微单元便捷组装构建低成本、超抗盐太阳能蒸发系统

太阳能脱盐是一种零污染、低能耗、可离网的水净化技术。然而，水蒸发后的盐积聚严重威胁着太阳能热系统的持续使用。虽然复杂的加工方法和精巧的材料设计可以缓解盐积累的问题，但这些努力显著增加了蒸发系统的加工和制造成本。

基于这个挑战，东华大学朱美芳院士团队利用微结构单元组装过程中不完美嵌合产生的间隙，做为盐离子扩散的独特通路，利用盐梯度重排解决了盐积累问题。基于微结构单元的组装，提出了便捷制造大规模抗盐系统的解决方案。构建的抗盐热系统在高达20wt%和25wt%的卤水中分别实现了~91.5%和~84.42%的高能量效率，并且能够在3.5wt%和过饱和盐水中稳定工作180天和2000分钟以上，而无盐分积累。

抗盐蒸发系统的构建可以通过一步便捷组装光热材料来实现，这为太阳能海水淡化的大规模应用开发了一种有前景的方法。相关研究成果以“Ultra salt-resistant solar desalination system via large-scale easy-assembly of microstructural units ”为题发表在Energy & Environmental Science上，第一作者党晨阳，朱美芳院士和徐桂银为共同通讯作者。

图1：通过微观结构单元便捷的组装构建抗盐蒸发器的示意图。(a)传统蒸发系统示意图。(b)微结构单元组装的抗盐蒸发系统示意图。(c)快速组装碳化树枝简便制备抗盐蒸发器示意图。

传统的太阳能界面蒸发系统（SDID）主要由具有致密孔隙结构的光热材料组成，容易发生盐积聚（图1a），导致系统寿命短并限制其实际应用。为了使蒸发器具有耐盐性，作者使用廉价且易于获得的树枝来制备光热材料。自下而上的设计策略是由小到大制备材料的一种通用方法。

由于在自由拼接过程中单个材料的不完美嵌合，每个树枝之间都会产生间隙。这些间隙为盐分的排泄提供了特有的途径（图1b）。通过树枝的直接拼接，可以方便快速地获得基于抗盐结构的光热材料（图1c）。树枝的木质部可以用作光热蒸发的毛细区域。结构组装产生的间隙可以用作盐排泄通道（图1c）。

传统光热材料具有密集的毛细结构表现出低的溶质扩散速率（图2）。然而，具有抗盐结构的光热材料通过具有较低孔隙率和较高水力传到率的盐排泄域将溶质从毛细域汇聚。盐排泄域的构建使得盐水能够快速传输。

通常，光热蒸发导致光热材料表面的离子浓度升高，从而在光热材料的顶部和底部海水之间产生离子浓度梯度。这些离子梯度驱动盐水的向下扩散和平流传输，以实现盐分的运输。在普通蒸发器中（图3a），离子梯度产生的化学势驱动光热内部盐离子的向下扩散和平流运输。只有通过扩散到光热材料的外域中，才能避免盐离子在其内积聚。

在盐离子迁移过程中，平流使盐离子能够在水平空间中交换和转移，这延长了扩散路径并增加了排盐时间。因此，普通蒸发器的排盐效率主要取决于盐离子的向下扩散能力。对于抗盐蒸发器，光热材料中存在由微结构单元组装产生的间隙。

一方面，与光热材料的多孔基质相比，间隙具有更高的水力传导率。抗盐蒸发器间隙区域的水力传导率超过多孔基质区域孔径的83000倍。当盐离子从多孔基质域平流到间隙域时，超高的水力传导性可以快速转移盐离子（图3b）。另一方面，这些间隙产生了非平衡水分布，导致盐梯度的重新排列（图3b）。

重新排列的盐梯度在水平方向上产生了新的化学势，这增强了盐离子的平流传输。增强的平流效应允许盐离子快速到达间隙域。基于抗盐蒸发器优异的盐离子排泄能力（图4），蒸发器能够在过饱和NaCl溶液中稳定地产生蒸汽超过2000分钟，而表面上没有明显的盐积聚，并展现出优异的能量效率。

作者使用微结构单元组装产生的间隙来产生盐排泄的独特路径。这种排盐途径充分利用了平流扩散效应，以高通量输送盐离子。盐梯度的重排进一步增强了盐离子的平流传输效应。基于微结构单元的简单方便组装，碳化树枝可以直接组装以构建所需的抗盐蒸发系统。

集成的SDID系统具有超耐盐性，并通过长期（>180天）光热脱盐保持优异的蒸发稳定性。更重要的是，基于细化结构的抗盐蒸发器可以在过饱和盐水中长期运行（>2000分钟），而不会出现盐积聚。它证明了抗盐能力是由结构产生的，而不依赖于原材料，使抗盐设计具有极强的普适性。这项工作有望为开发低成本、高抗盐性和大规模的太阳能海水淡化系统铺平道路。

图2 |在多孔介质域中模拟的抗盐结构对浓盐水的扩散。（a） 盐排泄过程（扩散1min，下同）中普通结构的光热材料内盐的浓度分布。（b） 普通结构的光热材料内溶质的瞬时扩散通量（IDF）（数据取自光热材料与海平面的切线，下同）。（c） 盐排泄过程中抗盐结构（粗化模型）光热材料内盐的浓度分布。（d） 粗化抗盐结构的光热材料内溶质的IDF。（e） 盐排泄过程中抗盐结构（细化模型）光热材料内盐的浓度分布。（f） 精细抗盐结构的PTM内溶质的IDF。

图3：不同结构蒸发器的盐离子传输机制示意图。（a）普通蒸发器中的盐梯度分布以及盐梯度引起的盐离子的垂直扩散和平流扩散路径分布。（b）抗盐蒸发器间隙引起的盐梯度重排，以及重排盐梯度引起的盐离子垂直扩散路径的改变和平流扩散效应的增强。

图4：抗盐结构蒸发器的太阳能蒸发性能评估。（a）抗盐蒸发器和普通蒸发器在高达25wt%盐水中的蒸发速率。（b）抗盐蒸发器和普通蒸发器在高达25wt%盐水中的能量效率。（c）抗盐蒸发器和普通蒸发器在25wt%盐水中的表面照片。（d）SR-1mm蒸发器和普通蒸发器在过饱和盐水中的蒸发速率和效率。（e） SR蒸发器的效率和耐盐性与其他报道文献的比较。（f）大型抗盐结构海水淡化系统的部件及其在室外条件下的运行。（g）大型抗盐结构海水淡化系统产生的淡水与处理前的水质比较。

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