Commun. Mater. | 文献前沿 | 零液体排脱盐的光热界面蒸发系统

【研究背景】

全世界每天约有数百万吨垃圾倒进河流、湖泊和小溪，每升废水会污染8 L淡水，所有流经亚洲城市的河流均被污染。水短缺对经济增长和生态系统健康构成重大威胁，是当今最严峻的全球性挑战之一。废水中可能存在油，重金属离子和高浓度盐等，当使用传统技术进行处理废水时，会大大损耗设备的使用寿命，增加处理成本。因此采取一种新的废水处理策略，将这些废水进行有效的综合利用已成为解决水资源紧缺困境的关键战略，不仅有助于解决工业废水带来的环境污染问题，同时还可以缓解水资源短缺的危机。

零液排放作为一种废水处理策略，在对废水进行综合利用上具有广泛的发展前景，零液排放是将水与溶质进行完全分离的一种策略，能确保废水中的化合物不会排放到环境当中并实现盐资源的回收和淡水资源的循环利用。近年来，太阳能界面水蒸发受到了广泛的关注，该技术通过将太阳光转化为热来驱动水蒸发，而溶质留在容器内部，是利用太阳能生产纯净水的一种绿色节能、持续有效的方法，同时在处理废水保护环境方面显示出巨大潜力。随着技术的不断发展，太阳能界面光热水蒸发器所承受盐浓度和蒸发时稳定性能逐渐提高。有些蒸发器的设计甚至可以实现水和溶质的完全分离，达到零液体排放的效果。到目前为止，太阳能界面光热水蒸发在零液排放中取得了一定的进展，但缺乏对该技术在零液排放方面研究的最新总结。

目前，该文以“Interfacial solar evaporation for zero liquid discharge desalination”为题在《communications materials》（JCR: Q1, IF2023=7.5）上发表。文章通讯作者为山西大同大学张进教授和南昌大学王振兴副教授。

【文章解读】

该文对太阳能界面光热水蒸发技术在零液排放上的应用进行了系统的总结与展望。依据蒸发器设计的不同将该技术分为高效的盐移除策略和功能分离策略两大类，并且对这两类的蒸发器设计进行了详细的分类，阐述与分析。

图1. 太阳能界面光热水蒸发在零液排放中的技术。

图2. a–c盐结晶的自旋转蒸发器、旋转过程中的蒸发器以及完成自清洁后的蒸发器的照片。d原始PS球体。e光热球的侧视图的IR图像。f光热球的制造过程。g光热球顶部的盐积累。h光热球的旋转。i无盐蒸发器。j以水车为灵感的蒸发器。k盐析蒸发器。l除盐蒸发器的基本工作流程。m–p循环自翻转过程的示意图。

图3. a–c截锥蒸发器的制造。d蒸发器脊上的周期性脊。e太阳能热辐射蒸发器。f蒸发器的蒸汽和水流量。g重力辅助下的盐收割。

图4. a. 用于高盐盐水脱盐的新型光热润滑剂注入表面的示意图。b. PLIS−1和橡胶表面上盐水液滴蒸发形成的盐晶体的侧视图SEM图像。c. PLIS表面和d橡胶表面上的盐结晶机制。

图5. 由PMMA-PAN纳米纤维组成的Janus吸收剂的示意图。b Janus吸收器和CB/PAN膜的长期稳定性。c以荷叶为灵感的分层结构蒸发器示意图。d太阳能脱盐蒸发率的演变。e传统太阳能蒸发器示意图和悬挂式蒸发器示意图。f盐结晶。g PDMS疏水性的自恢复机制。h蒸发器的材料和施工方法。i基于Janus的定向盐转移结构的机制。

图6. a非接触式太阳能蒸发结构的示意图。b传统的太阳能蒸发结构发电机和非接触式太阳能蒸发结构。c用合成海水（溶解在水中的3.5wt%NaCl）进行蒸发实验后的发射器照片和用合成海水进行蒸发实验之后的水池照片。

图7. a. 三维杯形结构太阳能蒸发器的设计概念方案。b. 太阳能蒸发器在不同时间的图像。c. 太阳能结晶装置示意图。d. 使用24wt%NaCl盐水操作24小时后的太阳能结晶器的照片。e. 蒸发速率。f 3D太阳能结晶器的示意图。g. 两个输水层结晶器在不同太阳能盐水蒸发时间节点的照片。h. 太阳能蒸发器的仿生设计示意图。i. 盐水沿束和 j. 晶体聚集体的传输和蒸发示意图。

图8. a. 有和没有溶质替代的太阳能蒸发的工作原理。b. 带溶质置换的热局部多级太阳能蒸馏。

（1）盐移除策略：随着蒸发过程的不断进行，光热材料上的盐溶液浓度增大直至盐晶体析出，最终会在光热材料表面集聚大量的盐晶体。光热材料表面的盐积累导致能量传输效率降低、水蒸发量减少和蒸发性能不稳定等问题，若能及时将浓盐水从光热材料中除去，可显著减少光热材料表面盐的堆积，从而使蒸发器的蒸发速率保持稳定。

（2）功能分离策略：防治高盐度卤水到达蒸发器表面形成盐垢，可以有效地避免结垢对蒸发器性能的影响。一个新的设计思路是将结盐部分与光热材料的蒸发表面进行功能分离，分离之后可以避免盐在光热材料上的积累，达到了零液排放的效果。

随后，阐明了太阳能界面光热水蒸发技术在实现零液排放方面面临的挑战，冷凝水的收集利用，复杂水体的处理，蒸发器的可扩展设计，户外环境对蒸发器蒸发稳定性能的影响以及蒸发器各项性能的评判标准设定等多方面都需要进一步的思考。

【文章总结】

太阳能界面光热水蒸发零液体排放是一个有吸引力和前景的领域。虽然取得了许多进展，但仍然存在重大问题和挑战。随着越来越多的研究人员对这一领域的深入研究，这些障碍将被一一消除，该技术在实现零液体排放方面的大规模实施将成为可能。太阳能界面光热水蒸发零液体排放技术将进一步推动高盐废水零排放技术的大规模实施，为解决全球水资源短缺危机提供新的经济可行的解决方案。

【文献来源】

Yao, J., Zhong, Q., Zhang, J. et al. Interfacial solar evaporation for zero liquid discharge desalination. Commun Mater 5, 103 (2024).

https://doi.org/10.1038/s43246-024-00544-x

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