一种能使海水蒸发快于淡水的界面太阳能蒸发器

研究背景

淡水是一种重要的战略资源。然而，淡水资源的匮乏正威胁着人类的生存和发展。今天，18 - 29亿人每年至少有4个月遭受严重的淡水短缺，未来这种情况可能会变得更糟。据预测，到2050年，全球淡水需求将进一步增长19%，因此全球75%的人口将面临清洁水短缺。由于地球拥有丰富的海水储备，海水淡化是缓解迫在眉睫的淡水短缺的最有效策略。

膜过滤、热蒸馏、反渗透等技术已成功应用于海水淡化，但都需要大规模消耗大量能源，因此产生了大量的碳足迹。相比之下，太阳能蒸发，特别是最近发展起来的界面太阳能蒸发，由于其使用可持续太阳能、绿色蒸发过程和优异的水蒸发性能等优点，已经显示出巨大的潜力，成为一种有前途的替代海水淡化技术。提高蒸发速率是推动界面太阳能蒸发在海水淡化中的实际应用的重要因素之一。目前，通过制备高性能光热材料、合理设计蒸发器、降低蒸发焓、优化界面太阳能蒸发过程中的热能管理等策略，界面太阳能蒸发的能量效率和蒸发速率得到了显著提高。对于真实海水的实际太阳能蒸发，天然海水中的含盐量带来了实际问题，如蒸发表面的盐垢，阻碍了光的吸收和水的输送，从而降低了蒸发性能。为了解决这一关键问题，已经制定并证明了若干有效的解决问题的办法。

例如，创造足够的离子传输通道，以提高离子扩散能力，以减轻盐的沉淀。另外，通过结合Janus亲疏水结构来隔离水运输和蒸发区域，也可以获得耐盐性能。还设计了选择性区域盐结晶和自旋转蒸发器，以实现长期稳定的海水蒸发。

然而，虽然盐结垢可以通过这些方法解决，但海水中的盐离子对太阳能蒸发速率有另一个负面影响。盐离子与水分子之间固有的强水合作用导致蒸发焓增大，阻碍水分子从海水表面逸出到空气中，使蒸发速率低于纯水蒸发。这一现象是众所周知的，也经常被报道。通常情况下，海水/咸水的蒸发速率比纯水低~ 8.0%，这在之前报道的大多数界面太阳蒸发和热蒸馏过程中观察到，以纯水蒸发量为基准，若能使最初较慢的海水蒸发量比纯水蒸发量快，将大大提高海水的绝对蒸发量和纯水产量。实现这一进步将是解决淡水短缺问题的重要一步。考虑到每年巨大的海水淡化市场和基于蒸发的海水淡化厂生产的清洁水（每年≈67亿立方米），即使海水淡化性能的微小下降也可能导致数千万吨清洁水的损失。因此，制定提高海水蒸发速率以达到或超过纯水蒸发速率的策略具有重要意义。这将直接导致全世界数百万人获得更多的清洁水

主要数据

图1所示：a) HNT中的Al3+与海水中的Mg2+自发离子交换使Mg2+在蒸发表面富集，使海水蒸发速度比纯水快。b) Al3+ -Mg2 +离子交换过程前（左）和后（右）不同结构的快照（O,H, Al, Si,Mg分别为红色，白色，粉色，黄色，青色）。一个选定离子交换位点的Al─O和Mg─O键距随时间的演化。

图2：HNT -光热水凝胶的蒸发性能。a) HNT -阳离子相互作用（O、H、Al、Si、Mg、Ca、Na、K分别为红色、白色、紫色、黄色、青色、粉色、橙色和绿色）的结构模型。b)相应的DFT计算Mg2+、Ca2+、Na+、K+与HNT之间的吸收能。c) DFT计算了一个Al被另一个离子（Mg2+, Ca2+， Na+或K+）取代的HNT的四个金属-氧键解离能。d)原始、经水处理和经海水处理的HNT的离子浓度。e)扫描电镜图像，附图：水凝胶的照片。f)同一太阳作用下界面太阳蒸发过程中水和不同浓度海水的质量损失。g)同一太阳下水和不同浓度海水的蒸发速率。h) HNT -光热水凝胶中IW和FW的拉曼光谱分别为海水和纯水的拟合峰。i)HNT -光热水凝胶在纯水和海水中的蒸发焓降低示意图。

图3:海水比纯水蒸发快的机理。a)四种不同模型盐溶液的MD模拟。b)水的不同阳离子和O原子之间的RDF。c)不同溶液中所有水分子之间的相互作用能。d) Na+, K+, Ca2+， Mg2+的第一和第二溶剂化层中水分子的平均HB数。e)四种溶液的1H NMR谱。f)拉曼光谱显示MgCl2溶液的IW和FW的拟合峰。g)四种盐溶液的IW与FW的比值。

图4:a)原始HNT表面的水分损失量快照，b)分别在0,50,100和200 ps时离子修饰的HNT表面的海水损失量快照。

图5:海水蒸发速度快于纯水的策略的普遍性。a) BN, b) ZL, c) mn光热气凝胶的SEM横截面图。原始、水处理和海水处理后的离子浓度d) BN, e) ZL, f) MN。g) BN, h) ZL, i) mn -光热水凝胶的水和海水蒸发速率。

研究结论

研究者们通过在光热水凝胶中添加廉价且普遍存在的粘土矿物，开发了一种新的有效策略，使海水蒸发速度快于纯水蒸发。由于海水中的Mg2+和Ca2+离子可以通过自发离子交换在光热界面积聚，直接干扰了水分子的HB，导致蒸发焓降低，从而使海水的蒸发速度比纯水快得多，从而导致海水蒸发增强。此外，这种增强海水蒸发的机制似乎普遍适用于一系列具有相似离子吸附和交换能力的矿物质（如HNT、BN、ZL和MN）。

此外，该策略已在各种材料系统和蒸发器中得到验证。在本研究中，不添加离子交换粘土的光热水凝胶中，海水的蒸发速度比纯水的蒸发速度慢9.8%。而加入HNT（即HNT -光热水凝胶）后，海水蒸发量比纯水蒸发量快18.8%。通过添加所需的低成本Mg2+吸收矿物，这种对光热水凝胶制造的简单修正有可能显著改善现有蒸发海水淡化技术的实际清洁水生产，使全球数百万目前遭受水不安全的人受益。

https://doi.org/10.1002/adma.202414045

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！