天津工业大学范杰教授团队AFM：可规模化生产的织物基太阳能蒸汽发生器

太阳能界面蒸发技术是利用太阳能加热蒸发器的含水界面，在气液界面产生蒸汽并进行水分收集实现污水处理和海水淡化的水资源再生技术。随着碳中和战略的提出和人类对绿色水资源再生技术需求的发展，可持续的界面式太阳能海水淡化将成为未来利用太阳能解决全球水资源短缺的最清洁方法之一。因此，低成本、高收益、防积盐、可规模化加工的高效太阳能蒸发器是今后太阳能海水淡化领域的研究重点。

值得注意的是，柔性织物是一种具有纤维间微观毛细通道和纱线间宏观毛细通道的多孔纤维材料，这种纺织材料独特的多尺度结构为太阳能蒸发器工作界面的精准水分调控及盐分传输提供便利。因此，织物基太阳能蒸发器为规模化太阳能海水淡化生产提供了可行的途径。如何通过纱线和织物结构设计开发出一体化、自漂浮、低成本的织物基太阳能蒸发器是海水淡化研究亟待解决的关键问题。

为此，天津工业大学范杰教授联合天津工业大学王润研究员和美国阿肯色大学寿万教授提出一种可规模化生产的，集坚固、一体化、防积盐、自漂浮特征于一体的织物基太阳能蒸发器。采用低成本原料，通过纺纱制造技术调节构成纱线的单纤维细度、纱线捻度、织物的纱线密度，以及间隔织入织物中的泡沫尺寸，实现水分蒸发量和毛细管驱动供水之间的平衡，优化光热界面表面含水量分布，提高蒸发效率；借助纱线间大毛细水通道的脱盐作用有效避免蒸发界面长时间工作产生积盐；间隔织入织物中的泡沫结构不但为织物提供浮力且具有隔热和有效降低能量损耗的作用，巧妙地将纤维材料和泡沫借助纺纱织造工艺相结合，构建了低成本规模化的自漂浮太阳能水蒸发界面。

图1 织物基太阳能蒸发器制备工艺与脱盐机理

该项研究结果表明在1个太阳光照射下，织物基太阳能蒸发器在限域的微观毛细作用下的水分蒸发速率高达1.408 kg m-2 h-1，光热转化效率为92.43%。同时，由于温度梯度差引起的马兰戈尼效应（Marangoni effect），蒸发界面中纱线之间的宏观毛细水充当高盐度水的排水通道，在10wt% NaCl中连续蒸发8 h，无需任何清洗，具有优良的防积盐性能。另外，织物基太阳能蒸发器在整个成本效益方面是迄今为止已知最低高的光热材料。这项工作为设计基于织物的太阳能蒸发器在高浓度海水中长期高效的太阳能界面蒸发和用于大规模海水淡化提供了新思路。

图2 不同结构织物基太阳能蒸发器的脱盐性能

该项研究以“Scalable Fabric-Based Solar Steam Generator”为题发表在国际著名期刊《Advanced Functional Materials》（IF：19.0，中科院TOP期刊）上。天津工业大学博士研究生李亚萍为本文的第一作者，天津工业大学范杰教授和王润研究员、美国阿肯色大寿万教授为本文的通讯作者。

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！