CEJ⎜太阳能驱动蒸发和盐结晶的孔性能和润湿性的协同效应

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研究背景

太阳能驱动的界面蒸发（SDIE）面临着光热材料上盐结晶的持续挑战，这损害了长期稳定性。在这里，商业聚氨酯（PU）海绵被用作模型基底，通过系统地调节孔径（100-300 µm）和表面润湿性来制造15种光热材料，从而能够全面研究它们对蒸发和盐沉积的耦合影响。与之前专注于单一参数的研究不同，这项工作将半浸没实验与有限元传质模拟相结合，揭示了孔径、润湿性和盐结晶高度之间的非线性耦合，提供了超越单因素调节的机理见解。实验结果表明，孔结构和润湿性都强烈控制蒸发性能。在相同的润湿性下，减小孔径增强毛细作用，从而改善水传输并加速蒸发。值得注意的是，超亲水性PU60@P3-Q海绵（平均孔径144 µm）实现了3.29 kg·m-2·h-1的最高蒸发速率，是PU50-Q（287 µm）的两倍。更重要的是，使用大面积聚氨酯海绵的室外试点试验在8小时内产生了7.5 kg m-2的淡水产量，并证明了良好的经济可行性（1.12-4.54 USD m-2）。本研究阐明了孔径和润湿性在蒸发结晶调控中的非线性耦合效应，既具有机理创新，又具有实际应用价值，为太阳能界面蒸发技术的发展提供了重要依据。相关工作以Synergistic Effects of Pore Performance and Wettability for Solar Driven Evaporation and Salt Crystallization为题发表在《Chemical Engineering Journal》期刊。（JCR一区, 中科院一区TOP, IF=13.2）

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研究内容

本文以聚氨酯（PU）海绵为模型基底，研究了孔隙性能和润湿性对太阳能驱动蒸发和盐结晶的协同作用。该研究探讨了调节孔径（100-300 μm）和表面润湿性（超亲水性和超疏水性）如何影响太阳能驱动界面蒸发系统中的蒸发速率和盐结晶。调控PU海绵的孔径与润湿性的原理如图1所示，使用不同的PVA浓度（1%、2%、3%）调节孔径，并分别通过PPy/PDMS改性实现超亲水/超疏水表面，产生15种不同的样品，包括5种孔径类型和3种润湿类型。采用SEM分析了PPy纳米粒子附着和PDMS涂层引起的PU海绵表面形貌变化。在PPy纳米颗粒沉积后，SEM图像显示颗粒牢固地附着在骨架表面，形成粗糙的纹理。原始聚氨酯海绵呈现出孔径约为140-300 μm的互连开放多孔结构。这种开放的孔隙结构有利于光热水分蒸发，并可通过毛细作用实现高效的水分传输，保证了蒸发界面的持续供水。改性后PU海绵的压汞测试及水接触角测试如图2所示，掺杂不同浓度PVA的三种PU海绵的孔径主要集中在100-300 μm范围内，呈现双峰或宽峰分布，表明材料中存在初级和次级孔隙的分级结构。吡咯和过硫酸铵氧化聚合生成的PPy赋予海绵超亲水特性，水滴可以在12 ms内完全渗透到海绵中。PDMS改性的海绵的接触角在150°-155°之间，表现出超疏水特性。PU海绵的室内蒸发测试如图3所示，超亲水性PU60@P3-Q海绵（平均孔径144 μm）实现了3.29 kg m-2 h-1的最高蒸发速率，是PU50-Q（287 μm）的两倍。超亲水改性的PU海绵的蒸发速率远远大于未改性和超疏水改性的PU海绵，且孔径越小，蒸发速率越高。PU海绵的半浸泡实验如图4所示，PU60@P1-Q的最高结晶高度为4.8 cm，显著高于PU60-Q的4.0 cm和PU50-Q的3.8 cm。值得注意的是，PU60@P3-S的结晶高度略高（2.3 cm），这是由于高PVA含量和局部毛细管力突破疏水屏障导致的小孔径。盐结晶高度差异的根源在于溶液渗透与蒸发速率的动态平衡。基于有限元模拟构建的传质模型如图5所示，结果表明孔径和润湿性在调节蒸发过程中盐迁移和结晶中的重要性。毛细作用和蒸发速率之间的动态平衡控制着盐在海绵上的分布。超亲水材料加速盐迁移到表面，而疏水材料减缓这一过程，导致较低的结晶高度。例如，超亲水性PU60@P1-Q显示出最高的结晶高度（4.8 cm），这与改善的溶液渗透和盐向蒸发界面的迁移有关。相反，超疏水基团，如PU60@P3-S，由于水渗透受限，具有最低的结晶高度（2.3 cm）。大型PU海绵的室外蒸发试验如图6所示，使用大面积PU海绵的室外中试试验在8小时内产生了7.5 kg m-2的淡水产量，并证明了良好的经济可行性（1.12-4.54 USD m-2）。

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研究数据

图1.（a）PU海绵调节孔径和润湿性示意图；（b-c）PPy改性的超亲水性PU海绵的SEM图像；（d-e）原始PU海绵的SEM图像，显示其具有光滑和互连的孔结构；（f-g）通过沉积PDMS改性的超疏水PU海绵的SEM图像。为清楚起见，图中标记了特征孔径（140-300 µm）。

图2.（a-f）PU60@P1、PU60@P2和PU60@P3压汞试验后的主要数据：（a）孔径分布密度函数；(b)累积侵入汞与孔径的关系；(c)中值孔径；(d)主干分形维数；(e)特征长度；(f)孔隙度和渗透率；(g)超亲水性改性海绵的高速相机照片；(h)原海绵水接触角；(i)超疏水改性海绵水接触角。

图3.（a）未改性组在1小时内的温度变化；（b）PU50系列在1小时内的温度变化；（c）未改性组的蒸发速率曲线；（d-f）分别为未改性组、超亲水改性组和超疏水改性组在纯水环境下的蒸发速率和光热转换效率；（g-i）PU50、PU60、PU60@P1系列在纯水环境中的蒸发速率和光热转换效率。

图4.（a）半浸泡试验装置示意图。（b）20天内PU60@P1-Q、PU60@P2-Q、PU60@P3-Q的盐结晶高度的变化。（c-e）未改性组、超亲水改性组和超疏水改性组中海绵的最终结晶高度的比较。

图5. 不同孔径和不同润湿性样品的传质模拟。

图6. (a-b)蒸发装置的数字照片和具体尺寸；(c)光热材料的照片；(d)蒸发开始时的水蒸气冷凝；(e-f)蒸发后海绵表面无盐结晶；(g)蒸发器面积与其他文献的比较；(h)5月18日室外蒸发期间的太阳强度、室外温度和湿度；(i)盐水脱盐前后Na+的浓度；(j)不同孔径海绵内部和外部蒸发速率的比较；(k)PU50和PU60@P1-Q的经济分析图；(l)目前报道的太阳能蒸发器的材料成本比较。

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研究结论

这项研究揭示了多孔光热材料在界面蒸发过程中，如何通过调控孔径梯度与表面润湿性来影响盐结晶行为。研究发现，孔径与润湿性的协同作用可重塑盐溶液迁移路径：当孔径缩小至临界阈值时，分级孔结构通过增强毛细效应和比表面积提高光热效率，但其渗透阻力与盐截留能力呈非线性关系。研究突破了传统单一抑盐策略的局限，提出“孔径-润湿性-传质动力学”三元调控框架，为多孔光热材料设计提供新思路，推动太阳能界面蒸发技术产业化。未来仍需关注长期循环中结晶应力对孔结构的机械损伤、复杂离子体系的竞争吸附效应，以及实际光照波动对蒸发稳定性的影响。

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https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.168459

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