厦门大学侯旭教授《自然·通讯》：新型不对称锥形多级太阳能蒸馏器实现超高水产量突破

全球淡水危机正日益严峻，气候变化、人口增长和工业化导致淡水资源持续枯竭。太阳能膜蒸馏作为一种可持续的解决方案，利用丰富的太阳能生产淡水，备受关注。然而，现有系统面临蒸发与冷凝能力不匹配的核心挑战：蒸汽无法及时凝结或冷凝能力未被充分利用，严重限制了实际水产量，成为技术推广的瓶颈。

近日，厦门大学侯旭教授提出了一种不对称锥形多级太阳能蒸馏器，通过优化蒸发与冷凝之间的传质平衡，实现了超高水产量。该系统引入可调传质间隙，系统优化冷凝与蒸发面积比，使蒸发与冷凝过程达到最大化耦合的超高生产平衡状态。在1 kW·m⁻²光照下，优化后的八级被动太阳能蒸馏器处理3.1 wt%天然海水时，水产量达4.32 L·m⁻²·h⁻¹，总效率为81%，性能位居文献报道前列，并在户外测试中展现出34.2 L·d⁻¹的稳定产水能力。相关论文以“Asymmetric tapered multistage solar still with optimized mass transfer equilibrium for ultrahigh water production”为题，发表在

Nature Communications

图1展示了对称与不对称多级太阳能膜蒸馏系统的结构及其平衡状态差异。对称系统中冷凝面积与蒸发面积相等，而不对称系统采用锥形设计，冷凝面积显著大于蒸发面积，比例约为1.1至1.7倍。通过增大传质间隙，不对称系统有效提升了冷凝能力，促使实际蒸发能力接近理论最大值，实现“超高生产平衡”。相比之下，对称系统因冷凝面积固定，难以突破“低生产平衡”的限制，导致蒸发潜力未能充分发挥。

图1：不对称锥形多级太阳能膜蒸馏系统的结构与平衡状态 a. 对称多级太阳能膜蒸馏系统与不对称多级太阳能膜蒸馏系统的结构。对称系统中冷凝面积等于蒸发面积，而不对称系统具有冷凝面积大于蒸发面积的不对称结构。在相同级数与投影面积下，不对称系统水产量更高。 b. 相同传质间隙下两种系统的平衡状态比较。增大传质间隙可提升不对称系统的最大冷凝能力，使其实际蒸发能力增强，达到超高生产平衡；对称系统的冷凝能力提升有限，仍处于低生产平衡。 c. 不同传质间隙下不对称与对称系统的水产量趋势图（基于实验与文献数据的概念图）。

图2进一步揭示了单级不对称结构的配置与关键参数优化过程。该结构由透光对流阻挡层、高吸收率光热层、亲水蒸发层和疏水冷凝壁组成。研究发现，60°锥角在单位光照面积下具有最优的有效蒸发与冷凝面积比，水产量最高。传质间隙的优化尤为关键：当间隙为8毫米时，系统达到蒸发与冷凝能力的理想匹配点，水产量峰值出现。模拟分析表明，间隙过小会限制蒸汽扩散，间隙过大则延长平衡时间，均导致产水效率下降。

图2：单级结构的配置与参数优化 a. 单级结构的组成与材料示意图。 b. 不同锥角下单级结构的产水性能。 c. 不同传质间隙下的蒸汽与水产量，插图为系统达到超高生产平衡的点。 d. 传质间隙增大提升水产量的机制图，展示蒸发能力与冷凝能力的变化关系。 e. 传质间隙为8毫米时，单级结构在不同时间段的蒸汽-水转换效率。 f. 不同传质间隙下蒸汽与冷凝表面的温差。 g. 不同传质间隙下的蒸汽-水转换效率。 h-j. 通过模拟软件展示不同传质间隙下腔室内蒸汽浓度分布的演变过程。

图3呈现了优化后的八级不对称蒸馏器的整体性能。设备采用逐级递减的传质间隙设计，以适应后级蒸发能力下降的趋势，确保各腔室在一小时内达到平衡。热传递分析显示，随着级数增加，可用能量逐级递减，但优化后每级蒸汽-水转换效率均超过70%，前五级更达80%以上，总效率为81%。该设备在处理海水时表现出卓越的水产量，优于多数已报道的多级系统，体现了传质平衡优化策略的有效性与通用性。

图3：不对称锥形八级太阳能蒸馏器的配置与性能 a. 实验用八级设备实物图，开口直径5厘米。 b. 八级设备的热传递过程示意图。 c. 每级的蒸汽-水转换效率与传质间隙设置。 d. 每级的蒸汽与水产量分布。 e. 设备的总蒸汽与水产量。 f. 与已有文献中多级系统水产量的对比。 g. 优化后八级设备各阶段的温度分布。 h. 十级结构中各阶段的蒸发温度，显示后级温度接近环境温度。

图4评估了设备在不同太阳高度角下的实际运行表现。通过光线追踪模拟发现，锥形结构能通过内部反射增强光吸收，即使在低角度光照下仍保持较高能量通量。实验证实，当太阳高度角从90°降至30°时，设备产水量虽有所下降，但仍能维持2.41 L·m⁻²·h⁻¹的稳定输出，显示出良好的环境适应性与结构鲁棒性。

图4：不同太阳高度角下八级设备的性能 a. 不同太阳高度角下的实验测试设置图。 b. 各阶段在不同光照角度下的温度分布。 c. 测试光路示意图。 d. 不同太阳高度角下的蒸汽与水产量。 e-g. 90°、60°与30°太阳高度角下的光线追踪模拟结果，显示能量通量分布。

图5聚焦于户外实践中的蒸发与抗盐性能。设备在全日光条件下实现日均产水34.2升，并通过设置水位差在夜间自动溶解并排出盐结晶，有效避免结垢。长达21天的连续测试中，设备水产量稳定在4.13–4.33 L·m⁻²·h⁻¹，离子去除率达99.9%，符合饮用水标准，展现出优异的耐久性与实际应用潜力。

图5：八级设备的蒸发与抗盐性能 a. 户外实验设置与产水情况。 b. 通过水位差实现夜间盐溶解的过程。 c. 设备中水与盐分的传输路径示意图。 d. 处理前后水样中离子浓度的对比。 e. 不同时间段收集的盐水电导率变化。 f. 21天连续测试中设备水产量的稳定性。

综上所述，本研究通过结构创新与传质平衡优化，成功开发出高性能不对称锥形多级太阳能蒸馏器，为实现高效、稳定的太阳能淡水生产提供了新路径。该设计原则不仅为未来被动式多级系统的开发树立了标杆，也为太阳能蒸馏结构与材料创新、智能控制及分布式供水系统的整合奠定了理论基础，有望推动全球水资源可持续利用的进程。