清华大学《Adv Mater》：基于3D超亲水泡沫，用废热实现海水淡化！

水资源短缺严重制约了欠发达地区的社会发展，据报道超过11亿人可能面临水危机。尽管热蒸馏和反渗透技术已被开发用于淡水生产，然而，其成本高、设备复杂、能耗大，因此难以广泛应用，同时它还产生严重的二次污染物和温室气体排放。因此，以可持续和广泛使用的方式获得清洁水仍然是一个巨大的挑战。同时，低效的燃料利用不可避免地以废热的形式损失掉，废热消耗了地球总能源的52%，并且在未来几十年随着人口的增长而快速增长。大约63%的废热温度低于 100℃，称为低品位废热 (LGWH)。LGWH无处不在，并与世界各地的人类活动共存，这可以为解决淡水危机提供一种有希望的力量，而无需额外的能源消耗和碳排放，它可以为解决淡水危机提供有效的动力，而无需额外的能源消耗和碳排放。

来自清华大学的学者开发了3D超亲水聚氨酯/海藻酸钠（PU/SA）泡沫和LGWH驱动的界面水蒸发系统，可以从海水中沉淀出超过80 L m⁻² h⁻¹的蒸汽，并且具有良好的净化耐久性。高盐废水。 PU/SA泡沫的3D骨架上形成的优异的吸水能力、畅通的水传输以及均匀的薄水层确保了LGWH与流体水之间的强烈热交换。因此，一旦 LGWH 作为热流引入 PU/SA 泡沫中，热局部 PU/SA 泡沫就能实现高效的能量利用和超快的水蒸发。此外，PU/SA泡沫上的沉淀盐可以通过机械压缩轻松去除，且多次沉淀去除后水分蒸发速率几乎没有下降。同时，收集到的洁净水离子截留率高达99.6%，符合世界卫生组织（WHO）饮用水标准。最重要的是，这种 LGWH 驱动的界面水蒸发系统为清洁水生产和水盐分离提供了一种有前途且易于获得的解决方案，且不会给社会带来额外的能源负担。相关文章以“Low-Grade Waste Heat Enables Over 80 Lm⁻² h⁻¹ Interfacial Steam Generation Based on 3D Superhydrophilic Foam”标题发表在Advanced Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202211932

图 1. PU/SA 泡沫的制备和表征。 a) PU/SA泡沫制备过程示意图。 b) PU/SA 泡沫的照片。 c) 不同放大倍数的 PU/SA 泡沫的数码照片和 d,g) SEM 图像。 e) PU/SA 泡沫骨架的横截面 SEM 图像和 f) 侧视图。

图 2. PU/SA 泡沫特性表征。 a,b) 原始 PU 泡沫 (a) 和 PU/SA 泡沫 (b) 的水接触角图像。 c) PU/SA 泡沫在干（上）和湿（下）状态下的显微镜图像。 d）具有不同SA重量比的PU/SA泡沫在平衡状态下的水接触角。 e) PU/SA 泡沫在 10% 至70% 应变下的压缩应力-应变曲线。 f) 压缩面积仅为 25 cm² 的 PU/SA 泡沫在 50% 应变下进行 1000 个循环的应力-应变曲线。

图 3. PU/SA 泡沫蒸发性能的优化。 a）LGWH驱动的水蒸发系统的运行示意图。b）室温和70℃ LGWH 下纯水蒸发的质量变化。 c) PU/SA 泡沫的蒸发速率对 SA 重量比的依赖性。d) PU/SA 蒸发速率对 PU/SA 泡沫在 z 轴长度的依赖性。 e) PU/SA 蒸发速率对孔径的依赖性（PU/SA 泡沫中 SA 重量比：6.7%；LGWH 温度：70 °C；z 轴：10 mm）。f) PU/SA 蒸发速率对孔径的依赖性以及 PU/SA 泡沫在 z 轴上的长度（PU/SA泡沫中 SA 重量比：6.7%；LGWH 温度：70℃）。 g) PU/SA 蒸发速率对 5 和 10 m s⁻¹温度和 LGWH 源流速的依赖性。 h) 系统能量流示意图。 i) 不同温度LGWH下蒸发率与以往报道的比较。

图 4.用于清洁水生产和水盐分离的盐水和废水处理。 a) 使用 70℃ LGWH 驱动的界面水蒸发系统，对流流速为 10 m s⁻¹，各种超咸水（3.5、10、20 wt% NaCl 溶液）的质量变化。 b) 显示 PU/SA 泡沫上局部结晶的光学图像。 c) 所收集的盐从具有局部结晶的 PU/SA 泡沫中分离出来的光学图像。 d) 测量人造海水和收集水中八种主要金属离子的浓度。 e) PU/SA泡沫蒸汽发生10次循环的循环稳定性。f) 计算机数控加工废液净化后的原水、收集水和收集盐的数码照片。 g) 固体废物的放大数码照片。 h) 计算机数控加工废液净化后的原水和收集水中的总有机碳（TOC）、化学需氧量（COD）、总溶解固体（TDS）。

图 5. LGWH 驱动的界面水蒸发系统应用的年清洁水产量模型。 a) 2021年全球LGWH能源排放地图。b) 2021 年全球典型 10 个一次能源消费国家 LGWH 能源排放量和人均排放量。 c) 基于 LGWH 利用系统模型的每年清洁水生产量和人均清洁水生产量

本研究开发了一种基于多孔超亲水 PU/SA 泡沫的 LGWH 驱动的界面水蒸发系统，该系统展示了从海水中产生超过 80 L m⁻² h⁻¹的卓越蒸汽速率。 LGWH以热流方式设计到PU/SA泡沫中，具有优异的吸水能力、通畅的水传输和内部均匀的薄水层，使热量在泡沫中局部传递，大大降低了水蒸发的能耗。成功证明了 PU/SA 泡沫用于海水或高盐废水净化的可行性，在收集的水中实现了 99.6% 的高离子截留率。此外，剩余的盐可以通过 PU/SA 泡沫的机械压缩轻松收集。最重要的是，这种 LGWH 驱动的界面水蒸发系统具有轻松产生水蒸汽、盐水分离和盐回收的潜力。（文：SSC）