向冷却塔“要水”：仿白蚁巢结构实现工业水蒸气高效回收新突破在全球淡水资源日益紧张的背景下，工业用水浪费问题正成为隐藏却严峻的挑战。尤其是在电力、化工等行业中，大量用于设备冷却的水以水蒸气形式排放到空气中，长期以来未被有效利用。研究表明，工业用水约占全球淡水取用量的20%，其中约70%用于冷却过程，而冷却塔每小时可释放约1000立方米水蒸气，这一规模相当于一个25万人城市的日用水需求。然而，在接近饱和湿度条件下，这些水蒸气难以通过传统雾收集技术捕获，如何高效、低能耗地回收成为关键技术难题。近日，华中科技大学瞿金平院士、吴婷教授与香港理工大学王钻开教授提出一种受白蚁巢启发的四级分层水蒸气回收体系。该系统通过微纳结构设计、辐射制冷与流体调控协同作用，实现了无需额外能源输入的高效水蒸气捕获，回收效率达到41.6 kg m⁻² day⁻¹，水分保留率高达83%。如果应用于一座300 MW电厂，每年可节约约2.7亿吨水资源，足以满足220万户家庭的生活用水需求。相关成果以“A bioinspired hierarchical architecture for the high-yield recovery of industrial water vapour”为题发表在《Nature Water》上，第一作者为Congyuan Zhang。从宏观到微观，这项研究的灵感源自自然界的“水管理大师”——白蚁巢穴。研究首先展示了工业冷却塔排放水蒸气的应用潜力：这些原本被浪费的“白烟”，实际上可以重新服务于农业灌溉、城市绿化乃至居民用水（图1a）。进一步地，研究团队深入解析了白蚁巢的多尺度结构（图1b），从纳米级孔隙到宏观通道，各级结构协同作用，实现水分凝结、储存、输运与再分配。这种天然“分层设计”，成为后续工程化系统构建的核心蓝本。在此基础上，研究者设计并制造了一个仿生水蒸气回收单元（图1c）。整个系统由四级结构组成：第一层为具有异质结构的微球涂层，负责捕获水分子并诱导成核；第二层为倒金字塔结构基底，扩大换热面积并促进液滴生长；第三层构建以辐射制冷为主导的气液换热体系；第四层则通过仿生流道延长水蒸气停留时间，形成“冷凝—冷却—再冷凝”的循环机制（图1d）。这一设计使系统无需外部能量即可持续运行。图1：仿生设计理念与系统结构——从白蚁巢结构启发，构建四级水蒸气回收体系。在材料层面，研究团队开发了一种类似“海胆”的二氧化钛微球（图2a）。这些微球由纳米棒径向排列形成，具备梯度折射率结构，有助于增强光散射与热辐射。显微表征显示，这些微球直径约2微米，由约30纳米的纳米棒构成（图2b），并通过化学修饰实现亲水与疏水区域共存（图2c）。这种“亲疏水共存”结构，使其既能高效吸附水分子，又能促进液滴快速脱落，从而维持高效的滴状冷凝过程。图2：FAUTO微球结构——海胆状纳米结构实现梯度折射与亲疏水共存。在器件构建方面，研究者将该功能材料与含氮化硼的聚乙烯基底结合，形成具有倒金字塔阵列的复合结构（图3a）。扫描电镜显示，涂层与基底之间形成“交错嵌入”的结构（图3b），显著提升了机械稳定性。同时，材料具备优异的热稳定性和导热性能（图3g、3h），为工业环境应用提供保障。在性能测试中，该系统在模拟冷却塔环境下的成核速率最高达到33.6 g m⁻² min⁻¹（图3i），远高于传统材料。图3：回收单元构建与性能——倒金字塔结构与功能涂层提升冷凝效率。进一步的研究揭示了其高效冷凝机制（图4）。通过调控表面润湿性，研究发现当材料中FAUTO含量达到30%时，水滴接触角达到150°，滑动角仅10.6°（图4a），实现“易凝结、快脱落”的最佳平衡。在动态实验中，液滴在该表面可在10–30分钟内脱落（图4c），显著优于对照材料。此外，在显微观察下，该材料在120分钟内仍保持滴状冷凝（图4e），而普通材料早已转变为低效的膜状冷凝。图4：表面润湿性与冷凝机制——异质润湿性实现高效滴状冷凝。除了表面结构优化，研究还通过光学设计实现辐射制冷能力的提升（图5）。通过引入多尺度散射结构和二氧化硅颗粒，材料在太阳光波段实现98%以上反射率，同时在大气窗口（8–13 μm）实现近100%发射率。这意味着系统可以持续向外太空辐射热量，使表面温度低于露点，从而持续驱动冷凝过程。图5：光学优化设计——高反射与高发射实现被动辐射制冷。在实际应用层面，研究团队搭建了一个循环冷却塔系统进行验证（图6a）。通过优化流道结构（图6b），使气流分布更加均匀，增强水蒸气与冷凝表面的接触。在最佳结构下，系统可实现稳定的温度控制，使冷凝表面长期维持低于露点约1.7°C（图6e）。实验表明，在连续运行一周内，系统回收效率稳定在33.8–41.6 kg m⁻² day⁻¹之间（图6i），夜间表现尤为优异。图6：系统级性能验证——实际冷却塔环境下实现高效水蒸气回收。结论与展望这项研究通过将仿生设计、微纳材料与热管理技术深度融合，构建出一种无需额外能耗的工业水蒸气回收系统，为解决水资源短缺提供了全新思路。相比传统依赖制冷或吸附的技术，该系统在效率、能耗与可扩展性方面均具有显著优势。未来，随着材料规模化制造与系统工程优化的推进，这一技术有望在电厂、化工园区乃至城市基础设施中广泛应用，成为“工业废气变水源”的关键解决方案。