EES | 文献回溯 | 可规模化的超耐盐微结构单元光热蒸发系统

【研究背景】

海水淡化和盐水处理长期以来一直受到设备维护复杂和能源成本高的困扰。结构简单、零污染的太阳能海水淡化技术是解决能源和淡水危机的关键。然而，水蒸发后的盐残留物严重威胁着太阳能热系统的持续使用。在这项研究中，我们使用廉价分支的简单组装制造了一种超耐盐蒸发器。耐盐蒸发器不仅在海水淡化过程中保持半年以上的稳定性，而且在过饱和盐水中实现了创纪录的长期稳定运行。更重要的是，耐盐蒸发器不仅易于制造，而且其成本比传统的太阳能蒸馏器低两个数量级。

基于此，该文通过微结构单元组装过程中不完美嵌合产生的间隙，为盐疏泻提供了途径，并解决了盐积累的问题。基于微结构单元的简单组装，提出了一种制造大规模耐盐（SR）系统的方便解决方案。并以“Ultra salt-resistant solar desalination system via large-scale easy assembly of microstructural units”为题在《Energy & Environmental Science》（JCR: Q1, Top, IF2022=32.5）上发表。通讯作者为东华大学朱美芳院士和徐桂银教授。

【文章解读】

1. 材料制备：

具有PTM的普通SDID系统主要由密集的孔隙结构组成，这些孔隙结构容易积聚盐（图1a），导致循环时间短，限制了其实际应用。为了赋予蒸发器耐盐性，我们使用廉价且易于获得的树枝制备了PTM。自下而上的策略是一种由小到大制备材料的通用方法。由于自由拼接过程中单个材料的遮挡不完美，每个树枝之间都会产生间隙。这些间隙为盐分排泄提供了一条路径（图1b）。通过树枝的直接拼接，可以方便快捷地获得基于SR结构的PTM（图1c）。枝条的木质部可以用作光热蒸发的毛细管域。结构组件产生的间隙可以用作盐排泄的通道。

图1. SR蒸发器结构示意图。

2. 蒸发和耐盐能力：

基于排盐功能，SR蒸发器的蒸发率为1.35 kg m−2 h−1，在3.5 wt% NaCl模拟海水中具有长期（>180天）稳定的蒸汽生成性能（图2b）。相比之下，普通蒸发器依靠在大量海水中的溶解，特别是在夜间，来去除盐残留物。SR-3 mm蒸发器在20 wt%浓盐水中，在1次太阳照射下的蒸发率继续上升，1小时后达到1.31 kg m−2 h−1（图2c），达到91.5%的效率。相反，在辐照1小时后，普通蒸发器中的蒸发速率降低，效率仅为43.2%。普通蒸发器系统中大量海水的电导率增加了3.2 mS cm−1。相比之下，在SR-3 mm蒸发器系统中，它增加了14.3 mS cm−1，是普通蒸发器的347%。电导率差异是由于SR-3 mm蒸发器系统中的快速水蒸发速率和盐传输造成的，因为普通蒸发器系统中PTM中和PTM上的盐积累从溶液中去除了盐。我们进行了盐消化测试，以直观地揭示SR结构在排盐中的优势。PTM的表面覆盖着50 g的盐晶体（图2e–f）。超过90%的盐晶体在SR-3毫米蒸发器中在5分钟内快速溶解和消化，而普通蒸发器仅溶解20%的盐晶体，表明SR结构具有非凡的排盐性能。

图2. 蒸发以及耐盐性能表征

3. 系统的户外测试：

为探索SR-3mm蒸发器的工作极限，研究其在1.0 sun下在25 wt%盐水中的光热蒸发性能。SR-3mm蒸发器在长达8小时的辐照后保持了良好的蒸汽生成。平均蒸发速率和效率分别达到1.21 kg m−2 h−1和84.4%（图3a，b）。对于相同的蒸发器面积，更精细的微结构单元可以产生丰富的侧面积，为盐离子转移到间隙提供足够的界面。当SR蒸发器的微观结构单元延伸到6mm时，与SR-3 mm蒸发器相比，盐离子的扩散界面减少了50%，这使得难以满足盐离子的高通量转移，导致不可避免的局部盐积累。此外，SR-1 mm蒸发器在过饱和盐溶液中操作时，在更严酷的5.0 sun下，表面保持清洁约3小时。

SR系统对盐离子的排泄主要分为两个过程：第一个是PTM（微观结构单元）内部的扩散，第二个是间隙中的扩散。由于间隙具有极高的水力传导性，系统的盐排放能力主要取决于PTM内部的盐离子向间隙的第一步扩散。对于SR系统，间隙的面积比是恒定的（细节如图S11，ESI†），并且耐盐性的调节需要通过调节微观结构单元的半径（r1）来操作。r1与微观结构单元的多孔基质性质和液体盐度之间的耦合关系可以通过以下方程表示：

其中DNaCl是NaCl盐离子在水中的扩散系数（m2s−1）；meva是稳态蒸发速率（kg m−2 h−1）；cin是最初进入蒸发器的盐水质量分数（wt%），ceva是蒸发表面上的盐的局部质量分数；h是微观结构单元的高度；ρeva是水在扩散域中的平均分密度，其受多孔基质性质的调节（kg m−3）。因此，可以通过降低盐水盐度来保持蒸发器表面的清洁。参数r1由微观结构单元内部的多孔基质的性质和外部液体环境协同调节。SR蒸发器可以定制以适应盐水盐度的差异。

鉴于SR蒸发器易于制备和可扩展性的优点，制造了一个大规模的SDID系统（图3f）。假设SDID系统的服务期为2年，淡水的生产成本为~$1 m−3。且SDID系统可能比便携式反渗透装置（∼$15 m−3）更便宜。进一步的电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）表征显示，收集的淡水中的大量盐离子被去除（图3g），四种主要离子（K+、Ca2+、Na+、Mg2+）的浓度低于世界卫生组织（世界卫生组织）饮用水标准，表明大型SDID系统处理后的淡水可饮用。

图3. SR结构蒸发器的太阳能蒸发户外测试性能评估。

【文章总结】

该文使用微观结构单元组装产生的间隙来产生排盐路径。这种排盐途径充分利用平流-扩散效应，以高通量输送盐离子。盐梯度的重排进一步增强了盐离子的平流传输效应。基于微观结构单元的简单方便组装，可以直接组装碳化树枝，构建优化的SR蒸发系统。集成SDID系统具有超耐盐性，在长期（>180天）光热脱盐过程中保持优异的蒸发稳定性。

SR系统在高达25 wt%的NaCl溶液中的蒸发率达1.21 kg m−2h−1，在1次太阳照射下，能量效率达～84.4%。更重要的是，基于SR-1 mm蒸发器的亲水性PTM可以在过饱和盐水中长期（>2000分钟）运行，而不会积聚盐分。这表明耐盐能力是由结构产生的，不依赖于原材料，使耐盐设计具有极大的通用性。

该文通过模拟＋实验的手段来验证超耐盐蒸发器的性能，并通过制备集成SDID系统，为开发低成本、高耐盐和大规模的太阳能海水淡化系统带来新的思路。但是实际海水盐度较实验设计中盐度小的多，一味追求高盐度的排放或许也可以为高浓废水处理带来新的契机，其次，该蒸发器受毛细力限制，当高度提高时，耐盐性能显著下降，因此增加毛细力从而提高水传质性能是既能降低盐沉积性能又可以促进提高蒸发性能的方法。

【文献来源】

C. Dang, H. Wang, Y. Cao, et al., Ultra salt-resistant solar desalination system via large-scale easy assembly of microstructural units, Energy Environ. Sci., 2022,15, 5405-5414.

DOI：https://doi.org/10.1039/D2EE03341K

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