CEJ||带有径向通道的3D圆柱形太阳能蒸发器用于连续产生蒸汽和向顶部边缘定向盐沉积

研究背景

太阳能界面蒸发（SDIE）是一种低成本、环保且高效的海水淡化新技术，其核心是太阳能蒸发器，它应该具有高光吸收率、适当的水传输速率和低热损失等优点。随着光热材料的光吸收性能接近极限，研究人员已将重点从蒸发器的 2D 结构转移到 3D 结构，以提高蒸发性能，这包括探索圆柱形、蘑菇形和圆锥形等 3D结构。然而，具有 3D 结构的蒸发器表现出高蒸发性能，导致盐析出速率增加，这对耐盐性提出了更高的要求。因此，克服蒸发器表面的盐分积累仍然是一项巨大的挑战，尤其是对于 3D 圆柱形蒸发器。因为其蒸发面积指数 （EAI） 较高，EAI 定义为可用于蒸发的总面积与预计地面面积的比率。为了确保蒸发界面处有足够的水供应，通常在 3D 圆柱形蒸发器中实现自下而上的输水结构，导致蒸发器上表面形成极端盐浓度极化和盐析出

此外，蒸汽压差，即相对湿度 （RH），是太阳能界面水蒸发研究中影响蒸发性能的重要但经常被忽视的因素，尤其是对于 3D 蒸发器。从动力学的角度来看，水蒸发的本质是水分子的相变过程，由蒸发表面与环境之间的蒸气压差驱动。蒸发器的蒸发速率在不同的相对湿度下是不同的，导致蒸发器内有不同的盐沉积行为。不幸的是，研究人员的地理位置和季节性条件的差异导致没有标准化的相对湿度来研究蒸发器中的蒸发性能和耐盐性。这种可变性使得很难比较不同蒸发器的性能。因此，研究不同相对湿度对蒸发器蒸发性能及其耐盐性的影响也至关重要，这有利于太阳能界面蒸发技术走向实际应用和相应的针对性设计。

中国科学院理化技术研究所严开祺、张敬杰等开发了一种新型的 3D 蒸发器，它集成了气流成纸棒和壳聚糖/CNT （CSC） 气凝胶，具有独特的水传输通道，旨在促进盐溶液的径向传输和向顶部边缘的定向沉积。通过实验和热力学计算证明，增加蒸发器的高度可以有效提高蒸发性能。此外，系统研究了相对湿度对 3D 界面蒸发器蒸发性能的影响。在此基础上，进一步研究了包括材料性质、溶液性质和工作环境对盐沉积行为的影响，可以指导研究人员根据具体条件进行合理设计，实现边缘导向的盐沉积。相关成果以标题“3D cylindrical solar evaporator with radial channels for continuous steam generation and top edge-directional salt deposition”发表在期刊《Chemical Engineering Journal》上。（IF=13.4）

文章第一单位是中国科学院理化技术研究所，第一作者为博士生刘强，通讯作者是严开祺研究员、张敬杰研究员。

图文导读

图 1 . （a） R-CSC 复合气凝胶的制备工艺;（b） 显示 R-CSC 气凝胶俯视图的数字图像;（C-E）SEM 图像显示 R-CSC 气凝胶三个不同区域的通道宽度;（f） 数字图像显示 R-CSC 气凝胶高度为 1-4 cm 的侧视图;（g-h）显示 R-CSC 气凝胶侧面的 SEM 图像;（i） R-CSC 气凝胶的纵截面。

图 2 . （a） R-CSC 气凝胶、CS 气凝胶和 CNT 的 FTIR 光谱;（b） 湿 R-CSC 水凝胶顶部和侧面的光吸收光谱，波数范围为 200 至 2500 nm;（c） R-CSC 气凝胶的水接触角;（d） R-CSC 气凝胶不同取向之间的透水率比较。

图 3 . （a） R-CSC 蒸发器的制备过程;（b） 太阳蒸发过程中 3 cm 蒸发器系统的能量平衡图;（c） 在一种阳光强度下，水和 0-4 cm 蒸发器的质量变化随时间的变化;（d） 水和 0-4 cm 蒸发器的明暗蒸发速率;（e） 太阳蒸发 1 小时后 SES 和 CES 的平均温度;（f） 纯水和 0-4 cm 蒸发器的净蒸发速率和相应的太阳能蒸发效率;（g） 太阳能蒸发过程中 0-4 cm 蒸发器的能量计算和相应的太阳能利用效率。

图 4 . （a） 不同相对湿度下 3 cm 蒸发器的明暗蒸发速率;（b） 不同相对湿度下 3 cm 蒸发器的净蒸发速率和相应的太阳蒸发效率;（c） 太阳蒸发 1 h 后 SES 和 CES 的平均温度以及 CES 的初始温度;（d） 3 cm 蒸发器在不同相对湿度下的能量计算和相应的太阳能利用效率;（e） 不同相对湿度下 3 cm 高度 R-CSC 蒸发器的三维温度分布数值模拟结果。

图 5 . （a） D-CSC 和 R-CSC 蒸发器连续运行 48 小时的数码照片;（b） D-CSC 和 R-CSC 蒸发器连续运行 48 小时的蒸发速率。插图：D-CSC 和 R-CSC 蒸发器的示意图;（c） D-CSC 蒸发器连续运行 48 h 时 NaCl 溶液质量浓度 D-CSC 蒸发器顶部边缘、底部边缘和散装水的变化;（d） R-CSC 蒸发器连续运行 48 h 时，NaCl 溶液的质量浓度变化 R-CSC 蒸发器的顶部边缘、底部边缘和散装水;上述实验均在 5 wt% NaCl 溶液中，在 40 % 相对湿度和一种阳光强度下进行。（e） 太阳能海水淡化过程中 D-CSC 和 R-CSC 蒸发器传质示意图;（f） D-CSC 蒸发器长时间运行盐浓度分布的数值模拟结果;（g） R-CSC 蒸发器长时间运行盐浓度分布的数值模拟结果。箭头表示传质方向。

图 6 . （a） 在 40% 相对湿度下，R-CSC 蒸发器在不同盐度 NaCl 溶液中长时间照明的数码照片;（b） 蒸发器在 40% 相对湿度下在不同盐度的 NaCl 溶液中运行时，蒸发器底部边缘、蒸发器顶部边缘的 NaCl 溶液和散装水的质量浓度变化;（c） 在 40% 相对湿度下，R-CSC 蒸发器在不同盐度 NaCl 溶液中的蒸发速率;（d） R-CSC 蒸发器在 65% 和 80% 相对湿度下在 8 wt% NaCl 溶液中长时间照明的数码照片;（e） R-CSC 蒸发器在 65% 和 80% 相对湿度下在 8 wt% NaCl 溶液中的蒸发速率;（f） 太阳能驱动蒸发器中盐溶解-沉淀平衡的主导机制。它们相互交织，并受材料特性、溶液特性和工作环境的影响。

结论

综上所述，通过将气流成纸棒和 CSC 气凝胶集成在一起，开发了一种新型的 3D 圆柱形太阳能界面蒸发器。径向冷冻制备的CSC气凝胶具有径向排列的通道结构，有利于盐溶液在蒸发器内部的径向传输，使盐分可以定向沉积在蒸发器的顶部边缘。此外，实验和热力学计算表明，增加蒸发器的侧面高度可以提高蒸发器的太阳能蒸发效率。并且蒸发器的蒸发性能受环境相对湿度的显著影响。在此基础上，进一步研究了影响蒸发器盐沉积行为的因素，包括材料性质、固溶性质和工作环境。这项工作为利用太阳能界面蒸发技术同时生产清洁水和盐提供了新的处方，促进了太阳能界面蒸发的研究进一步走向实际应用。

DOI: 10.1016/j.cej.2025.163411

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