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Highly Energy-Efficient 3D-Printed Solar Evaporator with Integrated Salt Self-Collection for Zero Liquid Discharge Desalination

海水淡化 蒸发器 地热脱盐 环境科学 太阳能 零能耗建筑 废物管理 工艺工程 环境工程 工程类 电气工程 机械工程 化学 生物化学 热交换器
作者
W. F. Mader,Xueye Wang,Luncao Li,Kunkun Fu,Xuesong Li,Zhiwei Wang
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c03044
摘要

Solar-driven interfacial evaporation (SDIE) has emerged as a promising technology for sustainable desalination and brine management. However, conventional SDIE systems have struggled to enhance evaporation efficiency while mitigating salt scaling. Here, we introduce an innovative 3D-printed photothermal stainless steel SDIE system designed to address these limitations. By leveraging the high thermal conductivity of stainless steel, our design creates a strategic temperature differential across the SDIE, maximizing energy harvesting from solar radiation, ambient air, and feedwater. The unique edge-protruding structure facilitates localized salt crystallization and autonomous detachment, achieving effective salt self-collection. Numerical simulations reveal that Marangoni convection drives liquid flow toward the edge for the controlled salt crystallization. Under one sun radiation, our system achieves a remarkable evaporation rate of 3.18 kg m-2 h-1 and a salt collection rate of 1.57 kg m-2 h-1 with highly concentrated brine (25 wt % NaCl solution). Outdoor and real brine tests validated its capability for zero liquid discharge desalination, demonstrating both enhanced desalination efficiency and sustainable brine management through simultaneous water recovery and salt collection. This study offers a new strategy for designing highly efficient SDIE systems, addressing the challenges of sustainable desalination and paving the way for future advancements in water treatment technologies.
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