تاريخ الاستلام: 25 يوليو 2023
تاريخ القبول: 15 يناير 2024
تاريخ النشر على الإنترنت: 29 يناير 2024
(أ) تحقق من التحديثات

مع التنمية الاقتصادية السريعة ونمو السكان، فإن أكثر من من سكان العالم محدودون في الوصول إلى المياه النظيفة، والتي تم التعرف عليها كهدف رئيسي للتنمية المستدامة من قبل الأمم المتحدة . تم استخدام التناضح العكسي المدفوع بالكهرباء والتحلية الحرارية لسنوات لإنتاج المياه العذبة من مياه البحر , لكن هذه التقنيات كثيفة الاستهلاك للطاقة وتعتمد بشكل مباشر أو غير مباشر على الوقود الأحفوري مع انبعاثات كبيرة من غازات الدفيئة . عادةً ما يتم رفض المحلول الملحي من محطات التحلية التقليدية إلى مياه البحر مما أثار مخاوف بيئية خطيرة، لأن زيادة ملوحة مياه البحر تضر بالحياة المائية. بالإضافة إلى ذلك، تعتمد تقنيات التحلية التقليدية بشكل كبير على الوقود الأحفوري مع
بصمة كربونية كبيرة . لذلك، هناك طلب ملح على تقنيات التحلية النظيفة والصديقة للبيئة المدفوعة بالطاقة المتجددة , من بينها توليد بخار الشمس المباشر هو حل واعد. مدفوعة بإدارة حرارية مناسبة وتسخين محلي، تنتج وحدات توليد بخار الشمس النظيف المياه النظيفة من خلال استغلال الطاقة الشمسية . تم الإبلاغ عن تصاميم هيكلية مختلفة وتقدمات في المواد لتصنيع مولدات بخار الشمس الفعالة . يمكن أيضًا استخدام مولد بخار الشمس المباشر لمعالجة حلول المحلول الملحي دون تصريف سائل، مما يجعل الملح الجاف هو المنتج الثانوي الوحيد . ومع ذلك، جنبًا إلى جنب مع التبخر القوي عند الواجهة، تميل الأملاح في الحلول الكثيفة إلى

التجمع على الطبقة الحرارية الضوئية للمبخر، مما يعيق امتصاص الضوء وإطلاق البخار مما يقلل في النهاية من الكفاءة الحرارية العامة وقابلية تطبيق مولدات بخار الشمس. تتضمن الاستراتيجيات السلبية الحالية للتخفيف من هذه العيب الخطير، ولكن لا تقتصر على، هياكل جانوس (محبة للماء/ كارهة للماء) التي تسمح للماء بالتبخر بينما تمنع تبلور الملح , مبخرات شمسية ذات اتصال مباشر تفصل بين محلول الملح وسطح التبخر وتسمح للملح المتراكم بالانتشار مرة أخرى في الظلام , وبالتالي، الحفاظ على سطح تبخر نظيف لأداء مستمر ومستقر. في معظم هذه الاستراتيجيات، يتم نشر الملح مرة أخرى إلى خزان المياه، مما يزيد من مستويات الملوحة ويهدر الفرصة لجمع الملح . لذلك، بجانب إنتاج المياه العذبة، فإن الإدارة المناسبة للمحلول الملحي تعتبر حاسمة بنفس القدر خلال أي عملية توليد بخار الشمس . في هذا العمل، تم استخدام تبلور الحواف المفضل، الذي يتماشى مع مفهوم عدم تصريف السائل، للإنتاج المتزامن للملح والمياه العذبة. يتم توجيه الملح وتوجيهه للتبلور على حواف المبخر مع الحفاظ على منطقة تبخر مركزية نظيفة للتشغيل المستمر.

استلهمت من التكيف الناجح للنباتات المالحة الطبيعية، تم بذل بعض الجهود البحثية لتبني مفهوم الاستنساخ البيولوجي لمجموعة متنوعة من التطبيقات الهندسية، بما في ذلك إنتاج بخار نظيف وإدارة الملح . على وجه الخصوص، تعتبر التصاميم المستوحاة من أشجار المانغروف مرشحين واعدين لتصميم مولدات بخار الشمس المستوحاة من الطبيعة مع آلية تنظيم الملح . لقد حفزتنا القدرة على نقل المياه بشكل سلبي وإفراز الملح لأشجار المانغروف على تصنيع جهاز مدفوع بالطاقة الشمسية مستوحى من الطبيعة، مما يمكّن من التقطير المتزامن للمياه وجمع الملح دون تصريف المحلول الملحي . من المتوقع أن تحتوي وحدة تحلية المياه الشمسية، بما في ذلك مولد بخار الشمس ومجمد (SVGC)، على امتصاص ضوئي ممتاز، ومقاومة تدفق منخفضة، وقابلية للتوسع، وخصائص مضادة للتآكل . هنا، نقترح مبخر شمسي قابل للطي مستوحى من المانغروف باستخدام شبكة التيتانيوم المنقوشة كيميائيًا، كما هو موضح في الشكل 1a، b. تجعل الطبقة النانوية/الميكروية من التيتانيوم على سطح شبكة التيتانيوم ( )
تجعله ممتصًا شمسيًا ممتازًا مع خصائص فائقة المحبة للماء ومضادة للتآكل. تم تقييم أداء التبخر وتبلور الملح للأوراق الاصطناعية بشكل منهجي تحت إشعاعات شمسية وتركيزات محلول ملحي مختلفة. تم استخدام عملية دورية نهارية/ليلية كطريقة مستدامة للإنتاج المشترك للمياه العذبة والأملاح. تكشف دراستنا حول انتشار المياه المالحة أن الملح المسامي والمتقطع في هياكل تشبه الأوراق المسدودة يمكن أن يعزز تدفق التبخر مقارنة بالأوراق النظيفة تمامًا. علاوة على ذلك، تم التحقيق في العوامل التي تؤثر على نوى الملح، والنمو، والتقشير على المقياس المجهري. نوضح أن الانخفاض في معدلات التبخر والكفاءات الحرارية لمبخرات الشمس المسدودة بالملح يرجع أساسًا إلى خسائر امتصاص الضوء بدلاً من انسداد المسام بالملح، لأن الملح المتساقط المتقطع يساهم في معدل تبخر أعلى في الظلام. يمهد هذا العمل الطريق لاستغلال الطاقة الشمسية، وإنتاج المياه العذبة المتزامن، وجمع الملح بشكل سلبي مع عدم تصريف المحلول الملحي.

إفراز الملح وتبلور الحواف، الذي يحدث بشكل طبيعي في أشجار المانغروف مع غدد الملح في الأوراق، مسؤول عن ترسيب الملح على سطح الورقة (الشكل 1a). في سيناريوهاتنا، تمتلك الأوراق المستوحاة من الطبيعة القدرة على تبلور الملح على حوافها، مما يحافظ على منطقة مركزية نظيفة من الورقة للتبخر الشمسي الحراري المستمر وجمع الملح دون تدهور في الأداء. في هذا العمل، قمنا بتصميم وتطوير SVGC مستوحى من المانغروف، حيث تعمل الأوراق الاصطناعية كسطح تبخر للهروب من البخار، وساق محب للماء يمد المياه باستمرار من خلال التوتر السطحي، كما هو موضح في الشكل 1b. تجمع السطح العلوي للأوراق ضوء الشمس بينما يعمل كموقع للتبخر. عند الاتصال بالماء، يمكّن ساق الهيكل القابل للطي من نقل المياه بشكل سلبي في اتجاه واحد من المياه الكثيفة إلى سطح الورقة بفضل القوى الشعرية المرتبطة بالهيكل المسامي. تُظهر الصورة البصرية لـ SVGC المستوحى من المانغروف في الشكل 1b.

الحالة في نطاق الطول الموجي لـ . تطور جبهة الامتصاص لمياه الملح ( ) للأكسدة شبكة (عدم اليقين في البيانات: 0.8 مم). ج. ماء ملحي ( سعة الرفع للساق المقلدة (بعرض 40 مم وسمك 0.89 مم يعادل الجهاز المقترح) كدالة للارتفاع.
الذي يتكون من التيتانيوم ذو الهيكل النانوي/الميكروي ( ) شبكة. الشكل 1c يظهر أنماط النسج الضيقة لـ أسلاك الشبكة الملتقطة بواسطة المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، دون وجود فجوة ملحوظة بين الأسلاك. تشير صورة SEM عالية التكبير في الشكل 1d إلى التغطية الكثيفة للهيكل النانوي. على أسلاك التيتانيوم، التي تظهر قدرة فائقة على انتشار السوائل (تم تقديم توصيف مفصل في الملاحظة التكميلية 1). بالإضافة إلى ذلك، النانومهيكلة الشبكة مادة فوتوحرارية ممتازة تمتص ضوء الشمس لتعزيز عملية التبخر دون الحاجة إلى طلاء إضافي لامتصاص الضوء. بمجرد أن تصبح فائقة الكارهية للماء بعد الأكسدة، يصبح الشبك مشبعًا بالماء، ويظهر امتصاصًا شمسيًا متعدد الاتجاهات يزيد عن 90%، كما هو موضح في الشكل 1e، في نطاق الطول الموجي للأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة (250-2000 نانومتر) (تم تقديم التوصيف البصري في الشكل التكميلي 4). من خلال استخدام التصوير بالأشعة تحت الحمراء ، قمنا بالتحقيق في امتصاص المياه المالحة ( ) على طول الهيكل النانوي الشبكة (الساق الاصطناعية) في الجهاز البيوميميتيكي من خلال تتبع جبهة السائل. يتم عرض التطور العابر لجبهة الماء على طول أسلاك الشبكة في الشكل 1f، حيث يبلغ ارتفاع الامتصاص 52 مم بعد 8 ثوانٍ من الضخ الشعري السلبي بواسطة الأكسدة. شبكة لامتصاص الرطوبة على أسلاك السداة. صور الأشعة تحت الحمراء لانتشار السائل في الشبكة عند كما هو موضح أيضًا في الشكل 1f. إن انتشار جبهة السائل (الموضح بواسطة الخط المنقط في الشكل 1f) واضح في صور الأشعة تحت الحمراء بسبب اختلاف الانبعاثية بين المناطق المبللة وغير المبللة من الشبكة. يمكن أيضًا ملاحظة أن لون صورة الأشعة تحت الحمراء للجزء المبلل من الشبكة يتغير بسبب اختلاف سمك الأفلام السائلة على طول اتجاه الانتشار. . بالإضافة إلى ذلك، من سرعة انتشار المياه، تمكنا من تحديد معدل إمداد المياه المالحة على أنه
وظيفة ارتفاع الساق (الشكل 1g). لقد أظهرت نتائجنا أن معدل إمداد المياه أقل في الأسلاك المائلة مقارنة بالأسلاك العمودية. وتبين أن قدرة الضخ تتأثر بشكل كبير بارتفاع الساق، وتتناقص مع زيادة ارتفاع الساق.

تظهر الشكل 2أ مخطط الإعداد التجريبي في مختبرنا لتوصيف SVGC (التفاصيل موضحة في قسم الطرق). تم تقييم أداء SVGC ذو الورقة الواحدة تحت ضوء الشمس المحاكى على السطح العلوي، من خلال تغيير زاوية ميل الورقة بالنسبة للساق عند -30 و 0 و لكن مع نفس منطقة الإضاءة المتوقعة. في جميع الحالات، محلول ملحي بتركيز 12 وزني. ملوحة وإشعاع تم استخدامه لمدة 12 ساعة (تم تقديم النتائج التفصيلية والشرح في الملاحظات التكميلية 2-4). باختصار، فإن مولد بخار الشمس مع ورقة واحدة وزاوية ميل أشار إلى قدرة كبيرة على مقاومة الملح وكفاءة حرارية أعلى لـ مقارنة بـ و للورقة مع 0 و زوايا الميل، على التوالي. علاوة على ذلك، فإنه يظهر أيضًا إمكانيات عالية لجمع الملح، لذلك استخدمنا زاوية الميل لـ في SVGC المقلد للأشجار المانغروف في جميع التجارب اللاحقة.

ارتفاع الساق هو أيضًا معلمة حاسمة تؤثر على أداء التبخر في SVGC المقلد للأشجار المانغروف. لذلك، تم إجراء مقارنة منهجية بين إعدادين (بمساحة متوقعة متساوية) من خلال التحكم في ارتفاع الساق، حيث كانت مغمورة في الماء. تم الحفاظ على ملوحة محلول الماء الكلي عند وتم إجراء التجارب تحت لفترة 24 ساعة مع محاكاة التناوب بين النهار والليل (انظر الشكل 2e و f). وقد أظهرت نتائجنا أن الشبكة القصيرة في ارتفاع الساق الأمثل للحفاظ على سحب سائل قوي في

الكفاءة الحرارية لمولد بخار شمسي ذو ورقة واحدة بزاويا ميل مختلفة. تمثل أشرطة الخطأ الانحراف المعياري لثلاث قياسات. المقارنة بين الساق الطويلة والقصيرة في مولدات بخار شمسية تحاكي المانغروف من حيث تغير الكتلة وتدفق التبخر لمدة 24 ساعة باستخدام الماء بملوحة 3.5 wt.%. صور لمولد بخار شمسي يشبه المانغروف مع ساق طويلة وساق قصيرة باستخدام مياه بملوحة 3.5 و بعد 12 ساعة من الإضاءة.

و (هـ) ملوحات مختلفة تحت شمس واحدة. تمثل أشرطة الخطأ الانحراف المعياري لقياسات ثلاث مرات. اختبار المتانة لجهاز SVGC لمدة 4 أيام متتالية باستخدام المحلول بملوحة أجهزة SVGC القابلة للتوسع: (ج) مقارنة الأداء بين أجهزة SVGC البيوميميتكية ذات الطبقة الواحدة وذات الطبقتين من حيث تغير الكتلة للماء مع الملوحة من إعداد تجريبي خارجي لجمع المياه العذبة يتكون من أربعة أنظمة SVGC مقلدة للأشجار المانغروف. تركيز الأيونات للمياه البحرية الحقيقية قبل وبعد التقطير الحراري الشمسي.
مستويات ملوحة مختلفة لتوليد بخار شمسي مستمر وجمع الملح (النتائج التفصيلية في الملاحظة التكميلية 4).

لتقييم أداء التبخر، تم إجراء سلسلة من التجارب باستخدام مياه ذات ملوحة مختلفة، ماء مقطر ، و تظهر أداء التبخر لجهاز SVGC الشبيه بالأشجار المانغروف في بيئة مظلمة في الشكل 3a. تشير نتائجنا إلى أن تدفق التبخر لجهاز SVGC البيوميميتي المقترح مع الماء المقطر كان الأعلى بقيمة تبعها ، و عندما يكون الماء بملوحة ، و ، على التوالي. من أجل تقييم تأثير الإشعاع الشمسي على أداء التبخر، تم إجراء سلسلة من تجارب توليد بخار الشمس باستخدام SVGC من خلال استخدام شدة ضوء الشمس المحاكية لـ ، و1.5 شمس، على التوالي. يتم تقديم نتائج تغيير كتلة الماء المقابلة في الشكل 3ب، وتم تسجيل تدفق التبخر أقل من 0.5 شمس وزادت إلى 0.61 و لإشعاعات شمسية تبلغ 1.0 و 1.5 شمس، على التوالي. ومع ذلك، فإن الحسابات
كان تدفق التبخر بناءً فقط على المنطقة العلوية المضيئة بالشمس 0.76 و 1.22 و لإشعاعات الشمسية من و 1.5 شمس، على التوالي. تؤكد توزيع درجة الحرارة المقدم في الملاحظة التكميلية 13 أن الطاقة الشمسية الحرارية المحصودة محلية وموحدة على الأسطح العلوية لجميع الأوراق البيوميميتية. يظهر التغير في درجة حرارة السطح العلوي تحت كثافات ضوء مختلفة في الشكل 3c. بعد التعرض لأشعة الشمس المحاكية في ظروف المختبر، زادت درجة حرارة السطح العلوي ثم وصلت إلى حالة الاستقرار. يمكن رؤية بوضوح من الشكل 3c أن درجة حرارة السطح العلوي كانت منخفضة تحت 0 شمس بقيمة كبيئة. درجة حرارة السطح العلوي لها نفس الاتجاه تحت مختلف شدة الإضاءة، وقيمتها في حالة الاستقرار تزداد من عند 0.5 شمس إلى عند 1.0 شمس و إلى عند 1.5 شمس، على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، كما هو موضح في الشكل 3d، يظهر تغير كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى بخار اتجاهًا معاكسا لتدفق التبخر، حيث كانت الكفاءة أولاً عند 0.5 شمس ثم ينخفض إلى 94 و (حيث تزداد درجة حرارة الأوراق) بالنسبة للشمس 1 و 1.5، كما هو موضح في الشكل 3d.

مماثل للتجارب المظلمة، يمكن لجهاز SVGC هذا إنتاج الماء من محاليل ملحية صناعية ذات ملوحة مختلفة. ، و تحت شمس واحدة ) الإضاءة ( الشكل 3e). يتناقص تغيير كتلة الماء لكل وحدة مساحة مع زيادة تركيز الماء الكلي من 0 إلى ، لأن زيادة الأيونات في المحلول تميل إلى خفض الطاقة الحرة لجزيئات الماء. ستنخفض ضغط بخار التشبع للمياه المالحة مع زيادة الملوحة، مما يؤدي في النهاية إلى تقليل معدل التبخر. سمحت SVGC الشبيهة بالأشجار المانغروف بتدفقات كتلة مستقرة لتركيزات مختلفة من المياه المالحة: تم ملاحظة أعلى تدفق تبخر للمياه المقطرة. ، تليها للمياه ذات الملوحة من ، و ، و للمياه ذات الملوحة 7,12 و ، على التوالي. (1.24، 1.08 و إذا تم حساب تدفق التبخر بناءً على منطقة الشمس العلوية فقط). أظهرت نتائجنا أن الكفاءة الحرارية كانت عالية عند مقارنتها بأجهزة SVG الأخرى. للمياه المنزوعة الأيونات، بينما كانت و للمياه ذات الملوحة من ، و وزن الحلول، على التوالي. حدث الانخفاض التدريجي في كفاءة التبخر بسبب انخفاض ضغط البخار مع زيادة تركيز الملح في المحلول (الشكل 3e). من ناحية أخرى، فإن الحرارة الكامنة للتبخر لمحلول الملح أقل من الماء المقطر ( للماء المنزوع الأيونات و للحل الذي يحتوي على ملوحة من مما قد يؤدي إلى انخفاض الكفاءة الحرارية بسبب زيادة درجة حرارة السطح .

لضمان متانة جهاز SVGC، تم إجراء تجارب دورية باستخدام الماء ذو الملوحة تمت على مدار أربعة أيام متتالية، تحت إضاءة الشمس لمدة 12 ساعة وتحت بيئة مظلمة لمدة 12 ساعة. الشكل 3 ف يظهر تدفقات تبخر مستقرة تبلغ 0.6 و (استنادًا إلى المساحات الإجمالية والعليا) على مدار جميع دورات النهار والليل المحاكية، على التوالي. يتم مناقشة النتائج التفصيلية لتجارب توليد بخار الشمس الداخلية والخارجية في الملاحظة التكميلية 6. بالإضافة إلى ذلك، من خلال الاستفادة الكاملة من الفجوات بين أوراق SVGC، قمنا بتصنيع جهاز أكبر على شكل شجرة مع طبقتين من الأوراق. مقارنةً بالجهاز ذو الطبقة الواحدة، أظهر جهاز SVGC على شكل شجرة ذو الطبقتين أداءً أفضل في التبخر (الشكل 3g) تحت نفس منطقة شعاع الشمس، مما يوضح كفاءة جهاز SVGC لدينا.

علاوة على ذلك، من أجل تقييم الأداء العام للتقطير لنموذج SVGC الشبيه بالأشجار الساحلية، تم استخدام مياه البحر الفعلية ذات الملوحة المقاسة بـ تم الحصول على المياه من جزيرة الهيريات (أبوظبي) لاستخدامها في جمع المياه العذبة (تفاصيل إضافية في الملاحظة التكميلية 5). كعرض لجهاز التبخر المقترح للتطبيقات القابلة للتوسع، تم استخدام أربعة أجهزة بيوميميتك في التجارب لزيادة المساحة الإجمالية للتبخر كما هو موضح في الشكل 3h. كان النظام قادرًا على إنتاج مياه عذبة يوميًا بمعدل تدفق يوم، وهو ما يكفي لتلبية احتياجات الشرب اليومية للفرد. بالإضافة إلى ذلك، استخدمنا اختبار البلازما المقترنة بالحث لقياس التركيز الأيوني قبل وبعد التقطير. كما هو موضح في الشكل 3i، يتم تقليل تركيز الأيونات المختلفة (مثل الصوديوم والمغنيسيوم والبوتاسيوم والكالسيوم) في الماء المقطر بمقدار 4 أوامر من حيث الحجم، عند مقارنته بمياه البحر الحقيقية. تركيزات المياه المقطرة (الأعمدة الزرقاء الفاتحة في الشكل 3i) هي لـ لـ لـ لـ على التوالي. تركيزات الأيونات في المياه المجمعة تلبي معايير منظمة الصحة العالمية وتحدي عمان الإنساني لتحلية المياه (OHDC) معايير مياه الشرب، التي تؤكد فعالية جهاز SVGC الخاص بنا للتطبيقات العملية (الملاحظة التكميلية 8).

لتقييم الإنتاج المشترك للملح والمياه العذبة لنظام SVGC المقلد للأشجار المانغروف، تم إجراء مجموعة من التجارب المستمرة في بيئة مختبرية محكومة لمدة 24 ساعة متتالية تحت الإشعاع كما هو موضح في الشكل 4a. تم وضع جهاز SVGC المقترح لمدة 12 ساعة تحت إشعاع شمسي مباشر تلاه 12 ساعة في بيئة مظلمة، مشابهة للبيئة الخارجية الطبيعية. تظل معدل التبخر عندما يكون الضوء مشتعلاً ثابتاً كما
تم توضيحه من خلال التغير الخطي في كتلة الماء (الشكل 4أ). السبب في استقرار تدفق التبخر هو أن بلورات الملح كانت تنمو بشكل ملحوظ على حواف الأوراق بينما ظلت المنطقة المركزية نظيفة لامتصاص الضوء. ومع ذلك، عند استخدام محاليل عالية التركيز بملوحة و ، لوحظ أن تراكم الملح حدث في المنطقة الوسطى من أوراق النبات، كما هو موضح في الشكل 4ب. ومن الجدير بالذكر أنه عندما تم إيقاف الضوء خلال دورة الليل، انخفض تدفق التبخر بشكل كبير إلى حوالي لأربعة ملوحات مختلفة. بالإضافة إلى ذلك، لوحظ أن طبقة الملح السميكة على حواف الهيكل الشبيه بالنبات كانت تتساقط من تلقاء نفسها وتقشر بشكل سلبي بسبب الذوبان والانتشار العكسي الناتج عن إعادة ترطيب الماء القوي. في النهاية، أدى التقشير إلى استعادة الأوراق النظيفة، مما يشير إلى أن الهيكل الشبيه بالنبات مستقر للغاية وقابل لإعادة الاستخدام دون تغيير كبير في أداء التبخر كما هو موضح في الشكل 4ب. كانت النسب المئوية لكتلة الملح المقشور لملوحات مختلفة هي لـ “، تليها 100، لـ 7 و 12 و مياه مالحة، على التوالي. تضمن عملية تبلور الملح وتراكمه خلال النهار (عندما تكون الإضاءة مشغلة) وتقشير الملح بشكل سلبي خلال الليل (عندما تكون الإضاءة مطفأة) أن الجهاز يمكن أن يعمل بشكل مستمر لفترات طويلة من الزمن، (كما هو موضح في الفيلم التكميلي 1 واختبارات الموثوقية الداخلية والخارجية في الملاحظة التكميلية 6). تلخص الشكل 4c نتائج الإنتاج المشترك للملح والمياه العذبة باستخدام مياه مالحة ذات ملوحة مختلفة. يمكن ملاحظة أن المبخر مع تركيز أنتج ملحًا بمعدل تقشير مع أعلى متوسط تدفق تبخر مطابق قدره (العمود الأصفر في الشكل 4c). بالمثل، محلول مولد للملح بمعدل ومعدل تدفق التبخر معدل التقشير كان لـ الحل ومعدل التبخر المقابل كان . في حالة الحل، كانت تدفق التبخر المبلغ عنه مع تقشير ملحي ضئيل.

من المدهش أنه خلال دورة الظلام، كانت معدل تبخر المياه المالحة بتركيز أعلى حتى من ذلك لـ و الحلول كما هو موضح في الأعمدة السوداء في الشكل 4c. وذلك لأن الملح المتبلور مسامي ومحب للماء، مع زيادة في مساحة التبخر بسبب الأسطح الممتدة للملح المترسب. ومع ذلك، عند تعرضه للضوء، تميل بلورات الملح البيضاء إلى عكس ضوء الشمس وتعيق تحويل الطاقة الضوئية الحرارية. وبالتالي، فإن انخفاض معدلات التبخر وكفاءات الحرارة لمبخرات الشمس المسدودة يعود إلى انعكاس الضوء بدلاً من انسداد المسام، حيث أن الملح المترسب ساهم فعليًا في زيادة معدل التبخر تحت الظلام كما تم مناقشته أعلاه. علاوة على ذلك، للتحقيق بدقة في خاصية المحبة للماء للملح المتبلور، تم مقارنة أداء التبخر للأجهزة النظيفة والمستخدمة (مع الملح المتناثر). كانت الجهاز المستخدم مغطاة بالكامل بالملح (5 جرام) بسمك ملح متوسط قدره 0.4 سم، وحل بتركيز ملح مرتفع ( ) تم استخدامه لتقليل ذوبان الملح المتناثر للجهاز المستخدم (الشكل 4d). نظرًا لأن التجارب أجريت في بيئة مظلمة تمامًا، لم يكن هناك انعكاس للضوء من الملح الأبيض. وُجد أن معدل تبخر الساق مع الملح المتناثر كان 1.6 مرة من معدل تبخر الساق النظيف (أي، )، مما يؤكد أن الملح المتناثر يعزز من معدل التبخر في البيئة المظلمة.

لدراسة التغير في تركيز الملح على طول ساق SVGC، قمنا بإجراء محاكاة طريقة العناصر المحدودة (FEM) باستخدام COMSOL V5.6 لتوصيف توزيع الملح المكاني على طول المبخر المسامي. يتم عرض المجال الحسابي للمحاكاة العددية في الشكل 4e (الصورة اليسرى). تم الإبلاغ عن منهجية المحاكاة والنتائج التفصيلية في الملاحظة التكميلية 10. نتائج التجارب والمحاكاة لتركيز الملح على طول طول المبخر لـ تظهر مياه المالحة في الشكل 4e (الوسط واليمين، على التوالي). يمكن ملاحظة أن تركيز الملح يزيد على طول المبخر ويصل إلى قيمة التشبع، ، (أي،

الخط/المنحنى الأخضر يمثل (الرسم الفرعي الأيمن). تباين طول الساق الخالي من الأمطار إلى الطول الإجمالي للتبخر ) كدالة لتركيز الملح غير البُعدي ( ). مجال الحسابات لمحاكاة COMSOL V5.6 لتقدير معامل الانتشار العكسي باستخدام مبخر ذو ورقة واحدة وملف تركيزه الحجمي عند في تغير تركيز الملح (وزن.%) مع مرور الوقت في (خط أسود صلب للمحاكاة، نقاط متفرقة للتجارب). الصورة المرفقة في الشكل 4h تظهر إعداد التجربة لدراسة الانتشار العكسي. i تصوير الأشعة تحت الحمراء لانتشار السائل عبر الملح المتقطع والمسافة المتسربة المقابلة مع مرور الوقت.
أو ) على مسافة معينة من المدخل (أي، الحدود 1). مع زيادة تركيز الكتلة (أو التدفق) ، يتم تقليل طول المنطقة المحتملة الخالية من البلورات. هذا ينطبق على الحالات مع وبدون تأثير الحافة. الشكل 4 ف يوضح التغير في تركيز الملح غير البعدي ( ) كدالة لطول الساق الخالي من الأمطار إلى الطول الإجمالي للتبخر ( عندما لا يكون هناك تأثير للحافة، فإن التنبؤ القيم المقابلة لـ لـ ، و هم 0.11 و 0.11 على التوالي. هذه النتائج المحاكاة في الشكل 4e-f تتماشى مع النتائج التجريبية لترسيب الملح مع SVGC المقلد حيوياً لدينا في الشكل 4b.

لتقييم معامل الانتشار العكسي، يتم عرض الإعداد التجريبي مع مجال المحاكاة في الشكل 4g، h. الشكل 4g
يوضح ملف الشكل الحجمي بعد 6 ساعات من الانتشار العكسي، بينما تقدم الشكل 4h النتائج التجريبية والمحاكاة لتغير تركيز الملح مع مرور الوقت عند تم العثور على معامل الانتشار عندما يتطابق ملف التركيز المحاكى مع البيانات التجريبية. إن مقدار معامل الانتشار لجهازنا أعلى بمقدار ترتيب واحد من ذلك في المحلول الكتلي. ). تم تقديم منهجية المحاكاة ومناقشة مفصلة لتقدير معامل الانتشار العكسي في الملاحظة التكميلية 11. بمساعدة تصوير الأشعة تحت الحمراء، قمنا أيضًا بتوصيف انتشار السائل من خلال الملح المسامي والمتقطع، حيث تم استخدام الملح المتقطع بطول 5 مم الذي ترسب عند حافة الساق (الشكل 4i) لهذا الغرض. تُظهر الصور الزمنية للأشعة تحت الحمراء بفاصل 5 ثوانٍ في عملية إعادة ترطيب الملح في

الشكل 4i. يمكن تمييز تطور الجبهة السائلة في نطاقات الأشعة تحت الحمراء، حيث يتم تمثيل الملح المبلل باللون الأزرق بينما يتم تمثيل الملح الجاف باللون البرتقالي. بالإضافة إلى ذلك، يتم الإبلاغ عن مسافة الامتصاص كدالة للوقت أيضًا في الرسم الفرعي السفلي من الشكل 4i (للحصول على التفاصيل، يرجى مراجعة الملاحظة التكميلية 12).

يعتمد سلوك الترسيب على توزيع تركيز الملح على سطح المبخر المسامي، ونمط نسج الأسلاك، والهياكل النانوية على الأسلاك الفردية. استنادًا إلى نظرية النواة الكلاسيكية، فإن تأثير هذه المعلمات على حاجز الطاقة للتكوين غير المتجانس يمكن التعبير عنها كـ :

أين هو نصف قطر النواة الكروية للطور الجديد (أي، البلورات)، هو كثافة عدد البلورات، هو الفرق في الجهد الكيميائي للمذاب (أي ملح NaCl) في المحلول بين حالتي التشبع والتشبع الفائق. هو التوتر السطحي بين الطور السائل (أي، المحلول) والبلورة، بينما هو نسبة حاجز الطاقة للتنويع غير المتجانس إلى المتجانس والتي تعتمد على هيكل المسام وخصائص الواجهة للطور الجديد والمحلول الملحي (تم الإبلاغ عنها بالتفصيل في الملاحظة التكميلية 10). تحت التشبع الفائق المنخفض عند درجة حرارة وضغط ثابتين، يتم إعطاء فرق الجهد الكيميائي لتبلور التبخر للأنواع الفردية بواسطة :

أين هو ثابت الغاز العالمي و هو درجة الحرارة المطلقة. بالمثل، و هي التركيزات الفعلية والمتوازنة (أو المشبعة) للملح في المحلول، على التوالي. استنادًا إلى محاكاة COMSOL Multiphysics V5.6، توقعنا الموقع المحتمل حيث يمكن أن تصل التركيزات إلى حالة التشبع الزائد (كما هو موضح في الشكل 4e، f). سيؤدي زيادة تركيز NaCl إلى تعزيز فرق الجهد الكيميائي للملح في المحلول (المعادلة 2)، مما يقلل من حاجز الطاقة لتكوين البلورات (المعادلة 1). كما أن التجاويف والهيكل النانوي/الميكروي لجهاز SVGC يقلل أيضًا من حاجز الطاقة كما تم مناقشته بالتفصيل في الملاحظة التكميلية 10. سيكون التأثير العام لحاجز الطاقة المنخفض، الذي يسهل التكوين/التبلور، هو نفسه في جميع مواقع المبخر، بينما يكون التبلور المرصود غير متساوٍ على سطح المبخر. وهذا يوضح بوضوح التأثير السائد لفرق الجهد الكيميائي للملح على التبلور، مقارنةً بتقليل حاجز الطاقة للتكوين بسبب الهيكل الميكروي والتجاويف (الذي تم قياسه من خلال و كما تم مناقشته في الملاحظة التكميلية 10). علاوة على ذلك، فإن سلوك الترسيب الذي تم ملاحظته في التجارب يتماشى مع ملفات التركيز التي تم الحصول عليها من خلال محاكاة COMSOL V5.6، مما يؤكد الدور المهم للتشبع الزائد في التبلور.

مثل السطح الرئيسي للمبخر (حيث لدينا مُعرَّف بـ كما هو موضح في الشكل 4f)، ستزداد التركيزات أيضًا على طول طول الشوكة، وستصل المياه المالحة عند طرف الشوك إلى حالة التشبع الفائق في وقت أبكر من تلك الموجودة في قاعدة الشوكة (الشكل 5a، b). لذلك، فإن التشبع الفائق الأعلى عند طرف الشوكة سيزيد من فرق الجهد الكيميائي. ) من الملح، مما يقلل من حاجز التبلور. ومع ذلك، فإن سلوك التبلور لن يكون متشابهًا على جميع الشوك، لأنه يعتمد أيضًا على المسافة بين شوكة معينة ومدخل المبخر، مما يؤثر على تركيز الملح في قاعدة الشوكة. الشوك البعيدة عن مدخل المبخر سيكون لديها تركيز عالٍ في قاعدتها، لذا ستشهد هذه الشوك مزيدًا من تبلور الملح مقارنة بتلك القريبة من مدخل المبخر (الشكل 5أ). بالإضافة إلى ذلك، فإن معدل التبخر حول الشوك أعلى من ذلك على سطح المبخر الرئيسي نظرًا لأنه من الأسهل للبخار أن ينتشر في الهواء بالقرب من الشوك. علاوة على ذلك، فإن الفيلم السائل عند/بين الشوك يمكن أن
كن أرق من ذلك عند السطح الرئيسي، وستؤدي التبخر الأعلى في منطقة الفيلم الرقيق إلى وصول المياه المالحة إلى حالة التشبع الفائق. ) بشكل أسهل، وبالتالي المزيد من التبلور. إذ أن ذوبان الملح المترسب يكون أكثر فعالية عند الحافة غير الشائكة (Edge-2، الشكل 5f، h) بسبب الاتصال المباشر بين الملح والورقة الرئيسية، مقارنة بالحالة مع الشوك (Edge-1، الشكل 5e، g)، حيث يبقى الملح معلقًا فوق الشوك (الشكل 5b، c-f). بمجرد أن يتم إذابة الطبقات القليلة الأولى من الملح، سيتم تقشير الملح تحت تأثير الجاذبية كما هو موضح في الشكل 5h. لذلك، فإن الشوك ليست مرغوبة من منظور تقشير الملح؛ ومع ذلك، فإنها تفضل تبلور الملح.

لتلخيص، تم استخدام التبلور المفضل للحواف، الذي يتماشى مع مفهوم عدم تصريف المحلول الملحي، لإنتاج الملح والمياه العذبة في وقت واحد. لقد حقق جهازنا السلبي القابل للتوسع، الذي يحاكي المانغروف، توليد بخار الشمس المباشر وعدم تصريف المحلول الملحي في نفس الوقت، حيث أظهر كفاءة حرارية شمسية عالية تبلغ 94% تحت إشعاع الشمس الواحد بفضل امتصاص الضوء الفائق في جميع الاتجاهات، والاستقرار، وقدرة الامتصاص. الساق والأوراق المسامية المقاومة للتآكل مصنوعة من هيكل نانوي. توفر الشبكات المياه المالحة عبر الضخ الشعري وتمكن من توليد البخار المستمر حتى يتساقط الملح الصلب عند حواف الأوراق. لقد أظهرت تجاربنا أن الملح المتناثر في هياكل تشبه الأوراق المسدودة يمكن أن يعزز التبخر مقارنة بالأوراق النظيفة تمامًا. يمكن أن يحدث تقشر الملح بشكل سلبي على طول الأوراق الاصطناعية خلال الليل، لأن بقعة الملح المتساقطة من حافة الورقة يمكن أن تُرطب مرة أخرى بواسطة المياه المالحة لتنفصل وتسقط تحت تأثير الجاذبية، مما يؤدي إلى جمع الملح بشكل سلبي. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يحتوي جهاز SVGC الشبيه بالأشجار المانغروف على طبقات وفروع متعددة حجميًا، مما يمكنه من جمع ضوء الشمس بأي زاوية سقوط. علاوة على ذلك، يمكن وضع أجهزة شبيهة بالأشجار المانغروف في وضع متوازي لتحقيق إنتاج مياه عذبة قابل للتوسع مع استخدام محدود للأرض. باختصار، قدم هذا العمل حلاً مستدامًا لإنتاج المياه النظيفة ومعالجة المياه المالحة باستخدام الطاقة الشمسية الوفيرة.

لإنشاء SVGC، تم أولاً هندسة شبكة التيتانيوم من خلال عملية الأكسدة لتعزيز القابلية للبلل وامتصاص الضوء. بعد التنظيف، تم حفر شبكة التيتانيوم كيميائيًا باستخدام محلول مائي 1.00 مولاري من هيدروكسيد الصوديوم (سيغما-ألدريتش، نقاء 99.9%) من خلال الطريقة الهيدروحرارية لنمو الهياكل النانوية. . (الشكل التوضيحي التكميلي 1). تم تحديد شكل وميكروهيكل الشبكة بواسطة المجهر الإلكتروني الماسح (نوفا نانو SEM 650). تم تسجيل طيف امتصاص الضوء للعينات بواسطة مطياف UV-vis-NIR (بيركن إلمر، لامدا 1050). بالنسبة لتجربة انتشار الماء داخل الشبكة، تم تحديد واجهة الماء بواسطة التصوير بالأشعة تحت الحمراء (IR) عبر كاميرا الأشعة تحت الحمراء (FLIR E95). تم إجراء اختبارات زاوية الاتصال باستخدام مقياس الزاوية المجهري (كيووا DM501). تم إضافة طرق التصنيع التفصيلية وخصائص الشبكات النانوية من التيتانيوم إلى الملاحظة التكميلية 1.

لاختبار SVGC تحت ضوء الشمس المحاكى، قمنا بإنشاء إعداد حيث تم استخدام كوب بلاستيكي خفيف كحاوية مياه كبيرة وعازل حراري من الرغوة (موصلية حرارية لـ ) تم بناؤه في الجزء العلوي وجوانب الكأس. يتكون الإعداد التجريبي من محاكي شمسي (Sciencetech، كندا) مع شدة ضوء قابلة للتعديل وميزان تحليلي (RADWAG) بدقة 0.01 جرام. بالإضافة إلى DAQ (من National Instruments، NI MAX)، تم استخدام الثيرموكبلات لقياس وتسجيل درجة حرارة سطح امتصاص الضوء (الأوراق). يتم قياس شدة الشمس بواسطة مقياس شمسي من EKO.

الشكل 5 | آلية ترسيب الملح وتقشير الورقة (أي، الشبكة) مع وبدون نتوءات الحواف. صور بصرية تظهر الملح المتساقط على حواف الشبكة مع وبدون نتوءات ممتدة بعد دورة يوم وليلة واحدة، على التوالي لـ مياه مالحة. ج، د صور بصرية بتكبير عالٍ تظهر ترسب الملح على أسلاك الورق الممتدة في الورقة عند (ج) و (د) تحت الظروف المحيطة. توضيح لترسيب الملح على أشواك التشويه
أسلاك من (e) عرض علوي و(f) عرض جانبي. مخطط لنمو وتقشير الملح عند حافة الورقة/الشبكة غير المدببة من (g) عرض علوي و(h) عرض جانبي. كما يوضح (g) نواة المرحلة الجديدة (أي بلورات الملح) داخل التجويف المخروطي المملوء بالماء المالح. أبعاد الأسلاك المنحنية الممتدة وأسلاك الشوت مبالغ فيها من أجل الوضوح في المخطط المقدم في (e-h).

البيانات التي تدعم نتائج الدراسة مدرجة في النص الرئيسي وملفات المعلومات التكميلية. تتوفر ملفات البيانات الخام من المؤلف المراسل عند الطلب.

Charging Station in Sharjah. in 2020 Advances in Science and Engineering Technology International Conferences (ASET) 1-4 (2020). https://doi.org/10.1109/ASET48392.2020.9118204.
14. Ramirez, C., Almulla, Y., Joyce, B., Huber-Lee, A. & Nerini, F. F. An assessment of strategies for sustainability priority challenges in Jordan using a water-energy-food Nexus approach. Discover Sustain. 3, 23 (2022).
15. Maftouh, A. et al. The application of water-energy nexus in the Middle East and North Africa (MENA) region: a structured review. Appl. Water Sci. 12, 83 (2022).
16. Xu, N. et al. Going beyond efficiency for solar evaporation. Nat. Water 1, 494-501 (2023).
17. Wu, L. et al. Highly efficient three-dimensional solar evaporator for high salinity desalination by localized crystallization. Nat. Commun. 11, 521 (2020).
18. Ma, X., Jia, X., Yao, G. & Wen, D. Umbrella evaporator for continuous solar vapor generation and salt harvesting from seawater. Cell Rep. Phys. Sci. 3, 100940 (2022).
19. Yu, Z. et al. Intensifying the co-production of vapor and salts by a one-way brine-flowing structure driven by solar irradiation or waste heat. Desalination 539, 115942 (2022).
20. Li, H. et al. Mixed temperature gradient evaporator for solar steam generation. Cell Rep. Phys. Sci. 3, 101014 (2022).
21. Raza, A., Alketbi, A. S., Devarapalli, R., Li, H. & Zhang, T. Refractory Ultrathin Nanocomposite Solar Absorber with Superior Spectral Selectivity and Thermal Stability. Adv. Opt. Mater. 8, (2020).
22. Du, Y. et al. Janus film evaporator with improved light-trapping and gradient interfacial hydrophilicity toward sustainable solar-driven desalination and purification. Sep. Purif. Technol. 322, 124312 (2023).
23. Wei, C. et al. Easily scaled-up and portable 3D polysulfone hollow fiber membrane tree for high-efficient solar-driven clean water production. Solar Energy Mater. Solar Cells 257, 112340 (2023).
24. Sun, S. et al. 3D-printed solar evaporator with seashell ornamentation-inspired structure for zero liquid discharge desalination. Water Res. 226, 119279 (2022).
25. Zhang, C. et al. Designing a next generation solar crystallizer for real seawater brine treatment with zero liquid discharge. Nat. Commun. 12, 998 (2021).
26. Ni, G. et al. A salt-rejecting floating solar still for low-cost desalination. Energy Environ. Sci. 11, 1510-1519 (2018).
27. Xu, K., Wang, C., Li, Z., Wu, S. & Wang, J. Salt Mitigation Strategies of Solar-Driven Interfacial Desalination. Adv. Funct. Mater. 31, 2007855 (2021).
28. Liu, H. et al. High-Performance Solar Steam Device with Layered Channels: Artificial Tree with a Reversed Design. Adv. Energy Mater. 8, 1701616 (2018).
29. Chen, Y. et al. Marangoni-driven biomimetic salt secretion evaporator. Desalination 548, 116287 (2023).
30. Zhu, M. et al. Tree-Inspired Design for High-Efficiency Water Extraction. Adv. Mater. 29, 1704107 (2017).
31. Xu, N. et al. Mushrooms as Efficient Solar Steam-Generation Devices. Adv. Mater. 29, 1606762 (2017).
32. Wang, Y., Lee, J., Werber, J. R. & Elimelech, M. Capillary-driven desalination in a synthetic mangrove. Sci. Adv. 6, eaax5253 (2023).
33. Kim, K., Kim, H., Lim, J. H. & Lee, S. J. Development of a Desalination Membrane Bioinspired by Mangrove Roots for Spontaneous Filtration of Sodium Ions. ACS Nano. 10, 11428-11433 (2016).
34. Liu, H. et al. Sunlight-Sensitive Anti-Fouling Nanostructured TiO2 coated Cu Meshes for Ultrafast Oily Water Treatment. Sci. Rep. 6, 25414 (2016).
35. Li, H. et al. Biomimetic on-chip filtration enabled by direct micro-3D printing on membrane. Sci. Rep. 12, 8178 (2022).
36. Sajjad, M., Li, H., Raza, A., AlMarzooqi, F. & Zhang, T. Insights into capillary-driven motion of micro-particles interacting with advancing meniscus on a substrate. Soft Matter 18, 8894-8905 (2022).
37. Alhosani, M. H. et al. Enhanced Liquid Propagation and Wicking Along Nanostructured Porous Surfaces. Adv. Eng. Mater. 23, 2100118 (2021).
38. Al-Shammiri, M. Evaporation rate as a function of water salinity. Desalination 150, 189-203 (2002).
39. Zhou, L. et al. 3D self-assembly of aluminium nanoparticles for plasmon-enhanced solar desalination. Nat. Photonics 10, 393-398 (2016).
40. Xia, Y. et al. Spatially isolating salt crystallisation from water evaporation for continuous solar steam generation and salt harvesting. Energy Environ. Sci. 12, 1840-1847 (2019).
41. Shang, M. et al. Full-Spectrum Solar-to-Heat Conversion Membrane with Interfacial Plasmonic Heating Ability for HighEfficiency Desalination of Seawater. ACS Appl. Energy Mater. 1, 56-61 (2018).
42. Song, X. et al. Omnidirectional and effective salt-rejecting absorber with rationally designed nanoarchitecture for efficient and durable solar vapour generation. J. Mater. Chem. A Mater. 6, 22976-22986 (2018).
43. Nayar, K. G., Sharqawy, M. H., Banchik, L. D. & Lienhard, V. J. H. Thermophysical properties of seawater: A review and new correlations that include pressure dependence. Desalination 390, 1-24 (2016).
44. WHO Guidelines for Drinking-water Quality Policies and Procedures used in updating the WHO Guidelines for Drinking-water Quality Public Health and the Environment Water, Sanitation, Hygiene and Health.
45. Oman Humanitarian Desalination Challenge (OHDC). https:// desalinationchallenge.com/.
46. Aili, A., Ge, Q. & Zhang, T. How Nanostructures Affect Water Droplet Nucleation on Superhydrophobic Surfaces. J. Heat Transfer. 139, (2017).
47. Lewis, A., Seckler, M., Kramer, H. & van Rosmalen, G. Industrial Crystallization. (Cambridge University Press, 2015). https://doi.org/ 10.1017/CBO9781107280427.

تم دعم هذا العمل من قبل جائزة أبوظبي للتميز البحثي 2019 (#AARE19-185، #AARE19-067) من ASPIRE تحت مجلس بحوث التكنولوجيا المتقدمة في أبوظبي، الإمارات العربية المتحدة [T.J.Z.، F.A.M.] وأيضًا من قبل منحة صندوق الوطن للبحث والتطوير التطبيقي (المشروع# SWARD-S19-003) [F.A.M.، T.J.Z.]. يشكر المؤلفون البروفيسور شاو جون يوان من جامعة سيتشوان على توفير شبكات التيتانيوم الخام والدكتورة ماغي أبي جودة والدكتورة هونغشيا لي من جامعة خليفة على المناقشات المبكرة.

اقترح T.J.Z. و M.A.A. المفهوم والإعداد. طور M.A.A. و M.S. الإعداد وأجروا تجارب متنوعة. ساعد A.R. في توصيف الشبكات التيتانية المهيكلة. طور M.S. النموذج العددي والتحليل الديناميكي الحراري لنقل المياه المالحة وترسيبها. ساهم M.A.A. و M.S. و A.R. و F.A. و T.J.Z. جميعًا في كتابة ومراجعة الورقة.

يعلن المؤلفون عن المصالح المتنافسة التالية: قدم T.J.Z. وM.A.A. وM.S. وF.A.M. طلب براءة اختراع أمريكي استنادًا إلى نتائج هذا العمل. المؤلفون الآخرون لا يعلنون عن أي مصالح متنافسة.

معلومات إضافية النسخة الإلكترونية تحتوي على
المواد التكميلية متاحة على
https://doi.org/10.1038/s41467-024-45108-2.

يجب توجيه المراسلات والطلبات للحصول على المواد إلى TieJun Zhang.

معلومات مراجعة الأقران تشكر مجلة Nature Communications بو باي والمراجعين الآخرين المجهولين على مساهمتهم في مراجعة هذا العمل. يتوفر ملف مراجعة الأقران.

معلومات إعادة الطباعة والتصاريح متاحة على
http://www.nature.com/reprints

ملاحظة الناشر: تظل شركة سبرينغر ناتشر محايدة فيما يتعلق بالمطالبات القضائية في الخرائط المنشورة والانتماءات المؤسسية.

الوصول المفتوح. هذه المقالة مرخصة بموجب رخصة المشاع الإبداعي النسب 4.0 الدولية، التي تسمح بالاستخدام والمشاركة والتكيف والتوزيع وإعادة الإنتاج بأي وسيلة أو صيغة، طالما أنك تعطي الائتمان المناسب للمؤلفين الأصليين والمصدر، وتوفر رابطًا لرخصة المشاع الإبداعي، وتوضح ما إذا تم إجراء تغييرات. الصور أو المواد الأخرى من طرف ثالث في هذه المقالة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي الخاصة بالمقالة، ما لم يُشار إلى خلاف ذلك في سطر الائتمان للمواد. إذا لم تكن المادة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي الخاصة بالمقالة وكان استخدامك المقصود غير مسموح به بموجب اللوائح القانونية أو يتجاوز الاستخدام المسموح به، فستحتاج إلى الحصول على إذن مباشرة من صاحب حقوق الطبع والنشر. لعرض نسخة من هذه الرخصة، قم بزيارة http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
© المؤلفون 2024

Received: 25 July 2023
Accepted: 15 January 2024
Published online: 29 January 2024
(A) Check for updates

With rapid economic development and population growth, over of the human population is limited to no access to clean water, which has been recognized as the key sustainable development goal by the United Nations . Electricity driven reverse osmosis and thermal desalination have been utilized for years to produce fresh water from seawater , but these technologies are energy intensive and directly or indirectly depend on fossil fuels with significant greenhouse gas emissions . The brine usually rejected from conventional desalination plants to seawater has raised serious environmental concerns, because the increasing seawater salinity is harming the aquatic life. In addition, conventional desalination technologies heavily rely on fossil fuels with
substantial carbon footprint . Therefore, there is pressing demand for clean and environment-friendly desalination technologies driven by renewable energy , among which direct solar vapor generation is a promising solution. Driven by proper thermal management and localized heating, interfacial solar vapor generation units produce clean water by harnessing solar energy . Various structural designs and material advancements have been reported to fabricate efficient solar vapor generators . Direct solar vapor generator can also be employed for treating brine solutions without liquid discharge, making the dry salt as the only byproduct . However, along with the strong evaporation at the interface, salts in the bulk solutions inevitably tend

to accumulate on the photothermal layer of the evaporator, hindering the light absorption and the vapor release that eventually decrease the overall thermal efficiency and the applicability of solar vapor generators. Current passive strategies to mitigate this serious drawback involve but not limited to, Janus (hydrophilic/hydrophobic) structures that allow water to evaporate while blocking salt crystallization , direct contact solar evaporators separating the brine solution from the evaporation surface and allowing the accumulated salt to diffuse back in dark , thus, maintaining a clean evaporation surface for continuous and stable performance. In most of these strategies, salt is diffused back to the water reservoir, consequently, increasing the salinity levels and wasting the opportunity for salt collection . Therefore, besides producing fresh water, proper brine management is equally critical during any solar vapor generation process . In this work, edgepreferred crystallization, which conforms with the concept of zero liquid discharge, has been utilized for the simultaneous production of salt and freshwater. Salt is directed and guided to crystalize on the evaporator edges while maintaining a clean central evaporating area for continuous operation.

Inspired by successful adaptation of natural halophyte plants, some research efforts have been made to adopt the biomimetic concept for various engineering applications, including fresh vapor production and salt management . In particular, mangrove-inspired designs are promising candidates for designing bio-mimicked SVGs with salt regulating-mechanism . Passive water transport and saltsecreting ability of mangrove trees have motivated us to fabricate a biomimetic solar-driven device, enabling simultaneous water distillation and salt collection without brine discharge . Solar desalination unit, including a solar vapor generator and crystallizer (SVGC), is expected to have excellent light absorption, low flow resistance, scalability, and anti-corrosion characteristics . Herein, we propose a foldable all-in-one mangrove-mimicked solar evaporator by using chemically etched titanium mesh, as shown in Fig. 1a, b. The nano/ micro-structured titania layer on titanium mesh ( ) surface
makes it an excellent solar absorber with superhydrophilicity and anticorrosive properties. The evaporation and salt crystallization performance of the synthetic leaves were systematically evaluated under different solar irradiances and brine concentrations. The day/ night periodic operation was employed as a sustainable method for the co-production of freshwater and salts. Our characterization on salty water propagation reveals porous and patchy salt in clogged leaf-like structures can enhance the evaporation flux when compared with fully clean leaves. Furthermore, the factors affecting salt nucleation, growth, and peeling are investigated at the microscale. We demonstrate that the reduction in evaporation rates and thermal efficiencies of the salt-clogged solar evaporators is mainly due to light absorption losses rather than blocking the pores by salt, because the precipitated patchy salt contributes to higher evaporation rate under dark. This work paves a way for solar energy utilization, simultaneous freshwater production, and passive salt collection with zero brine discharge.

Salt secretion and edge crystallization, intrinsically happening in natural mangroves with salt gland in leaves, is responsible for salt precipitation on the leaf surface (Fig. 1a). In our scenario, the biomimetic leaves have the ability to crystalize the salt on their edges, maintaining a clean central area of the leaf for continuous solar thermal evaporation and salt harvesting without performance deterioration. In this work, we have designed and developed an all-in-one mangrovemimicked SVGC, where artificial leaves serve as the evaporation surface for vapor escape, and a hydrophilic stem continuously supplies water by capillary wicking, as shown in Fig. 1b. The top surface of the leaves harvest sunlight while acting as the evaporation site. When in contact with water, the stem of the foldable structure enables passive unidirectional water transport from the bulk water to the leaf surface owing to the capillary forces associated with the porous structure. Figure 1 b inset shows the optical image of mangrove mimicked SVGC,

state in the wavelength range of . f Evolution of the wicking front of the saline water ( ) for the oxidized mesh (data uncertainty: 0.8 mm ). g Saline water ( ) lifting capacity of the mimicked stem (with a width of 40 mm and thickness of 0.89 mm equivalent to the proposed device) as a function of height.
which is made of nano/micro-structured titanium ( ) mesh. Figure 1c shows the tight weaving patterns of mesh wires captured by the scanning electron microscopy (SEM), with no observable gap between wires. The high-magnification SEM image in Fig. 1d indicates the dense coverage of nanostructured on titanium wires, which exhibit superior liquid propagation capability (detailed characterization is given in Supplementary Note 1). In addition, nanostructured mesh is an excellent photothermal material that absorbs sunlight to boost the evaporation process without the need for extra light absorption coating. Once the superhydrophilic mesh after oxidation gets saturated with water, it exhibits omnidirectional solar absorptance over 90%, as illustrated in Fig. 1e, in the ultraviolet, visible light and near-infrared wavelength range (250-2000 nm) (optical characterization given in Supplementary Fig. 4). By using infrared imaging , we investigated the imbibition of saline water ( ) along the nanostructured mesh (artificial stem) in the biomimetic device by tracking the liquid front. The transient evolution of the waterfront along the mesh wires is shown in Fig. 1f, where the wicking height is 52 mm after 8 s of passive capillary pumping by the oxidized mesh for wicking along warp wires. IR images of the liquid propagation in the mesh at are also depicted in Fig. 1f. The propagation of the liquid front (shown by the dashed line in Fig. 1f) is apparent in the IR images owing to the emissivity difference between the wetted and non-wetted regions of the mesh. It can also be observed that the IR image color for the wetted mesh part varies due to the varying thickness of liquid films along the propagation direction . Additionally, from the velocity of the water propagation, we were able to determine the saline water supply rate as
a function of stem height (Fig. 1g). Our results have shown that the water supply rate is lower in the shute wires when compared to the warp wires. The pumping capacity is found to be significantly affected by the height of the stem, and it decreases as the stem height increases.

Figure 2a shows schematic of the experimental setup in our lab to characterize the SVGC (details given in methods section). The performance of a single-leaf SVGC was evaluated under simulated sunlight on the top surface, by varying the tilt angle of the leaf to the stem at -30 , 0 , and but with the same projected illumination area. In all cases, brine with 12 wt. salinity and irradiance of for 12 h were employed (detailed results and explanation given in Supplementary Note 2-4). In summary, the solar vapor generator with single leaf and a tilt angle of indicated a substantial salt resistance ability and higher thermal efficiency of compared to and for the leaf with 0 and tilt angles, respectively. Furthermore, it also shows high potential for salt harvesting, therefore, we used the tilt angle of in mangrove-mimicked SVGC in all the subsequent experiments.

The stem height is also a crucial parameter that affects our mangrove-mimicked SVGC’s evaporation performance. Thus, a systematic comparison between two setups (with the same projected area) by controlling the height of the stem, since it was submerged in water, was conducted. The salinity of the bulk water solution was maintained at and the experiments were conducted under for a period of 24 h while simulating the day and night alternation (see Fig. 2e and f). Our results have indicated that the short mesh is at optimal stem height to maintain strong liquid wicking at

thermal efficiency for single leaf solar vapor generator with various tilt angles. Error bars represent the standard deviation of three-time measurements. e Comparison between long and short stem in mangrove-mimicked solar vapor generators in terms of mass change and evaporation flux for 24 h using water with salinity of 3.5 wt.%. Photos of the mangrove-like solar vapor generator with long and short stem using water with salinities of 3.5 and after 12 h of illumination.

and (e) different salinities under 1 sun. Error bars represent the standard deviation of three-time measurements. Durability test for the SVGC device for a period of 4 consecutive days using the solution with a salinity of Scalable SVGC devices: (g) Performance comparison between single- and double-layered biomimetic SVGC devices in terms of mass change of water with salinity of Outdoor experimental setup for freshwater collection consisting of four mangrovemimicked SVGC. i Ionic concentration for the real seawater before and after solar thermal distillation.
different salinities for continuous solar vapor generation and salt collection (detailed results in Supplementary Note 4).

To assess the evaporation performance, a series of experiments were conducted by using water with different salinities, (DI water), , and . The evaporation performance of mangrove-like SVGC device under a dark environment is depicted in Fig. 3a. Our results indicate that the evaporation flux of the proposed biomimetic SVGC device with DI water was the highest with a value of followed by , and when water with salinity of , and , respectively were used. In order to evaluate the effect of solar irradiance on evaporation performance, a series of solar vapor generation experiments were performed with SVGC by using simulated sunlight intensities of , and 1.5 sun, respectively. The corresponding water mass change results are presented in Fig. 3b, and the recorded evaporation flux was under 0.5 sun and increased to 0.61 and for solar irradiances of 1.0 and 1.5 sun, respectively. However, the calculated
evaporation flux based only on the top solar illuminated area was 0.76 , 1.22 , and for solar irradiances of and 1.5 sun, respectively. The temperature distribution given in Supplementary Note 13, confirms that the harvested solar thermal energy is localized and uniform at the top surfaces for all biomimetic leaves. The change in top surface temperature under different light intensities is shown in Fig. 3c. After being exposed to the simulated sunlight in lab conditions, the top surface temperature increased and then reached the steady-state conditions. It can be clearly seen from Fig. 3c that the top surface temperature was low under 0 sun with a value of as the ambient. The top surface temperature has the same trend under various light intensities, and its steady-state value increases from at 0.5 sun to at 1.0 sun and to at 1.5 sun, respectively. In addition, as depicted in Fig. 3d, the variation in solar-to-vapor generation efficiency shows opposite trend to the evaporation flux, the efficiency first was at 0.5 suns and then decreases to 94 and (as the temperature of the leaves is increasing) for the 1 and 1.5 sun, respectively as shown in Fig. 3d.

Similar to the dark experiments, this SVGC device can produce water from artificial salt solutions with different salinities ( , and ) under one sun ( ) illumination (Fig. 3e). The water mass change per unit area decreases with increasing concentration of the bulk water from 0 to , because increasing ions in the solution tend to lower the free energy of the water molecules. The saturation vapor pressure of saline water would decrease with increasing salinity, eventually reducing the evaporation rate . The mangrove-like SVGC enabled stable mass fluxes for different concentrations of saline water: the highest evaporation flux observed for DI water with , followed by for the water with salinity of , and , and for the water with salinity of 7,12 , and , respectively. (1.24, , 1.08 and if the evaporation flux was calculated based on the top solar area only). Our results showed that the thermal efficiency was high when compared with other SVG devices for the deionized water, while it was and for the water with salinity of , and wt. solutions, respectively. The gradual reduction of evaporation efficiency occurred due to the decrease in the vapor pressure as the salt concentration in the solution increases (Fig. 3e). On the other hand, latent heat of vaporization of the salt solutions is lower than DI water ( for deionized water and for the solution with salinity of , which may result in lower thermal efficiency owing to increased surface temperature .

To ensure the durability of the SVGC device, cyclic experiments using water with salinity were carried out through four consecutive days, under 1-sun illumination for 12 h and under dark environment for 12 h . Figure 3 f shows stable evaporation fluxes of 0.6 and (based on total and top areas) over all the simulated day and night cycles, respectively. The detailed results for indoor and outdoor solar vapor generation experiments are discussed in Supplementary Note 6. In addition, by fully utilizing the gaps among the SVGC leaves, we fabricated a larger tree-like device with two layers of leaves. Compared with the single-layered device, the double-layer tree-like SVGC device exhibited better evaporation performance (Fig. 3g) under the same solar beam area, demonstrating the compactness of our SVGC.

Furthermore, in order to assess the overall distillation performance of the mangrove-like SVGC, actual seawater with measured salinity of obtained from Al Hudyriat Island (Abu Dhabi) was utilized for freshwater collection (further details in Supplementary Note 5). As the demonstration of the proposed evaporator for scalable applications, four biomimetic devices were used in the experiments to amplify the total evaporation area as shown in Fig. 3h. The system was able to produce daily fresh water with a flux of day, which is enough to satisfy daily individual drinking needs. Besides, we used the inductive coupled plasma test to measure the ionic concentration before and after distillation. As depicted in Fig. 3i, the concentration of the various cations (i.e, sodium, magnesium, potassium, and calcium) in distillate is reduced by 4 orders of magnitude, when compared to real seawater. The concentrations of the distilled water (light blue columns in Fig. 3i) are for for for for , respectively. The ion concentrations in the collected water satisfy the World Health Organization and Oman Humanitarian Desalination Challenge (OHDC) standards for drinking water, which confirms the effectiveness of our SVGC device for practical applications (Supplementary Note 8).

To evaluate the co-productivity of salt and freshwater for the mangrove-mimicked SVGC, a set of continuous experiments were conducted in controlled lab environment for consecutive 24 h under irradiance as shown in Fig. 4a. The proposed SVGC device was placed for 12 h under direct solar irradiance followed by 12 h under a dark environment, similar to the natural outdoor environment. The evaporation rate when the light was on remains stable as
demonstrated by the linear water mass change (Fig. 4a). The reason for stable evaporation flux is that salt crystals were noticeably growing on the edges of the leaves while the central area remained clean for light absorption. However, while using high-concentration solutions with a salinity of and , it was observed that salt accumulation occurred in the middle area of the leaves of plant, as shown in Fig. 4b. It is noteworthy that when the light was turned off during the night cycle, the evaporation flux significantly decreased to around for four different salinities. Besides, it was observed that the thick salt layer on the edges of the plant-shaped structure was self-defoliated and passively peeled off owing to the dissolution and back diffusion induced by strong water rewetting. Eventually, the peeling led to the recovery of clean leaves, indicating that the plant-shaped structure is highly stable and reusable without significant variation in the evaporation performance as presented in Fig. 4b. The peeled salt mass percentages for different salinities were for the , followed by 100, for the 7,12 , and saline water, respectively. Salt crystallization and accumulation during the day (while light is on) and passive salt peeling during the night (while light is off) ensure that the device can operate continuously for extended periods of time, (as shown in the Supplementary Movie 1 and indoor and outdoor reliability tests in Supplementary Note 6). Figure 4c summarizes the results of the co-production of salt and freshwater using saline water of different salinities. It can be noticed that the evaporator with concentration produced salt with a peeling rate of with a corresponding highest average evaporation flux of (yellow column in Fig. 4c). Similarly, the solution generated salt with a rate of and an average evaporation flux of . The peeling rate was for solution and the corresponding evaporation flux was . For the case of solution, the reported evaporation flux was with negligible salt peeling.

Surprisingly, during the dark cycle, the evaporation rate of the saline water with a concentration of is even higher than that for and solutions as shown in the black columns in Fig. 4c. This is because the crystalized salt is porous and hydrophilic, with enhanced evaporation area owing to extended surfaces of the precipitated salt. However, when exposed to light, white salt crystals tend to reflect the sunlight and hinder the photothermal energy conversion. Thus, the reduction of evaporation rates and thermal efficiencies of the clogged solar evaporators is due to the light reflection instead of the pore blocking since the precipitated salt actually contributed to higher evaporation rate under dark as discussed above. Furthermore, to precisely investigate the hydrophilic property of the crystalized salt, the evaporation performance of clean and used devices (with patchy salt) was compared. The used device was fully covered with salt ( 5 g ) with an average salt thickness of 0.4 cm , and solution with high salt concentration ( ) was employed to minimize the dissolution of the patchy salt for the used device (Fig. 4d). As the experiments were carried out in an absolute dark environment, there was no light reflection by the white salt. The evaporation rate of the stem with patchy salt was found to be , 1.6 times the evaporation rate of clean stem (i.e., ), which confirms that patchy salt enhances the evaporation rate in dark environment.

In order to study the variation in salt concentration along the stem of SVGC, we carried out the finite element method (FEM) simulation using COMSOL V5.6 to characterize the spatial salt distribution along porous evaporator. The computational domain for numerical simulation is shown in Fig. 4e (left image). The simulation methodology and detailed results are reported in Supplementary Note 10. The experimental and simulation results for salt concentration along the evaporator length for saline water are shown in Fig. 4e (middle and right, respectively). It can be seen that the salt concentration increases along evaporator length and reaches the saturation value, , (i.e.,

green line/curve represents (right subplot). Variation in precipitation-free stem length to the total evaporation length ( ) as a function of dimensionless salt concentration ( ). g Computational domain for COMSOL V5.6 simulation to estimate the back diffusion coefficient using single-leaf evaporator and its volumetric concentration profile at in Variation in salt concentration (wt.%) over time at (solid black line for simulation, scatter points for experiments). The inset image of Fig. 4h shows experimental setup to study back diffusion. i IR imaging of the liquid propagation through patchy salt and the corresponding wicking distance over time.
or ) at a certain distance from the inlet (i.e., Boundary 1). As the bulk (or inflow) concentration increases, the length of the probable crystal-free region is reduced. This is applicable to the cases with and without edge effect. Figure 4 f shows the variation in dimensionless salt concentration ( ) as a function of precipitationfree stem length to the total evaporation length ( ). When there is no edge effect, the predicted values corresponding to for , and are , and 0.11 , respectively. These simulation results in Fig. 4e-f are consistent with the experimental results for salt precipitation with our bio-mimicked SVGC in Fig. 4b.

To assess the back diffusion coefficient, the experimental setup along with the simulation domain are shown in Fig. 4g, h. Figure 4g
illustrates the volumetric contour profile after 6 h of back diffusion, while Fig. 4 h gives experimental and simulation results for the variation in salt concentration over time at . The diffusion coefficient is found to be when the simulated concentration profile matches the experimental data. The magnitude of the diffusion coefficient for our device is one order higher than that for bulk solution ( ). The simulation methodology and detailed discussion for the estimation of back diffusion coefficient are given in Supplementary Note 11. With the help of the IR imaging, we also characterized the liquid propagation through porous and patchy salt, where the patchy salt with a length of 5 mm precipitated at the edge of the stem (Fig. 4i) was used for this purpose. Time-lapse IR images with an interval of 5 s in the salt rewetting process are shown in

Fig. 4i. The evolution of the liquid front is distinguishable in the IR ranges, and the wetted salt is represented by blue while the dry salt is represented by orange color. In addition, wicking distance as a function of time is also reported in the bottom subplot of Fig. 4i (for details please see Supplementary Note 12).

The precipitation behaviour depends on the distribution of salt concentration on porous evaporator surface, wires weaving pattern and nanostructures on individual wires. Based on the classical nucleation theory, the impact of these parameters on energy barrier for heterogeneous nucleation ( ) can be expressed as :

where is the radius of the spherical nucleus of new phase (i.e., crystals), is number density of crystals, is the difference in chemical potential of solute (i.e., NaCl salt) in solution between supersaturated and saturated states. is the interfacial tension between liquid phase (i.e., solution) and crystal, while is the the ratio of heterogeneous to homogeneous nucleation energy barrier which depends on pore structure and interfacial properties of new phase and saline solution (reported in detail in Supplementary Note 10). Under low super saturation at constant temperature and pressure, the chemical potential difference for evaporative crystallization of individual species is given by :

where is the universal gas constant and is the absolute temperature. Similarly, and are actual and equilibrium (or saturated) salt concentration in solution, respectively. Based on COMSOL Multiphysics V5.6 simulation, we predicted the probable location where concentrations could reach supersaturation (as reported in Fig. 4e, f). An increase in NaCl concentration will enhance the chemical potential difference of salt in the solution (Eq. 2), thus reducing the energy barrier for salt nucleation (Eq. 1). The cavities and nano/micro-structure of the SVGC device also reduces energy barrier as discussed in detail in Supplementary Note 10. The overall effect of the low energy barrier, which facilitates nucleation/crystallization, will be the same at all locations of the evaporator, while observed crystallization is not uniform over the evaporator surface. This clearly demonstrates the dominant impact of chemical potential difference of salt on crystallization, compared with the reduction in nucleation energy barrier due to micro-structure and cavities (quantified through and (Fig. 5) as discussed in Supplementary Note 10). Moreover, the precipitation behavior observed in experiments is in consistency with the concentration profiles obtained through COMSOL V5.6 simulation, which confirms the important role of supersaturation in crystallization (Fig. 4b, e, f).

Like the main evaporator surface (where we have defined by as given in Fig. 4f), concentration will also increase along the spike’s length and saline water at the tip of spikes will reach the supersaturation state earlier than that at the spike base (Fig. 5a, b). Therefore, higher supersaturation at the spike tip will increase chemical potential difference ( ) of salt, thus reducing nucleation barrier. However, crystallization behavior will not be same on all spikes, because it also depends on the distance of a particular spike from the evaporator inlet, which affects salt concentration at the base of the spike. Spikes far from the evaporator inlet will have high concentration at their base, so these spikes will have more salt crystallization in comparison with the ones near the evaporator inlet (Fig. 5a). In addition, the evaporation rate around the spikes is higher than that on the main evaporator surface since it is easier for vapor to diffuse into air near spikes. Moreover, the liquid film at/between the spikes could
be thinner than that at the main surface, and higher evaporation at thin film region will lead saline water to reach supersaturation ( ) more easily, hence more crystallization. The dissolution of precipitated salt is more effective at the non-spike edge (Edge-2, Fig. 5f, h) owing to the direct contact between salt and the main leaf, in comparison with thee case with spikes (Edge-1, Fig. 5e, g), where the salt remains hung over the spikes (Fig. 5b, c-f). Once the first few micrometers’ layers of the salt are dissolved back, the salt will be peeled off under gravity as shown in Fig. 5h. Therefore, spikes are not desirable from a salt-peeling perspective; however, they favor salt crystallization.

To sum up, edge-preferred crystallization, complying with the concept of zero brine discharge, has been employed for simultaneous production of salt and freshwater. Our scalable mangrove-mimicked passive device has achieved direct solar vapor generation and zero brine discharge simultaneously, showing a high solar thermal efficiency of 94% under one-sun irradiance owing to the omnidirectional superior light absorption, stability, and wicking capability. Anticorrosion porous wicking stem and leaves made of nanostructured meshes supply salty water via capillary pumping and enable continuous vapor generation until solid salt precipitates at leave edges. Our experiments have indicated that the patchy salt in clogged leaves-like structures can enhance the evaporation compared with fully clean leaves. Salt peeling can occur passively along artificial leaves during night, because the precipitated salt patch from leave edge can be rewetted by saline water to detach and fall under gravity, leading to passive salt collection. In addition, the proposed mangrove-like SVGC device can have multiple layers and branches volumetrically, which can harvest sunlight with any incident angle. Moreover, multiple mangrove-like devices can be placed in parallel to achieve scalable freshwater production with limited land use. In summary, this work has provided a sustainable solution for clean water production and brine treatment with abundant solar energy.

To create the SVGC, the titanium mesh was first engineered through the oxidation process to enhance wettability and light absorption. After cleaning, titanium mesh was chemically etched with 1.00 molar aqueous solution of Sodium Hydroxide (Sigma-Aldrich, 99.9% purity) through the hydrothermal method to grow nanostructured . (Supplementary Fig. 1). The morphology and microstructure of mesh were characterized by the scanning electron microscopies (Nova Nano SEM 650). The light absorption spectra of samples were recorded by UV-vis-NIR spectrophotometer (PerkinElmer, LAMBDA 1050). For the water propagation experiment within the mesh, the waterfront is identified by infrared (IR) imaging via the IR camera (FLIR E95). The contact angle tests were carried out by using a microscopic goniometer (Kyowa DM501). Detailed fabrication methods and characterization of nanostructured titanium meshes are added to Supplementary Note 1.

To test the SVGC under simulated sunlight, we built up a setup where a lightweight plastic beaker was utilized as a bulk water container and a thermal insulator from foam (thermal conductivity of ) constructed on the top and the sides of the beaker. The experimental setup consists of a solar simulator (Sciencetech, Canada) with adjustable light intensity and an analytical balance (RADWAG) with an accuracy of 0.01 g . Along with DAQ (from National Instruments, NI MAX), thermocouples were utilized to measure and record the temperature of the light absorption surface (leaves). The solar intensity is measured by solar meter from EKO.

Fig. 5 | Salt precipitation and peeling mechanism for the leaf (i.e., mesh) with and without edge spikes. Optical images showing precipitated salt at the edges of mesh with and without extended spikes after one day and night cycle, respectively for saline water. c, d High magnification optical images showing salt precipitation on extended warp wires of leaf at (c) and (d) under ambient conditions. Illustration for the salt precipitation on spikes of the warp
wires from (e) top and (f) side views. Schematic for the growth and peeling of salt at non-spike edge of the leaf/mesh from (g) top and (h) side views. g Also illustrates the nucleation of new phase (i.e., salt crystals) inside the cone-shaped cavity filled with saline water. The dimensions of the extended warp wires and shute wires are exaggerated for clarity in the schematic given in (e-h).

The data that supports the findings of the study are included in the main text and supplementary information files. Raw data files are available from the corresponding author upon request.

Charging Station in Sharjah. in 2020 Advances in Science and Engineering Technology International Conferences (ASET) 1-4 (2020). https://doi.org/10.1109/ASET48392.2020.9118204.
14. Ramirez, C., Almulla, Y., Joyce, B., Huber-Lee, A. & Nerini, F. F. An assessment of strategies for sustainability priority challenges in Jordan using a water-energy-food Nexus approach. Discover Sustain. 3, 23 (2022).
15. Maftouh, A. et al. The application of water-energy nexus in the Middle East and North Africa (MENA) region: a structured review. Appl. Water Sci. 12, 83 (2022).
16. Xu, N. et al. Going beyond efficiency for solar evaporation. Nat. Water 1, 494-501 (2023).
17. Wu, L. et al. Highly efficient three-dimensional solar evaporator for high salinity desalination by localized crystallization. Nat. Commun. 11, 521 (2020).
18. Ma, X., Jia, X., Yao, G. & Wen, D. Umbrella evaporator for continuous solar vapor generation and salt harvesting from seawater. Cell Rep. Phys. Sci. 3, 100940 (2022).
19. Yu, Z. et al. Intensifying the co-production of vapor and salts by a one-way brine-flowing structure driven by solar irradiation or waste heat. Desalination 539, 115942 (2022).
20. Li, H. et al. Mixed temperature gradient evaporator for solar steam generation. Cell Rep. Phys. Sci. 3, 101014 (2022).
21. Raza, A., Alketbi, A. S., Devarapalli, R., Li, H. & Zhang, T. Refractory Ultrathin Nanocomposite Solar Absorber with Superior Spectral Selectivity and Thermal Stability. Adv. Opt. Mater. 8, (2020).
22. Du, Y. et al. Janus film evaporator with improved light-trapping and gradient interfacial hydrophilicity toward sustainable solar-driven desalination and purification. Sep. Purif. Technol. 322, 124312 (2023).
23. Wei, C. et al. Easily scaled-up and portable 3D polysulfone hollow fiber membrane tree for high-efficient solar-driven clean water production. Solar Energy Mater. Solar Cells 257, 112340 (2023).
24. Sun, S. et al. 3D-printed solar evaporator with seashell ornamentation-inspired structure for zero liquid discharge desalination. Water Res. 226, 119279 (2022).
25. Zhang, C. et al. Designing a next generation solar crystallizer for real seawater brine treatment with zero liquid discharge. Nat. Commun. 12, 998 (2021).
26. Ni, G. et al. A salt-rejecting floating solar still for low-cost desalination. Energy Environ. Sci. 11, 1510-1519 (2018).
27. Xu, K., Wang, C., Li, Z., Wu, S. & Wang, J. Salt Mitigation Strategies of Solar-Driven Interfacial Desalination. Adv. Funct. Mater. 31, 2007855 (2021).
28. Liu, H. et al. High-Performance Solar Steam Device with Layered Channels: Artificial Tree with a Reversed Design. Adv. Energy Mater. 8, 1701616 (2018).
29. Chen, Y. et al. Marangoni-driven biomimetic salt secretion evaporator. Desalination 548, 116287 (2023).
30. Zhu, M. et al. Tree-Inspired Design for High-Efficiency Water Extraction. Adv. Mater. 29, 1704107 (2017).
31. Xu, N. et al. Mushrooms as Efficient Solar Steam-Generation Devices. Adv. Mater. 29, 1606762 (2017).
32. Wang, Y., Lee, J., Werber, J. R. & Elimelech, M. Capillary-driven desalination in a synthetic mangrove. Sci. Adv. 6, eaax5253 (2023).
33. Kim, K., Kim, H., Lim, J. H. & Lee, S. J. Development of a Desalination Membrane Bioinspired by Mangrove Roots for Spontaneous Filtration of Sodium Ions. ACS Nano. 10, 11428-11433 (2016).
34. Liu, H. et al. Sunlight-Sensitive Anti-Fouling Nanostructured TiO2 coated Cu Meshes for Ultrafast Oily Water Treatment. Sci. Rep. 6, 25414 (2016).
35. Li, H. et al. Biomimetic on-chip filtration enabled by direct micro-3D printing on membrane. Sci. Rep. 12, 8178 (2022).
36. Sajjad, M., Li, H., Raza, A., AlMarzooqi, F. & Zhang, T. Insights into capillary-driven motion of micro-particles interacting with advancing meniscus on a substrate. Soft Matter 18, 8894-8905 (2022).
37. Alhosani, M. H. et al. Enhanced Liquid Propagation and Wicking Along Nanostructured Porous Surfaces. Adv. Eng. Mater. 23, 2100118 (2021).
38. Al-Shammiri, M. Evaporation rate as a function of water salinity. Desalination 150, 189-203 (2002).
39. Zhou, L. et al. 3D self-assembly of aluminium nanoparticles for plasmon-enhanced solar desalination. Nat. Photonics 10, 393-398 (2016).
40. Xia, Y. et al. Spatially isolating salt crystallisation from water evaporation for continuous solar steam generation and salt harvesting. Energy Environ. Sci. 12, 1840-1847 (2019).
41. Shang, M. et al. Full-Spectrum Solar-to-Heat Conversion Membrane with Interfacial Plasmonic Heating Ability for HighEfficiency Desalination of Seawater. ACS Appl. Energy Mater. 1, 56-61 (2018).
42. Song, X. et al. Omnidirectional and effective salt-rejecting absorber with rationally designed nanoarchitecture for efficient and durable solar vapour generation. J. Mater. Chem. A Mater. 6, 22976-22986 (2018).
43. Nayar, K. G., Sharqawy, M. H., Banchik, L. D. & Lienhard, V. J. H. Thermophysical properties of seawater: A review and new correlations that include pressure dependence. Desalination 390, 1-24 (2016).
44. WHO Guidelines for Drinking-water Quality Policies and Procedures used in updating the WHO Guidelines for Drinking-water Quality Public Health and the Environment Water, Sanitation, Hygiene and Health.
45. Oman Humanitarian Desalination Challenge (OHDC). https:// desalinationchallenge.com/.
46. Aili, A., Ge, Q. & Zhang, T. How Nanostructures Affect Water Droplet Nucleation on Superhydrophobic Surfaces. J. Heat Transfer. 139, (2017).
47. Lewis, A., Seckler, M., Kramer, H. & van Rosmalen, G. Industrial Crystallization. (Cambridge University Press, 2015). https://doi.org/ 10.1017/CBO9781107280427.

This work was supported by the Abu Dhabi Award for Research Excellence 2019 (#AARE19-185, #AARE19-067) of ASPIRE under the Advanced Technology Research Council in Abu Dhabi UAE [T.J.Z., F.A.M.] and also by Sandooq Al Watan Applied Research & Development Grant (Project# SWARD-S19-003) [F.A.M., T.J.Z.]. The authors thank Prof. Shaojun Yuan at Sichuan University for providing raw titanium meshes and Dr. Maguy Abi Jaoude, Dr. Hongxia Li at Khalifa University for early discussions.

T.J.Z. and M.A.A. proposed the concept and setup. M.A.A. and M.S. developed the set-up and conducted various experiments. A.R. helped in the characterization of structured titanium meshes. M.S. developed the numerical model and thermodynamic analysis for salty water transport and precipitation. M.A.A., M.S., A.R., F.A., and T.J.Z. all contributed to writing and revising the paper.

The authors declare the following competing interests: T.J.Z., M.A.A., M.S., and F.A.M. have filed a US patent application based on the results of this work. The remaining authors declare no competing interests.

Supplementary information The online version contains
supplementary material available at
https://doi.org/10.1038/s41467-024-45108-2.

Correspondence and requests for materials should be addressed to TieJun Zhang.

Peer review information Nature Communications thanks Bo Bai and the other, anonymous, reviewers for their contribution to the peer review of this work. A peer review file is available.

Reprints and permissions information is available at
http://www.nature.com/reprints

Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.

Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons license, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons license, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons license and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this license, visit http://creativecommons.org/ licenses/by/4.0/.
© The Author(s) 2024