AFM | 文献前沿 | 解锁零液排：长期界面太阳能蒸发选择性盐结晶的并行供水策略

通讯单位：南澳大学

Q. Xiong, D. Wang, B. Shao, H. Yu, X. Wu, Y. Lu, X. Yang, H. Xu, Unlocking Zero Liquid Discharge: A Parallel Water Supply Strategy to Realize Selective Salt Crystallization for Long-Term Interfacial Solar Evaporation. Adv. Funct. Mater. 2025, 2409257.

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界面太阳能蒸发提供了一种绿色和可持续的解决方案，通过太阳能驱动的海水淡化来解 决清洁水短缺问题。然而，盐在太阳能蒸发器上的结晶和积累已成为界面太阳能蒸发技术长期实际应用的主要障碍。为了应对这一挑战，本研究开发了一种具有新型平行双水路策略的光热蒸发器。与传统的单向水路不同，传统的单向水道通常会导致蒸发表面上的供水端积聚盐分，从而限制蒸发器的寿命并损害 太阳能蒸发性能，在这里，通过第二条平行的供水路径，太阳能蒸发器内的离子扩散和分布被重新配置和优化。蒸发表面或水路上都不会发生盐积聚，消除了盐结晶对蒸发性能的影响，便于收集盐。在84小时的NaCl溶液（3.5 wt.%）连续蒸发过程中，记录到3.09-3.26 kg m−2 h−1的高稳定蒸发率，蒸发器上没有盐积聚，这使其成为零液体排放太阳能蒸发的理想策略。

背景介绍

界面太阳能蒸发（ISE）已被广泛认为是一种有前景、绿色且经济高效的海水淡化和废水净化方法。ISE期间的特定物理条件，如温度梯度和定向离子迁移，也可以通过结合其他功能组件（如热电模块）来发电。此外，将ISE与分离技术相结合可以实现选择性资源回收和提取。在过去的十年中，大量的研究工作致力于通过优化蒸发系统的能量关系和解决实际场景中遇到的关键问题来提高太阳能蒸发性能，从而推动ISE的实际应用。为了提高太阳能蒸发率，常用的策略包括提高光热材料的光吸收能力，增加实际蒸发表面积，最大限度地减少能量损失，在太阳能蒸发过程中从周围介质（环境空气和大量水）中收集额外的能量，回收潜热和降低蒸发焓。

在2D和3D蒸发器在提高蒸发性能方面的巨大发展的同时，更快的蒸发速率可能会导致盐在蒸发表面上结晶和积聚，这对长期的实际应用来说仍然是一个挑战。形成的盐晶体严重阻碍了光的吸收，堵塞了水的输送通道，从而减缓了蒸汽的产生，缩短了光热材料的寿命。为了应对这一挑战，已经开发出具有增强防污措施的蒸发器。尽管一些蒸发器已经实现了选择性盐积聚的零液体排放（ZLD）蒸发，但当前设计的一个共同问题在于，与正常蒸发器相比，它们的蒸发性能相对较低。一般来说，在单一的水输送路径下，盐沉淀往往优先发生在蒸发器的远端，随后通过反复的物理刮擦收集盐不可避免地会损坏蒸发器，从而影响其长期连续运行。此外，由于蒸发器的一部分被盐晶体覆盖，蒸发速率略有下降。在这项工作中，开发了一种具有精心设计的平行双向输水路径的球形光热蒸发器。

图文解析

图1.传统蒸发器的示意图，a）具有单个水路（I），b）新设计的蒸发器具有两个并联的水路（I、II），以及相应的盐积聚位置。

图2. a） 球形光热蒸发器制备的照片说明。b） 显示使用rGO、SA和竹纤维纸巾制造光热片的工艺的方案。c，d）原始竹组织和e，f）rGO SA涂层竹组织的SEM图像。g） 原始竹组织和rGO SA涂层竹组织的光吸收光谱。h、 i）竹纸和rGO SA涂层竹纸表面的水滴吸收。j） 显示水运过程的红外图像。

图3. a） s蒸发器和太阳能蒸发试验装置的照片。b） 一个太阳下太阳能蒸发过程中s-蒸发器的红外图像。c） s蒸发器上24小时太阳能蒸发过程中水的质量变化。d） s蒸发器的蒸发速率和整个24小时蒸发测试的环境温度和湿度。e） 显示太阳蒸发过程中盐形成和沉积过程的照片。

图4. a） 照片显示了带有4个额外水带的p-蒸发器作为水路II。b） 在一个太阳下，p蒸发器在太阳能蒸发过程中的红外图像。c） p蒸发器的蒸发率和太阳能蒸发试验期间的环境温度和湿度。d） 在84小时的太阳蒸发试验中，每12小时的质量变化。e） 在84小时的太阳能蒸发试验中，每12小时计算一次蒸发率。f） 显示海水84小时太阳蒸发过程中盐沉积位置的照片。

图5. 分别对（a）p-蒸发器和（b）s-蒸发器的a）正向和b）反向盐结晶机理的示意图。

图6. 模拟盐水太阳能蒸发过程中a）s-蒸发器和b）p-蒸发器上的盐离子浓度分布。

总结与展望

该文设计了一种新型的具有平行双向水路的太阳能蒸发器，以实现恒定高蒸发率的盐水耐盐和ZLD太阳能蒸发。与盐晶体积聚在蒸发器边缘的传统耐盐蒸发器相比，p蒸发器中的平行双向水路径显著改变了蒸发器上的盐离子分布，使盐结晶边界远离水路径和蒸发表面。这避免了盐沉积和随后的清洁对材料造成的任何可能的损坏。在连续84小时的太阳能蒸发测试中，p蒸发器表现出了高而稳定的性能，NaCl溶液的蒸发率为3.09–3.26 kg·m⁻2·h⁻¹，海水的蒸发率则为2.41–2.53 kg·m⁻2·h⁻¹。此外，它还实现了NaCl溶液的ZLD太阳能蒸发，蒸发速率适中。由于这种平行双水路策略不需要复杂的材料设计和制造，但可以有效地消除盐积聚问题，因此通过界面太阳能蒸发在实际盐水处理和盐收获方面具有巨大的潜力。

文献信息

Q. Xiong, D. Wang, B. Shao, H. Yu, X. Wu, Y. Lu, X. Yang, H. Xu, Unlocking Zero Liquid Discharge: A Parallel Water Supply Strategy to Realize Selective Salt Crystallization for Long-Term Interfacial Solar Evaporation. Adv. Funct. Mater. 2025, 2409257.

https://doi.org/10.1002/adfm.202409257

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