南方科技大学徐保民教授AM：动态3D风车蒸发器问世：实现持续海水淡化、定点结晶收盐与发电一体化

随着全球工业和人口的增长，淡水资源短缺与可持续能源问题日益严峻。太阳能蒸汽发电因其能源效率高、成本较低，成为缓解水危机的重要技术之一，但蒸发器内部盐分结晶导致的效率下降和寿命缩短一直是该领域的核心挑战。同时，风能作为清洁可再生能源的重要组成部分，与太阳能的综合利用备受关注，但如何在同一系统中协同实现高效脱盐、盐分管理与发电，仍是亟待突破的难题。

近日，南方科技大学徐保民教授、林蒙副教授和南华大学王行柱教授团队提出了一种创新的动态3D风车蒸发器，成功实现了连续海水淡化、局部定点盐结晶与收获，并兼具风力发电功能。该系统通过调节风车叶片结构与供水点位置，控制盐溶液输运与回流路径，使盐分仅在叶片边缘顶端结晶，与蒸发面空间隔离，从而维持稳定的蒸汽生成与盐收集。在20%氯化钠溶液中连续运行420小时后，系统仍保持2.25 kg·m⁻²·h⁻¹的高蒸发速率和41.2 g·m⁻²·h⁻¹的收盐速率。此外，结合微型发电机，该风车蒸发器可将风能转化为电能，在户外测试中单系统峰值电压达12 V，蒸发速率达12.9 kg·m⁻²·h⁻¹。该研究最终构建了一套“海水淡化—风能发电—灌溉”一体化系统，为应对水—能源—粮食协同挑战提供了新思路。相关论文以“Enabling Dynamic 3D Windmill Evaporator for Continuous Water Desalination, Localized Point Salt Crystallization and Harvesting, and Power Generation”为题，发表在

Advanced Materials

研究团队首先制备了以棉纤维为基底、负载MXene/Ti₄O₇复合光热材料的3D风车结构蒸发器。通过扫描电镜观察，复合材料在纤维表面形成粗糙突起，显著提升了对太阳光的吸收能力。X射线光电子能谱分析证实了Ti–O–Ti键的形成，表明MXene与Ti₄O₇之间存在化学相互作用。在湿润状态下，该材料在280–2500 nm波长范围内的光吸收率高达98.82%，光热转换效率较未处理纤维提升140%。

图1 三维风车蒸发器结构与功能示意图，展示其用于持续海水淡化、局部盐结晶与收集以及风力发电的一体化设计。

蒸发器的热管理性能通过红外热成像得以验证：在模拟太阳照射下，蒸发器前沿温度显著高于水体，而叶片边缘温度甚至低于环境温度，说明系统能有效抑制向水体的热损失，并从环境中捕获热量。一维供水路径与双面蒸发结构进一步扩大了有效蒸发面积，提升了蒸汽扩散效率。在1个太阳光照下，蒸发速率达2.63 kg·m⁻²·h⁻¹，效率达96.4%。

图2 （a,b）MXene/Ti₄O₇的透射电镜与高分辨电镜图像，以及C、F、O、Ti元素分布图；（c）MXene、Ti₄O₇与MXene/Ti₄O₇的X射线衍射图谱；（d）M-PP-F与MT-PP-F的扫描电镜图像；（e）原始纤维、PP-F、T-PP-F与MT-PP-F的XPS全谱；（f）MT-PP-F中Ti 2p与O 1s的高分辨XPS谱；（g）干燥状态下MXene、Ti₄O₇与MXene/Ti₄O₇薄膜的反射光谱；（h）原始纤维、M-PP-F、T-PP-F与MT-PP-F的光吸收谱；（i）不同太阳光照下湿润三维风车MT-PP-F蒸发器正面温度随时间变化曲线。

图3 （a）三维风车MT-PP-F5蒸发器表面温度分布；（b）水、原始纤维、PP-F、M-PP-F与MT-PP-F5在一太阳光照下的质量变化；（c）三维风车蒸发器示意图，包括一维水输运、全维度蒸汽扩散与扩大蒸发面积；（d）不同叶片数量的40 mm直径MT-PP-F蒸发器蒸发速率比较；（e）三类主流抗盐蒸发器与MT-PP-F5蒸发器的性能对比；（f–h）在10% NaCl溶液中，盐结晶在MT-PP-F10蒸发器表面、MT-PP-F4及MT-PP-F7叶片固定点的形成图像。

针对高盐度水处理，风车蒸发器展现出独特的盐分管理能力。通过调节叶片数量与供水方式，盐结晶可被精确控制在叶片顶端特定位置，而非遍布蒸发面。在10%盐水中，多叶片蒸发器盐结晶分布于多处，而优化后的五叶片结构仅在一侧叶尖形成单点结晶。COMSOL模拟进一步揭示了盐分输送与回流路径受重力与浓度梯度的协同调控，与实验观测高度吻合。

图4 （a）3.5% NaCl溶液中盐结晶在MT-PP-F5叶片固定点（单点）的图像，结晶盐可被收集；（b）15% NaCl溶液中从叶片底点供水的MT-PP-F5蒸发器在两处叶尖结晶的图像；（c）从中心点供水的MT-PP-F5蒸发器表面盐结晶逐渐覆盖的图像；（d,e）COMSOL模拟的盐浓度分布与回流路径；（f–i）COMSOL模拟的不同供水方式下盐浓度分布、溶液输运路径与流速分布；（j）在20% NaCl溶液中连续脱盐420小时的性能曲线；（k）脱落的结晶盐收集图像；（l）三组MT-PP-F5蒸发器在间歇旋转与20%盐浓度下运行300小时后表面无盐结晶的图像。

研究团队还将微型电磁发电模块集成于风车转轴，实现风力驱动下的持续发电。在7.9 m/s风速下，系统可点亮灯泡；风速升至10 m/s时，开路电压达13.8 V，输出功率330 mW。多个模块串联后可进一步提升电压输出，展现出规模化应用的潜力。

图5 （a）海水淡化—风能发电—灌溉系统示意图；（b）南海水淡化前后四种主要离子浓度对比；（c）海水、自来水与净化海水灌溉下小麦与豌豆在第3、5、8、11天的生长图像；（d）小麦与豌豆随培养时间的株高变化；（e）不同风速下风力发电模块的开路电压及7.9 m/s风速下点亮灯泡的图像；（f）单风力发电设备在不同风速下的最大输出功率；（g）多设备串联后的开路电压；（h）风速启停循环下的开路电压曲线。

最终，团队构建了集脱盐、发电与灌溉于一体的演示系统。经蒸发凝结后的水质离子浓度降低3–4个数量级，符合饮用水标准。使用净化水灌溉的小麦与豌豆发芽生长良好，与自来水灌溉组相当，而直接用海水灌溉的种子则无法发芽。在深圳湾进行的户外实验中，单系统日均产水量达17.6 kg/m²，且蒸发器表面无盐堆积，展现出良好的实际应用性能。

图6 （a）系统长期运行稳定性测试；（b）深圳湾实际测试中单系统电压与蒸发速率；（c）全球主要沿海城市分布与太阳辐照度；（d）2024年3月25日各时段多洲沿海城市风速；（e）户外实验现场照片；（f）户外实验中太阳通量、蒸发器表面温度、环境温度与累计产水量随时间变化。

该研究不仅提供了一种高效、耐盐、可长期运行的太阳能蒸发解决方案，更通过结构创新实现了盐分定向结晶与自动脱落收集，突破了传统蒸发器盐垢堵塞的瓶颈。结合风力发电与农业灌溉，该系统为沿海缺水地区的水—能源—粮食协同供给提供了可持续的技术路径，有望推动太阳能海水淡化技术走向实际应用与规模化部署。