研究背景

海水淡化是应对水资源短缺问题的一种有效手段。现有的海水淡化技术主要包括反渗透、蒸馏和电渗析等，但这些技术通常存在能耗高、成本大和环境影响较大的问题。因此，研究人员一直在寻找更高效、更可持续的海水淡化材料和方法。

暨南大学化学与材料学院刘明贤教授团队在《Chemical Engineering Journal》发表了题为"3D printing of porous ceramic scaffold based halloysite clay for efficient seawater desalination"的研究，设计一种新型的陶瓷材料，通过DIW墨水直写3D打印成多孔陶瓷支架以提高海水淡化过程的效率。

研究内容

全球约96.5%的水存在于海洋中，由于海水含盐量高，不能直接饮用。预计到2050年，全球87个国家将面临水资源短缺的问题，迫切需要创新的清洁水生产和运输技术。海水淡化是一种主要通过热、机械或化学方法实现的淡水生产解决方案。太阳能蒸馏因其低成本和环保优势，尤其在光热材料和结构工程的快速发展背景下，成为一种具有前景的技术。

近年来，具有高光吸收和光热转换效率的光热材料已被广泛应用于海水淡化，纤维材料能利用太阳辐射产生水蒸气。一些研究也开发了高效的太阳能蒸发器，提升了蒸发速率和效率。但与二维蒸发器相比，三维多孔结构的3D打印陶瓷支架更具耐用性和光吸收能力。

因此，本研究制备了一种基于埃洛石粘土纳米管（HNTs）、硅酸钠（SS）和聚乙二醇（PEG）的3D打印复合墨水，采用DIW墨水直写3D打印和高温烧结技术制造多孔陶瓷支架（PCS）。通过涂覆聚多巴胺（PDA），增强了支架的亲水性和光热性能。

研究方法及数据

图1：HNTs/SS/PEG陶瓷浆料的3D打印特性

(a) HNTs/SS/PEG陶瓷浆料的3D打印示意图。(b) 不同HNTs质量分数下HNTs/SS/PEG浆料的状态...

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图2：材料结构与性能表征

(a) HNTs、SS和PEG之间的相互作用。(b) XRD。(c-d) FT-IR。(e) SS、PEG、HNTs粉末...

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图3：3D打印过程与结构表征

(a) 不同直径喷嘴喷出的墨水的光学照片。(b) DIW 3D打印过程图像。(c) 固化前后的结构高度...

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图4：多孔结构与性能分析

(a) 不同填充率的3D打印PCS。(b、c) 多孔结构和孔径的显微图像。(d) 不同填充率下的密度...

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图5：PDA涂层制备过程

（a）PDA涂层制备过程示意图。（b、c）涂层PCS的SEM和EDS映射。

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图6：涂层陶瓷表面温度与蒸发性能

（a、b）涂层陶瓷在干湿状态下的表面温度分布。插图为实验装置和相应的红外图像...

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图7：不同盐度下的蒸发性能

（a、b）涂层陶瓷在不同盐度溶液（3.5、7.0、15.0、20.0 wt% NaCl溶液）中的质量变化...

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图8：太阳能海水净化设备与效果

(a、b) 由PDA涂层PCS制成的太阳能海水净化设备和室外海水淡化。(c) 实际的渤海海水样品...

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性能指标

研究结论

3D PCS具有丰富的互连三维孔结构，抗压强度约为85 MPa。通过合理设计蒸发装置，PDA涂覆的PCS在1个太阳辐射下实现了1.53 kg m^-2h^-1的高蒸发速率和84.2％的效率。涂层陶瓷在处理高浓度盐水（20wt％NaCl溶液）和渤海海水时可实现水的持续快速蒸发。蒸发器还具有良好的室外蒸发和净化能力。