SPT | 定制的阴离子太阳能蒸发器具有增强的Donnan效应，可实现高效的耐盐海水淡化和水净化

研究背景

随着全球工业化进程不断加快，水资源的消耗量迅速增加，导致严重的全球淡水短缺问题。在此背景下，太阳能驱动的界面水蒸发（SDIWE）技术作为一种极具创新性的方法逐渐受到瞩目，它可以利用可再生和经济的太阳能进行离网海水淡化，以增加清洁水的供应。更重要的是，太阳能资源丰富，碳足迹几乎可以忽略不计，特别适合缺乏电力或基础设施薄弱的偏远地区。此外，该技术具有实现零液体排放（ZLD）目标的能力。

为了加快SDIWE技术的推进和实施，人们一直关注功能材料的设计以提高光热转换效率、增强抗盐性、优化热管理、降低蒸发焓，从而提高水的蒸发速率。在过去的几年里，大量的抗盐设计被广泛应用于SDIWE脱盐的研究中。事实上，尽管这些方法在降低盐离子浓度方面是有效的，但盐在蒸发器内的积聚和堵塞仍然存在。因此，开发一种新型高效的耐盐蒸发器减轻其中盐离子的结晶是提高蒸发性能的关键因素。值得注意的是，基于Donnan效应我们可以利用其单电荷特性来阻碍盐离子的流动，这种现象有助于排斥盐水中的阴离子或阳离子，从而有助于减弱盐结晶的趋势。因此依靠Donnan效应的这一策略来提高蒸发器的耐盐性，对于确保SDIWE的长期持续稳定性具有重要意义。

研究内容

本研究提出了一种通过在木材中原位填充PVA/PAA水凝胶来增强Donnan效应的阴离子太阳能蒸发器。首先研究者以巴杉木为原料进行加工，去除木质素以提高木材的渗透性。随后将聚乙烯醇（PVA）和聚丙烯酸（PAA）水凝胶网络原位聚合到木材的孔隙中。由此制备的阴离子太阳能蒸发器表现出优异的宽带光谱吸收、光热转换和水活化能力。此外，基于-COO-基团阴离子水凝胶的负电荷特性，它可以增强Donnan效应以限制Cl−向蒸发器的扩散，确保有效净化盐水的持久耐盐性和稳定性

相关成果以“Tailoring anionic solar evaporator with an enhanced Donnan effect for a highly effective salt resistance desalination and water purification”为题发表在《Separation and Purification Technology》上（中科院一区，IF=8.2）

研究结论

实验证明，在1 kW m−2的太阳辐射下，该阴离子太阳能蒸发器在15 wt% NaCl溶液的脱盐过程中具有2.439 kg m−2 h−1的显著水蒸发速率，在长时间的蒸发过程中没有观察到明显的盐分积聚，可以从多个污染水源中生产清洁水。考虑到阴离子太阳能蒸发器的高效、可再生、经济高效和耐用特性，以及其在含盐废水中的稳定蒸发性能和相对较低的碳足迹的潜力，阴离子太阳能蒸发器将有望成为可持续离网脱盐和简化ZLD的有效解决方案。

研究数据

图1。（a） 受自然树木蒸腾作用启发的蒸发器示意图。（b） 阴离子太阳能蒸发器原理图。（c） PVA、PAA和水相互作用机理图。

图2。（a） 阴离子太阳能蒸发器的结构图。（b） 阴离子太阳能蒸发器放在茯苓叶子上的数码照片。（c） 天然木材太阳能蒸发器和阴离子太阳能蒸发器的傅里叶变换红外光谱图。（d） 阴离子太阳能蒸发器分层结构的SEM图像。（e） 纤维素与PVA/PAA水凝胶之间的结构联系图。（f） 天然木材太阳能蒸发器和阴离子太阳能蒸发器的导热系数（干态和湿态）。

图3。（a） 阴离子太阳能蒸发器和天然木材太阳能蒸发器的太阳吸收光谱图。（b） 在1次太阳辐照下，阴离子太阳能蒸发器和天然木材太阳能蒸发器的表面和底部温度随时间变化图。（c） 不同时间下阴离子太阳能蒸发器表面温度随太阳辐射强度变化图。（d） 不同时间下阴离子太阳能蒸发器含水量随太阳辐射强度变化图。（e） 具有不同太阳辐射强度的阴离子太阳能蒸发器的能效变化图。（f） 阴离子太阳能蒸发器在1次太阳辐照下10个循环的蒸发速率。（g） 1次太阳辐照下各种天然生物基耐盐蒸发器蒸发速率的比较分析图。（h） 散装水、天然木材太阳能蒸发器和阴离子太阳能蒸发器的DSC曲线。

图4。（a） 不同盐度下阴离子太阳能蒸发器的蒸发速率和能效变化图。（b）在1次太阳辐照下， 阴离子太阳能蒸发器在3.5 wt%和15 wt%NaCl溶液中稳定脱盐8小时的蒸发速率。（c） 不同光强下阴离子太阳能蒸发器在15wt%NaCl溶液中的脱盐性能。（d） 阴离子太阳能蒸发器和天然木材太阳能蒸发器在10个循环中的光热界面温度。（e） 阴离子太阳能蒸发器和天然木材太阳能蒸发器在10个循环中的能源效率比较。（f） 脱盐前后实际海水样本中Na+、Mg2+、K+、Ca2+离子浓度比较。（g） 从6:00到19:00，太阳在天空中的位置示意图。（h） 在室外测量中，阴离子太阳能蒸发器在9小时内的太阳强度、温度和水蒸发速率变化图。

图5。基于阴离子太阳能蒸发器Donnan效应的抗盐机理示意图。

图6。（a） 大豆油乳液和油盐水净化前后废水样品的TOC变化。（b） 阴离子太阳能蒸发器的耐油机理图。（c） 净化前后溶液中重金属离子的浓度比较。（d） 阴离子太阳能蒸发器净化重金属离子废水的吸收机理图。（e） 从厨房、洗衣房和浴室收集的废水样品在净化前后的TOC变化。（f） 从厨房、洗衣房和浴室收集的废水样品在净化前后的TDS变化及其蒸发速率测试。（g） MO、Rh B和MB水溶液在阴离子太阳能蒸发器净化前后的紫外-可见光谱图。

https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.128325