香港理工大學(xué)研發(fā)3D打印氣凝膠，僅用陽光高效將海水轉(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)來應(yīng)對全球水資源危機的挑戰(zhàn)。

△相關(guān)研究成果已發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會能源快報》（ACS Energy Letters）上，題目為“通過添加冷凍印刷氣凝膠實現(xiàn)尺寸不敏感的蒸汽擴散，實現(xiàn)可擴展的海水淡化”（傳送門）

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

△通過3D打印技術(shù)制備分級多孔氣凝膠蒸發(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能蒸發(fā)器。海水蒸發(fā)后，蒸汽被收集起來。蒸汽冷卻后，就變成了可飲用的淡化水。但有一個問題：可擴展性。盡管人們嘗試過擴大這些蒸發(fā)器的規(guī)模，但產(chǎn)量并沒有以相同的速度增長。這是因為在體積大、厚度大、孔隙微小的材料中，蒸汽也會被困住。因此，這種方法效率不高，而且運行速度很慢。

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，但每層都會立即進行速凍。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)。最終得到的材料類似于海綿，每個垂直孔洞的寬度約為20微米。

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

太陽能和3D打印氣凝膠結(jié)構(gòu)提供清潔飲用水

研究團隊使用大小各異的方形材料進行了測試，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。無論大小，水的蒸發(fā)率都保持相同。隨后，團隊將這些“海綿”放入盛有海水的杯子中，并用透明塑料覆蓋，進行戶外測試。陽光加熱表面，導(dǎo)致水蒸發(fā)，但鹽不會蒸發(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現(xiàn)任何尺寸的全容量海水淡化，為無能源海水淡化生產(chǎn)清潔水提供了一種簡單、可擴展的解決方案。”

經(jīng)測試，只需在自然陽光下照射六個小時，這個簡單的系統(tǒng)就能產(chǎn)生約“3湯匙”的淡水，并且它的質(zhì)量在較長時間內(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結(jié)構(gòu)逸出。這意味著該方法真正具有可擴展性。在一項測試中，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40%。

團隊下一步將聚焦于實際應(yīng)用環(huán)境下的長期測試，評估材料更換頻率及耐久性。此項創(chuàng)新有望推動低能耗、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)帶來切實福音。