第一作者：熊倩倩
通讯作者：武萱博士，
徐浩兰教授
通讯单位：
南澳
大学
Advanced Functional Materials 2024, 2409257 https://doi.org/10.1002/adfm.202409257
界面光热蒸发通过太阳能驱动海水淡化，为解决清洁水短缺问题供了一种绿色可持续的方案。然而，随着蒸发速率的不断提高，在蒸发器表面上盐结晶的形成和积聚成为阻碍界面光热蒸发稳定性和长期运行的主要障碍。为了应对这一挑战，本研究开发了一种新颖的并联双供水通道的光热蒸发器。传统的单通道供水蒸发器通常会使盐结晶积聚在蒸发表面的末端，并向中心扩散，从而降低光热蒸发性能并限制蒸发器的使用寿命。与传统的单供水通道的蒸发器不同，本研究通过引入第二个并联供水通道，重新构置和优化了蒸发器内的离子传输和分布，从而实现了在蒸发表面和输水通道上均无积盐发生。此外，该设计在光热蒸发过程中还可以将盐结晶的边界不断地推离蒸发器，从而彻底消除了盐结晶对蒸发性能的影响以及对材料的损坏，并实现便捷的盐结晶收集。该蒸发器在连续84小时蒸发3.5
wt%的NaCl溶液的测试中实现了很高的稳定蒸发速率（3.09–3.26 kg m
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），蒸发器上没有任何积盐。此外，该蒸发器还实现了连续两个循环的零液体排放光热蒸发NaCl溶液。
光热界面蒸发是一种利用太阳能进行海水淡化和废水净化的绿色技术。在过去的十年里，研究者们已经发展了多种策略来大幅度提升光热蒸发效率。然而，更高的蒸发速率往往会导致盐结晶和在蒸发表面上结晶和积累，这不仅严重阻碍光热材料的光吸收和光热转换，还会堵塞水的传输通道，从而急剧降低蒸发速率并缩短光热材料的使用寿命。为了应对这一挑战，研究人员开发了多种具有抗积盐能力的蒸发器。然而，这些蒸发器仍会出现局部积盐的情况，并且可能导致高浓度的盐离子扩散回本体溶液中，造成盐资源的浪费。此外，盐离子扩散回本体溶液的过程通常伴随着显著的热量损失，这会降低界面蒸发性能，不利于实际应用。如果通过合理设计太阳能蒸器来实现零液体排放（ZLD，zero liquid discharge）光热蒸发盐溶液和便捷的盐收集，同时保持高蒸发效率，将为界面光热蒸发技术的发展和应用提供实质性的推动作用。
球形蒸发器的设计
：
通常，对于具有单一输水通道的蒸发器(图1a)，盐结晶优先析出于蒸发器的最远端（即传水路径的最远端）。蒸发表面可以通过反复物理刮擦进行清理并收集结晶盐。然而，这种操作不可避免地会损坏部分蒸发器的表面结构，从而影响其长期连续运行性能。此外，由于蒸发器部分区域被盐晶体覆盖，其蒸发速率也会略有降低。在这项工作中，作者开发了一种创新设计的球形光热蒸发器，该蒸发器具有两条并联的传水路径。如图1b所示，除传统的单输水路径Ⅰ外，还并联了一组额外的四条辅助输水路径（路径Ⅱ）。通过引入这些辅助输水路径，输水的最远点（即盐沉积点）从球形蒸发器的边缘有效地移动至辅助输水路径的顶端。这一设计成功地避免了盐在蒸发表面上的结晶和积累，显著提高了界面蒸发的稳定性，甚至实现了零液体排放（ZLD）盐水光热蒸发和便捷的盐分收集。
图1.（a）
具有单输水路径（Ⅰ）的传统蒸发器(s-evaporator)和 (b) 具有两个并联输水路径（Ⅰ，Ⅱ）的蒸发器(p-evaporator)的示意图，以及相应的盐积累位置
。
球形光热蒸发器的设计与制备
：
球形光热蒸发器的制备以直径为5.5 cm的聚苯乙烯（PS）球作为支撑框架。在PS球体的中央部分钻出一条直径为1 cm的垂直通道，用于承载传水通道（路径Ⅰ）。路径Ⅰ由具有超亲水和高柔韧性的商业竹纤维纸制成，可通过毛细管力将水从水体输送至球形蒸发器表面。为了制备光热蒸发表面，首先将还原氧化石墨烯（rGO）和海藻酸钠（SA）的混合物悬浮液滴涂到商业竹纤维纸上，然后进行冷冻干燥，并用Ca
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溶液交联。这一过程使rGO稳定附着在竹纤维纸的表面。然后将制得的光热表面包裹在PS球体表面上形成s-evaporator。
s-evaporator
的蒸发性能
：
作者在一个太阳强度下对s-evaporator蒸发3.5 wt%的NaCl溶液进行了测试（图2a）。测试结果显示，s-evaporator表面温度在1分钟内从19.3°C迅速升至28.0°C，并在20分钟后稳定在约35°C (图2b)。在测试的最初1小时，蒸发速率为1.66 kg m
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；在第2至第8小时内，速率略微增加至2.0 kg m
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，但随后由于盐结晶在蒸发表面边缘的形成和积累，蒸发速率逐渐下降，至24小时急剧下降至1.0 kg m
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以下 (图2c,d)。在光热蒸发过程中，由于水分沿着扩散路径不断蒸发，盐浓度也随之升高，导致盐结晶主要发生在单一传水路径的（路径Ⅰ）的最远端（即球形蒸发器的底部边缘处）。通过观察发现，在测试的前7小时，没有明显的盐结晶现象，蒸发速率保持稳定。然而，从第8小时开始，蒸发器底部边缘开始出现盐积累，并逐渐向顶部扩展，覆盖更多的蒸发表面，导致了蒸发速率的急剧下降(图2e)。另外，随着盐结晶的扩展和积聚，由于蒸发速率的下降和消耗热量的减少，s-evaporator的表面温度持续升高：在12小时时达到36.4°C，在24小时时升至42.5°C。温度的升高导致蒸发系统向周围环境的辐射和对流能量损失增加，从而降低了界面光热蒸发的能量转化效率。
图2. （a）
s-evaporator的装置设置及其光热蒸发测试系统。（b）光热蒸发过程中s-evaporator的红外热成像图。（c）光热蒸发过程中水的质量变化曲线。（d）蒸发测试中s-evaporator的蒸发速率与环境温度和湿度的变化。（e）光热蒸发过程中盐的形成与沉积过程。
p-evaporator
的蒸发性能
：
与s-evaporator相比，p-evaporator在原有的输水路径（路径Ⅰ）的基础上增加了4条平行的供水路径（路径Ⅱ）。这4条平行的辅助水传输路径将水体与蒸发器底部边缘（即路径Ⅰ的最远端）直接连接，从而提供额外的水分供应至底部边缘，显著降低该区域的盐浓度，并将盐结晶点转移至路径Ⅱ的最远端（图3a）。在光热蒸发NaCl溶液过程中，与s-evaporator不同，p-evaporator表面温度始终保持稳定，从19.7°C（0分钟）升至33.9°C（60分钟），并在12小时和24小时后分别稳定在33.7°C和33.3°C（图3b）。这表明蒸发过程稳定且能量利用一直处于平衡状态。在连续84小时的盐水（3.5 wt% NaCl）蒸发测试中，p-evaporator表现出稳定且较高的蒸发速率（3.09–3.26 kg m
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）（图3c-e）。盐晶体并未沉积在输水带表面(路径Ⅱ)，而是首先在水带与容器盖的边界处形成，并沿容器盖外延扩展（图3f）。这是由于路径Ⅰ和路径Ⅱ提供充足的水分供应，将盐离子推向水带（路径Ⅱ）的顶端。在尖端盐浓度饱和后开始结晶，由于相对充足的供水，形成的盐晶体呈多孔结构，这种结构有利于盐溶液通过孔隙向更远处扩散，从而使积盐边界不断向外推移。此外，多孔盐可以增加蒸发面积，因此p-evaporator的蒸发速率随着蒸发时间的延长略有提高。这种设计成功避免了盐分在蒸发表面和传水带上的积累，保证了稳定、高效的光热蒸发。而且，沉积在容器盖上的盐晶体非常易于剥落和收集，对蒸发器本身不会造成任何损伤。相比之下，s-evaporator因供水不足，形成了致密的盐晶体，这些致密晶体阻塞了水的传输，使得积盐边界不断地回撤（图2e），覆盖更多的蒸发表面，从而急剧降低了蒸发性能。
图3. （a）
p-evaporator-2.0的装置设置。（b）光热蒸发过程中p-evaporator的红外热成像图。（c）蒸发测试中p-evaporator-2.0的蒸发速率以及环境温度和湿度。（d）84小时光热蒸发测试中每12小时的质量变化曲线。（e）84小时光热蒸发测试中每12小时的计算蒸发速率。(f) 光热蒸发过程中盐的形成与沉积过程。
机理研究：
作者使用 COMSOL Multiphysics 进行了理论模拟，以研究光热蒸发过程中蒸发器表面的盐离子分布。在s-evaporator中，整个蒸发器的初始盐离子分布均匀。然而，随着蒸发的进行，底部边缘（即供水路径的最远点）的盐离子浓度显著增加。高盐浓度区域从s-evaporator的底部边缘逐渐向顶部扩展，最终覆盖更大的蒸发表面（图4a）。而对于同时具有水路Ⅰ和Ⅱ的p-evaporator，其盐离子分布明显不同于s-evaporator。通过路径Ⅱ增加的额外供水，有效降低了蒸发器底部表面在光热蒸发过程中的离子浓度，同时将高盐离子浓度区域推移到水带Ⅱ的尖端（图4b）。因此，在太阳蒸发测试中，蒸发表面和水带上未观察到盐分积累现象。
图4.
理论模拟光热蒸发过程中（a）s-evaporator和（b）p-evaporator上的盐离子浓度分布
。
ZLD
的盐水太阳能蒸发
：
ZLD光热蒸发盐水对于保护环境和盐资源回收至关重要。p-evaporator-2.0通过有效推离盐结晶边界，实现了ZLD蒸发盐水。在一个太阳强度照射下，38小时内将3.5 wt% NaCl溶液完全蒸发，蒸发速率从3.29 kg m
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逐渐下降至2.37
kg m
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（蒸发速率的下降是由盐溶液的浓度不断上升所致）。在此过程中，蒸发表面始终无盐结晶形成，盐晶体只沉积在容器盖上（图5a,b）。重新注入等量NaCl溶液开始第二个循环后，蒸发速率恢复至3.21 kg m
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，并表现出与第一个循环相似的蒸发速率变化和ZLD效果（图5a,b）。这表明，p-evaporator能够在保持高效蒸发性能的同时，实现多循环ZLD光热蒸发盐水。
此外，p-evaporator-2.0在真实海水的室内和户外条件下同样展现了卓越的性能，蒸发速率为2.06–2.53 kg m
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，并能产出优质淡水（盐度低于WHO标准），显示其在太阳能海水淡化及相关集成应用领域具有广阔的应用前景。
图5.（a）
ZLD盐溶液光热蒸发的第一和第二循环期间的蒸发速率及温湿度变化。（b）p-evaporator-2.0在ZLD盐溶液光热蒸发两个循环期间的盐结晶位置。
在这项工作中，作者设计了一种具有并联的双输水路径的新型太阳能蒸发器，以实现连续高速的盐水蒸发甚至零液体排放（ZLD）的光热蒸发。与传统抗盐蒸发器中盐晶体容易在蒸发器边缘积聚的情况相比，p-evaporator中的并联输水通道显著改变了蒸发器中的盐离子分布，并将盐结晶边界不断地推离蒸发表面。这一设计有效避免了盐沉积及后续清洁对材料可能造成的损坏。在84小时连续蒸发NaCl溶液的光热蒸发测试中，p-evaporator实现了较高且稳定的蒸发速率（3.09–3.26 kg m
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）。此外，p-evaporator还成功实现了NaCl溶液的ZLD光热蒸发，在高蒸发速率下完成盐结晶的分离与收集。由于这种并联双输水通道策略不需要复杂的材料设计和制造，却能够有效消除盐分积聚的问题，因此在通过界面光热蒸发进行实际盐水处理和盐分收集方面具有巨大的应用潜力。
Qianqian Xiong, Deyu
Wang, Bo Shao, Huimin Yu, Xuan Wu*, Yi Lu, Xiaofei Yang, Haolan Xu*
“Unlocking Zero Liquid Discharge: A Parallel Water Supply Strategy to
Realize Selective Salt Crystallization for Long-Term Interfacial Solar
Evaporation”,Advanced Function Materials
2024
, 2409257
https://doi.org/10.1002/adfm.202409257
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