LANGMUIR | 太阳界面蒸发过程中光热层盐晶体形态与分布的演化

研究背景

海水淡化正在转变为一种更可持续、更环保的方式以解决世界上淡水短缺的问题。利用在多孔光热框架上局部加热的太阳界面蒸发(SIE)已被证明对海水淡化和废水去污非常有效。在SIE中，光热层，如碳基或金属基材料的光热层，被放置在远高于海水自由表面的地方，以避免热量从传导到大块水中损失。光热转换产生的热量集中在蒸发表面，提高了能量效率和蒸发速率。目前面临的挑战是如何避免盐结晶对长期高蒸发速率的负面影响。然而，有效的热管理和供水策略依赖于对SIE盐结晶背后原理的基本理解。在海水蒸发过程中，水分的流失使蒸发表面的局部盐浓度增加。当盐浓度超过其在水中的饱和浓度时，盐结晶并积聚在蒸发表面，从而阻碍了光的吸收和水的输送，降低了蒸发效率。本研究结合光学图像、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱和扫描电镜图像，检测了光热蒸发表面盐结晶和水输运的时间演变，并了解到致密盐结晶从一开始就发生在光热层的边缘，而多孔盐结晶则起源于靠近中心的位置，并在随后的过程中逐渐远离表面。此外，本研究还从实验和理论两方面研究了盐覆盖对水分蒸发速率的影响，所提供的认识可为拒盐界面太阳能蒸发器的设计提供指导，并提供利用松散盐晶体增强太阳能蒸发的新策略。

相关成果以“Evolution of Morphology and Distribution of Salt Crystals on a Photothermal Layer during Solar Interfacial Evaporation”为题发表在国际知名期刊《LANGMUIR》上。

研究结论

在海水SIE过程中，光热层上盐晶体的形态和分布发生了变化。盐的结晶从光热蒸发面的边缘开始，这是由于蒸发速率更快。随着盐晶体在层上的积累，蒸发速率随着光热材料原始表面的减少而近似线性降低。有趣的是，红外光谱显示整个表面都存在界面水，即使在被盐晶体覆盖的地方也是如此。水从最初松散堆积的盐晶体的孔隙中蒸发，可以不断地塑造并将松散的晶体转变成致密的结构。本研究提供的SIE中盐结晶过程的整体视图可能会启发有效设计持久和高性能的太阳能界面蒸发器，用于使用清洁和可持续的技术进行海水淡化或废水处理。

研究数据

图1. (a)带有光热层的油灯结构示意图。(b−d) (b)拉曼光谱和(c)温度示意图，(d)蒸发表面的俯视图测量。(e−g)蒸发表面的傅里叶变换红外(FTIR)光谱示意图和(f)重量和(g)扫描电子显微镜(SEM)测量图

图2.(a−c) C(NaCl)值为(a) 5 wt %， (b) 10 wt %， (c) 20 wt %的含盐水蒸发过程中的蒸发面俯视图。(d)水和咸水按ṁ/ Alayer区域质量损失率的时间演变

图3.(a)含盐晶体的光热层图像。蓝色曲线勾勒出整个蒸发表面，红色曲线划定了表面上盐结晶和非结晶区域的边界。(b)盐浓度C(NaCl) = 5、10和20 wt %时盐水的盐晶覆盖比Asalt/Alayer的时间演化。(c)水的质量损失率随Asalt/Alayer的变化

图4.(a−d)蒸发面(a)边缘、(b)中间区域、(c)顶部中心、(d)底部中心检测位置示意图。(e−h)蒸发表面(e)边缘、(f)中间区域、(g)中心顶部、(h)中心底部盐晶体的SEM图像及相应放大图像。(i−1)选定水平线在指示位置的剖面图。NaCl初始浓度为20 wt %， LED光照射蒸发表面5 h

图5.(a)初始NaCl浓度为5wt %时，蒸发表面的NaCl晶体俯视图。(b, c)蒸发表面(b)中心和(c)边缘的拉曼光谱。(d,e)蒸发面中心(d)和边缘(e) d波段强度的时间演变。(f) t = 5 h时蒸发面中心和边缘的D波段强度与C(NaCl)的函数关系

图6.(a)初始NaNO3浓度为20% wt %时，蒸发表面的NaNO3晶体俯视图。(b, c)分别为t = 0.5和5h时光热层上的拉曼图。2895 cm−1处的波段表示热层上的晶体屏蔽，1382 cm−1处的波段表示晶体形成。虚线是用来引导眼睛的

图7.(a)初始NaCl浓度为5wt %时，蒸发表面的NaCl晶体俯视图。(b, c)蒸发表面(b)中心和(c)边缘的FTIR光谱。(d)盐浓度C(NaCl)为5%、10%和20% wt %时蒸发表面中心和边缘- OH吸光度的时间演变。(e)t = 25h时蒸发面中心和边缘OH吸光度随C(NaCl)的变化。(f, g) (f)湿蒸发面和(g)完全被盐晶体覆盖的蒸发层的温度图

图8.蒸发表面盐结晶示意图。(a)水通过水路输送到蒸发面。(b)在蒸发面边缘形成致密的盐晶体。(c)致密的盐晶体阻碍光的吸收和水的蒸发。(d)蒸发面中央顶部的多孔盐结晶

https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.3c02126

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