潔的飲用水，而海水淡化是解決這一問(wèn)題的一種方法。然而，傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)存在高能耗和高成本的問(wèn)題，使得這種方法難以普及。因此，需要一種轉(zhuǎn)化效率更高的新技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)全球水資源危機(jī)的挑戰(zhàn)。

△相關(guān)研究成果已發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)能源快報(bào)》（ACS Energy Letters）上，題目為“通過(guò)添加冷凍印刷氣凝膠實(shí)現(xiàn)尺寸不敏感的蒸汽擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的海水淡化”（傳送門(mén)）

2025年8月6日，南極熊獲悉，香港理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出一種海綿狀3D打印氣凝膠材料，僅依靠陽(yáng)光即可高效將海水轉(zhuǎn)化為飲用水，為全球飲用水短缺問(wèn)題提供了全新解決思路。

△通過(guò)3D打印技術(shù)制備分級(jí)多孔氣凝膠蒸發(fā)器流程示意

科學(xué)家們的新方法基于現(xiàn)有技術(shù)。它使用由多孔材料制成的太陽(yáng)能蒸發(fā)器。海水蒸發(fā)后，蒸汽被收集起來(lái)。蒸汽冷卻后，就變成了可飲用的淡化水。但有一個(gè)問(wèn)題：可擴(kuò)展性。盡管人們嘗試過(guò)擴(kuò)大這些蒸發(fā)器的規(guī)模，但產(chǎn)量并沒(méi)有以相同的速度增長(zhǎng)。這是因?yàn)樵隗w積大、厚度大、孔隙微小的材料中，蒸汽也會(huì)被困住。因此，這種方法效率不高，而且運(yùn)行速度很慢。

香港理工大學(xué)的研究人員在沈曦教授的帶領(lǐng)下，開(kāi)發(fā)了一種由纖維素納米纖維和碳納米管制成的氣凝膠。這種凝膠采用一種名為“冷凍3D打印”的工藝成型。與傳統(tǒng)打印方式一樣，材料逐層打印，但每層都會(huì)立即進(jìn)行速凍。一層固化后，再添加下一層。這一工藝創(chuàng)造出具有連續(xù)垂直通道和超薄壁的結(jié)構(gòu)。最終得到的材料類(lèi)似于海綿，每個(gè)垂直孔洞的寬度約為20微米。

△這些并非傳統(tǒng)的過(guò)濾材料，而是一種新型3D打印材料，可以吸收海水并凈化為無(wú)鹽水

太陽(yáng)能和3D打印氣凝膠結(jié)構(gòu)提供清潔飲用水

研究團(tuán)隊(duì)使用大小各異的方形材料進(jìn)行了測(cè)試，這些材料從最小的 0.4 英寸（1厘米）寬到最大的3英寸（8厘米）寬不等。無(wú)論大小，水的蒸發(fā)率都保持相同。隨后，團(tuán)隊(duì)將這些“海綿”放入盛有海水的杯子中，并用透明塑料覆蓋，進(jìn)行戶(hù)外測(cè)試。陽(yáng)光加熱表面，導(dǎo)致水蒸發(fā)，但鹽不會(huì)蒸發(fā)。這些干凈的水蒸氣隨后聚集在塑料蓋的底面上。冷卻后，它會(huì)重新凝結(jié)成液體，滴入漏斗，然后流入下面的容器中。

沈教授表示： “我們的氣凝膠可以實(shí)現(xiàn)任何尺寸的全容量海水淡化，為無(wú)能源海水淡化生產(chǎn)清潔水提供了一種簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展的解決方案。”

經(jīng)測(cè)試，只需在自然陽(yáng)光下照射六個(gè)小時(shí)，這個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)就能產(chǎn)生約“3湯匙”的淡水，并且它的質(zhì)量在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。他們還發(fā)現(xiàn)，即使氣凝膠的表面積增加，水蒸氣也能快速通過(guò)結(jié)構(gòu)逸出。這意味著該方法真正具有可擴(kuò)展性。在一項(xiàng)測(cè)試中，結(jié)垢造成的性能損失僅為5%左右，而其它材料的性能損失則超過(guò)40%。

團(tuán)隊(duì)下一步將聚焦于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下的長(zhǎng)期測(cè)試，評(píng)估材料更換頻率及耐久性。此項(xiàng)創(chuàng)新有望推動(dòng)低能耗、低成本、可大規(guī)模部署的海水淡化解決方案，為沿海及缺水地區(qū)帶來(lái)切實(shí)福音。