IJHMT|基于原位磁共振表征的多孔介质太阳能驱动界面蒸发与盐析研究

研究背景

全球水资源短缺和能源危机是21世纪人类面临的重大挑战之一。在此背景下，利用丰富的太阳能进行界面蒸发，从而生产淡水，被视为一种极具潜力的可持续技术。这一过程不仅是太阳能海水淡化的核心，也与盐碱农业土壤的改良、以及工业废水中的资源回收等关乎“水-能源-农业”纽带的可持续发展领域密切相关。

近年来，研究界开发了多种基于三维多孔材料（如天然沙子、木材、水凝胶和合成聚合物）的高效太阳能蒸发器。这些材料能够通过毛细作用将水体输送到蒸发界面，并利用其固有的或修饰后的光热特性将太阳能转化为热能，实现局部的、高效的蒸汽生成。然而，当这一技术处理含盐水体（尤其是高盐度卤水）时，一个不可避免的挑战出现了：盐分在蒸发过程中的结晶与沉淀。随着水分的蒸发，溶解的盐分逐渐过饱和，并在多孔介质的内部或表面析出。然而，绝大多数用于工程应用的多孔介质是不透明且结构复杂的，这使得我们无法像观察玻璃皿中的蒸发那样，直接窥视其内部的动态物理化学过程。

现有的研究手段存在明显局限。例如，X射线计算机断层扫描虽然能提供高分辨率的孔隙结构图像，但通常只能在实验前后进行静态对比，或者在扫描时需要中断蒸发过程，无法实现真正的原位、实时监测。而直接的光学成像技术，其应用范围通常局限于二维模型或微流控芯片，难以真实反映复杂三维多孔介质中的情况。

为了突破这一瓶颈，本研究引入了原位核磁共振与成像技术。NMR-MRI是一种强大的非侵入式表征工具，它不对样品造成破坏，能够“透视”不透明的介质，实时、定量地监测内部水分的分布、运移状态（通过横向弛豫时间T₂）以及相变过程。本研究正是在这一技术背景下，旨在通过搭建NMR与太阳能模拟器的联用系统，首次在模拟真实昼夜循环的条件下，深入揭示不透明多孔介质中太阳能驱动界面蒸发与盐沉淀的 intertwined（相互交织的）物理机制，为下一代高效、稳定的水净化与农业技术提供理论基础。

相关成果以“Solar-driven interfacial evaporation and salt precipitation from porous media with in-situ magnetic resonance characterization”为题发表在国际知名期刊《International Journal of Heat and Mass Transfer》上。

研究结论

本研究通过原位核磁共振技术，清晰揭示了多孔介质中太阳能界面蒸发与盐沉淀的耦合物理机制。研究结果表明，盐的沉淀形态关键取决于多孔结构：在细颗粒介质中形成硬壳状盐，它会堵塞孔隙并严重阻碍蒸发，导致大量水分滞留；而在粗颗粒介质中则形成斑块状盐，其自身形成的大孔径结构不仅不阻碍毛细输运，反而为液体输送提供了新通道。一个重要的发现是，在分层多孔介质中，硬壳状盐会在粗细颗粒的界面处形成，从而切断水分从下层向上层的输送路径。此外，盐的类型也显著影响蒸发行为，例如吸湿性的氯化钙会因吸收热量而大幅降低蒸发速率。

通过分析昼夜热循环引起的核磁信号波动，本研究还成功量化了受限盐水的活化能。总而言之，这项工作为理性设计抗盐垢、高性能的太阳能蒸发系统，以应用于可持续海水淡化和农业改良，提供了至关重要的科学依据。

研究数据

图1.(a)通过多孔介质蒸发盐水实现水-能源-农业协同应用；(b)核磁共振-磁共振成像系统与太阳能模拟器的耦合示意图；(c)低场核磁共振分析仪（Niumag，型号MesoMR23-060H-I）实物图；(d)无太阳光照射时的核磁共振探头光学图像；(e)红外成像；(f)均质多孔介质的典型横向弛豫时间（T2）分布。

图2.紧密多孔介质中(a)去离子水和(b)盐水蒸发的T2分布，颗粒尺寸为1–50μm；(c)蒸发过程中弛豫时间T2，max（及补充信息图S1中的T2，peak）的演变。黑色虚线为连续暗周期（即熄灯）的等值线，红色虚线为连续日周期（即亮灯）的等值线。(d)液体饱和度随蒸发时间的变化。图(d)插图显示样品蒸发表面形成的非多孔盐壳。(e)MRI切片位置与平面的三维示意图。(f)盐水（含12 wt.%氯化钠）从多孔样品（1–50μm）蒸发过程中不同时间点的MRI图像。

图3.(a)粗孔介质（粒径320-430μm）中去离子水和盐水（氯化钠/水）蒸发的饱和曲线及(b)T2，max。图(b)中的插图光学图像显示蒸发表面存在斑块状盐析。(c)基于覆盖整个样品的x-y平面单次磁共振成像（MRI）图像。(f)俯视光学和红外图像显示样品自由表面的沉淀盐。亮黄色区域代表二氧化硅颗粒，深红色区域与盐晶体相关。红外（IR）图像的参考发射率为0.97。I/Imax是归一化的红外读数，即表面任意点的红外读数(I)除以最大红外读数（Imax）。(d)孔介质长度方向（即x-z平面）的切片位置及对应的MRI图像。切片0位于样品蒸发表面正上方。MRI图像的切片宽度和间隙分别为4 mm和8 mm。(f)氯化钙/水盐水从孔介质（320-430μm）蒸发的对应饱和曲线及T2，max随时间变化。

图4.(a)层状多孔介质致密层与粗孔层的示意图，对应(b)t=0小时的MRI图像。(c)T2分布曲线显示致密层与粗孔层呈现两个明显峰，(d)饱和度与(e)T2，max随蒸发时间的变化趋势。(f)致密层（1–50μm）和(g)粗孔层（320–430μm）蒸发表面盐沉淀的扫描电镜图像。图(g)中红色虚线圆圈标示了盐沉淀物内部的孔隙结构。

图5.(a)月球高地风化层模拟物中盐水的T2分布，T2范围为0至200毫秒，对应的(b)盐水饱和度和T2最大值的变化。插图光学图像分别显示了t=0小时和t=120小时的样品顶面。(c)基于居里定律和阿伦尼乌斯定律对T2分布进行曲线拟合，以提取受限盐水（氯化钠/水）的活化能。(d)示意图说明温度升高（ΔT>0）和活化能（ΔE）对T2分布偏移的影响。

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.127979

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