随着世界人口的持续增长，淡水资源的稀缺逐渐成为一个全球性的挑战，引起了大家的广泛关注。近年来，作为一种可持续的节能技术，界面太阳能驱动的蒸汽发电技术已经取得了一些成果。然而，由于存在盐离子逐渐集中并最终在特定区域结晶的现象，当前的蒸汽发电器面临蒸发速率和能源效率下降的问题，这导致其蒸发性能变差，阻碍了蒸汽发电的稳定性和耐久性。
中国科学院化学研究所宋延林研究员、吴磊副研究员，中国科学院理化技术研究所董智超研究员等人受大黄鱼鳃丝高效排盐特性的启发，提出了一种仿鳃丝的三维水凝胶蒸发器，其具有特殊的多向离子迁移可控性。作者设计并制备了一种由带有珠状中空孔阵列结构的三维水凝胶，该结构确保了纵向离子的回流和微腔仿形阵列中的横向离子平流，实现了多向交叉盐离子迁移，确保了纯水（蒸发率为2. 53 kg m-2 h-1，能源效率为99.3%）以及高盐度盐水（25 wt%的NaCl溶液，2.11 kg m-2 h-1）的高蒸发性能，且在长期使用后没有盐结晶。此外，该三维水凝胶蒸发器具有良好的化学稳定性、机械性能和便携性，因此可以通过构建自循环锦鲤养殖系统用于养殖废水的初步淡化。
【仿鳃丝蒸发器的设计与蒸发性能】
作者受属于极海洋性物种的大黄鱼鳃丝的高效排盐特性，以及白鳍豚周身表面超快液体运输特性的启发，提出了一种基于仿生鳃丝的三维水凝胶蒸发器，它具有向下排列的珠状空心柱和上表面的微腔槽。这种具有增大比表面积的珠状轮廓可以通过毛细泵和水凝胶的渗透性膨胀迅速向仿生表面供应水，从而使蒸发器表面的热量局部化，这保证了纯水的高效蒸发（蒸发率为2. 53 kg m-2 h-1，能源效率为99.3%）。此外，空心孔为纵向的快速离子回流提供了有效的通道，加上微腔的仿生排列槽所带来的横向离子平流，实现了仿鳃丝蒸发器的水传输通道的多向交叉流设计。即使在25 wt%的盐水中，其蒸发速率也能达到2.11kg m-2 h-1，且在140小时内无盐析出。
图1 仿鳃丝蒸发器的设计
图2 仿鳃丝蒸发器的表征
【仿鳃丝蒸发器的应用】
作者构建了锦鲤自循环水产养殖系统，以扩大仿鳃丝蒸发器在水产养殖领域中的应用。在自循环水产养殖过程中，养殖废水通过注射器被吸入水产养殖装置中。在被阳光照射后产生蒸汽，然后逐渐冷凝到冷凝器的底部。作者将净化后的水引入锦鲤养殖装置，进行可循环锦鲤养殖。为了验证净化后的水是否适合鱼类养殖，作者养殖了3条锦鲤，每周更换三分之一的养殖水以确保鱼的正常生长。结果表明，养殖水中的关键污染源（磷酸盐、亚硝酸盐、硝酸盐等）远远低于水产行业标准中关于淡水养殖池塘水排放的要求。因此，以太阳能为唯一输入能源，作者构建了一体化、零液体排放、可自我维持的水产养殖系统，为利用太阳能实现零污染的水产养殖带来了启示。
图3 仿鳃丝蒸发器的多向交叉盐分缓解机理
【仿鳃丝蒸发器的便携与稳定性】
仿鳃丝蒸发器在实际应用中的化学稳定性、机械性能和便携性对其长期和方便使用尤为重要。便携性可以通过该系统的折叠和脱水来实现。基于水凝胶材料在拉伸或压缩应变下良好的柔韧性和可恢复性，仿鳃丝蒸发器在经过500多次滚动、折叠和扭曲过程后仍具有稳定的蒸发性能和机械性能。由于水凝胶的柔韧特性，大面积的仿鳃丝蒸发器可以通过简单的折叠过程被整合到一个常规形状的容器中，并且在多次折叠过程后恢复其原始形态，以供正常使用。对脱水的干样品用海水水化后，其蒸发率仍可保持在与原始样品相同的水平，这证实了仿鳃丝蒸发器能够脱水后携带的便携性。此外，使用一天、三天和一个月的蒸发器的化学成分几乎没有变化，表明其长期使用的化学稳定性。
图4 仿鳃丝蒸发器的应用与携带
总结：受大黄鱼鳃丝的高效排盐特性以及白鳍豚周体表面的超快速液体运输特性的启发，作者提出了一种仿鳃丝的三维水凝胶蒸发器，其展现出优异的蒸发性能和多向交叉盐离子迁移特性。此外，由于蒸发器具有良好的化学稳定性、机械性能和便携性，可以用于工业废水、酸碱废水和养殖废水净化等多种复杂的场景。该工作有望拓展太阳能蒸发系统的应用领域，为水产养殖系统提供创新思路。
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