3D打印埃洛石多孔陶瓷支架在高效海水淡化的应用

  全球淡水短缺问题严峻，海水淡化是关键解决方案，太阳能驱动界面蒸发技术因高效环保受关注，但存在盐积累、光吸收不足、结构稳定性差等挑战。暨南大学刘明贤教授团队合作开展研究，制备出聚多巴胺（PDA）涂层的埃洛石粘土基多孔陶瓷支架（PCS），作为太阳能界面蒸发器用于海水淡化。该团队通过直接墨水书写（DIW）3D打印技术制备PCS，其具有优异抗压强度、耐腐蚀性和化学稳定性，PDA涂层增强亲水性，促进蒸发表面补水，实现高效抗盐海水淡化。相关工作以“3D printing of porous ceramic scaffold based halloysite clay for efficient seawater desalination”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上。2022级硕士生周心愿为该论文第一作者，刘明贤教授为唯一通讯作者。
研究内容
     通过旋转流变仪测试不同剪切速率下的粘度变化、频率扫描和循环应变测试等方法，研究了HNTs/SS/PEG复合油墨的流变特性。结果表明，67% HNTs质量分数的油墨具有明显的剪切稀化行为和高存储模量，能顺利挤出且打印后保持形状，适合3D打印。

运用XRD、FT-IR、Zeta电位分析和热重分析等手段，研究了HNTs、SS和PEG之间的相互作用及烧结后的结构变化。结果显示，三者通过静电作用和氢键形成网络结构，烧结后HNTs转化为莫来石相，陶瓷支架具有良好的热稳定性。

借助光学显微镜观察和3D打印实验，研究了油墨的可打印性和支架的结构稳定性。结果表明，油墨能从不同直径喷嘴顺利挤出，打印的模型干燥后仅轻微收缩，可形成复杂的多孔结构和稳定的三维模型。

通过SEM、EDS和压缩测试等方法，研究了不同填充率PCS的微观结构、元素分布和抗压强度。结果显示，填充率70%的PCS具有44%的孔隙率和85 MPa的抗压强度，烧结后形成致密但仍有微孔的结构，有利于水传输。

利用SEM和EDS mapping等技术，研究了PDA在陶瓷表面的涂覆过程和表面形貌。结果表明，通过多巴胺自聚合成功在PCS表面均匀涂覆PDA，涂层中含有氮元素，证明PDA成功附着。

采用红外热成像和蒸发实验等方法，研究了PDA涂层PCS的光热转换效率和水蒸发性能。结果显示，涂层后表面温度在1 sun照射下快速升至37℃，蒸发速率达1.53 kg·m⁻²·h⁻¹，效率84.2%，填充率70%时性能最佳。

    通过不同盐浓度溶液和实际海水的蒸发实验，研究了PCS的抗盐性能和长期稳定性。结果表明，PCS在20%高盐溶液中仍保持2.52 kg·m⁻²·h⁻¹的蒸发速率，在海水中连续蒸发7天，蒸发速率稳定在2.40 kg·m⁻²·h⁻¹，盐晶体可自行消失。
    通过户外蒸发装置和水质分析，研究了PCS在实际环境中的海水淡化效果。结果显示，淡化后海水中Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺离子浓度降低3-4个数量级，符合WHO饮用水标准，电阻从151.8 kΩ升至1.433 MΩ，证明高效淡化能力。

研究结论
     本研究采用直接墨水书写3D打印和烧结技术，制备出用于太阳能海水淡化的3D多孔陶瓷支架（PCS）。HNTs、硅酸钠和聚乙二醇间的强相互作用，使固含量67%的复合油墨具有良好打印适性和形状保真度，打印的PCS呈蜂窝状结构，抗压强度约85 MPa。聚多巴胺（PDA）涂层的PCS在1个太阳光照下，蒸发速率达1.53千克/平方米/小时，效率84.2%，处理高浓度盐水和渤海海水时能持续快速蒸发，且户外蒸发净化能力良好。PDA涂层3D打印埃洛石PCS在太阳能海水淡化领域应用前景广阔，为大规模海水淡化和水净化开辟新途径。

文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157659