论文DOI：10.1038/s41467-022-34528-7
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光热海水淡化技术在实际应用中面临的一项重要挑战是盐分在蒸发表面的积累所导致的蒸发器失效。目前常用的可以实现盐分快速回流的方法虽然可以有效减少盐分在蒸发表面的积累，但会导致大量的热能损失，降低了产水效率。如何在防止盐分积累的同时保持高的产水效率仍是一个亟待解决的问题。在本研究中，作者设计了一种具有开放式构架的三维蒸发器。这种蒸发器特有的垂直排列的传质桥结构不仅可以用于盐水的回流，避免了蒸发表面的盐分积累，而且可以有效利用盐水回流过程中耗散的传导热，显著提高产水效率。该蒸发器可以在自然阳光下的真实环境中连续稳定工作，实现超过40%的太阳能集水效率。当使用海水淡化厂排放的废水或红海海水为水源，蒸发器的日产水量可达5 L/m2，足以满足个人的饮用水需求。这种三维蒸发器具有出色的抗盐性能，高效的产水性能和易扩展等特性，为偏远或离网的缺水地区提供了可靠且高效的清洁水供给途径。
背景介绍
光热水蒸发作为一种可持续的盐碱水淡化技术，具有高效、低成本、零碳排放等特点，尤其适用于偏远或离网的缺水地区。近些年，该技术的太阳能至蒸汽转换效率已接近100%，通过利用环境热量，蒸发速率甚至可以超过光热水蒸发的理论极限。然而，在处理实际盐水时，由于盐分积累问题，高的蒸发效率难以保持稳定，因而严重限制了这些高性能蒸发器的实际应用。为解决这一问题，研究者提出了新型的抗盐策略，如疏水光热层设计、流体回流增强等。这些创新的策略虽然能显著增强了蒸发器的抗盐能力，但是盐分回流的同时，往往会带走大量的热量，导致抗盐蒸发器低的蒸发效率。因此，盐分回流和热损失之间的矛盾仍是推进光热水蒸发技术实际应用的重要挑战。
本文亮点
1．提出了一种新型的蒸发器结构，通过传质桥与开放式三维架构设计，在实现高效抗盐的同时抑制了传导热的损失。该蒸发器可在高浓度盐水（如：12-14 wt% NaCl溶液，RO系统排放废水）中稳定运行，在一个太阳的光照条件下，蒸发效率达1.64 kg/m2。
2．户外实验证实，放大后的蒸发器可在自然光下稳定运行，日产水量达5 L/m2，实际太阳能集水效率达>40%，每平方米蒸发器可满足至少两人的日常饮用水需求。
图文解析
图1 蒸发器设计与制备：图1a和1b分别为蒸发器结构及运行原理示意图。图1c和1d展示吸光层的光吸收效率以及微观结构。在湿润状态下，吸光层的吸光率可达~96%。图1e，1f和1g分别展示了玻璃纤维膜的微观结构、亲水性和水在材料中的毛细上升过程。玻璃纤维滤膜具有交错的纤维结构，可以通过毛细力吸收并向上传输水分，为蒸发过程供水，同时被水分填充的微观通道可作为盐分回流的途径。图1h和1i为蒸发器照片及组装过程。
图2 抗盐性能评价：图2a为具有不同传质桥数量的蒸发器照片。图2b和2c分别为不同桥数蒸发器在高浓度盐水（10 wt.% NaCl）中运行12h后的表面盐分积累情况及运行过程中的蒸发速率变化。如图所示，蒸发器抗盐性能随着桥数增加而增强，当桥数达到32时，长时间运行过程中，无盐分积累。同时，得益于盐分的有效回流，蒸发速率随桥数逐渐增强，当桥数达32时蒸发速率在长时间运行过程中保持稳定。图2d为盐分在运行过程中重新溶解的照片，说明盐回流速度大于盐产生速度，证实该蒸发器出色的抗盐性能。
图3 蒸发性能，热管理和稳定性评价：图3a和3b分别为不同高度的蒸发器照片及其蒸发速率。图3c为距离光热层不同距离处温度变化。当距离达到3cm时，其温度基本与环境温度保持不变，意味着热能主要限制于上部3cm的区域。图3d为红外热成像图。对比传统蒸发器（无传质桥结构），具有传质桥设计的蒸发器可以有效抑制传导热流失于水体中。图3e为封闭蒸发器的照片。运行3h后，封闭蒸发器内部出现很多冷凝水，说明传质桥可以利用传导热产生蒸汽，证实传质桥结构对传导热的回收利用。图3f为循环实验。连续七天运行过程中蒸发器性能没有出现衰减，展示了其出色的稳定性。
图4 户外性能评价：图4a和4b为放大系统在屋顶评价过程中的实时温度变化及产水量记录。光照条件下，光热层温度逐渐升高，而传质桥底部的温度基本与环境一致，说明传导热损失在实际应用中得到很好限制。以海水淡化厂废水为水源，390 cm2蒸发器运行一天可产生175 ml水，日产水量达5 L/m2。图4c为水质检测，收集得到的水完全符合WHO饮用水需求。图4d和4e分别为连续运行5天的产水量、实际太阳能集水及运行5天后蒸发器表面照片，其在实际应用中无盐分积累。图4f和4g为海上实验照片及漂浮结构示意图。图4h为5天海上实验过程中的产水量和效率。
总结与展望
本工作设计并制备了一种新型的抗盐蒸发器，其同时具有出色的抗盐性能和高效的蒸发性能。该设计的成功在于合理构建的传质桥结构，它不仅促进了盐分和水的传输，而且回收了传导热以增强蒸发性能。得益于开放式的构架，产生的水蒸气可以在三个维度上产生并释放，因此整体效率显著提升。该蒸发器可在自然阳光下稳定、连续地从盐碱水（包括但不限于海水、海水淡化厂废水）中获取淡水资源，每平米产水量可满足至少两位成人的饮用水需求，在缺水的偏远地区或离网地区具有很大应用前景。
作者介绍
杨凯杰，博士毕业于浙江大学，现为阿卜杜拉国王科技大学研究科学家。研究方向为光热水蒸发、空气水收集等，以第一作者身份在Nat. Comm.、Environ. Sci. Technol.等权威期刊发表论文十余篇。
潘婷婷，硕士毕业于浙江大学，现为阿卜杜拉国王科技大学博士研究生，研究方向为吸附分离、光热水蒸发。
甘巧强，阿卜杜拉国王科技大学材料科学系教授，Optica Fellow，获2019年度SUNY Chancellor’s Award for Excellence in Scholarship & Creative Activities。担任多个学术兼职，包括IEEE JSTQE主编，国际光电子领域顶级会议CLEO的2021年度Program Chair和2023年度General Chair。研究方向包括：新型纳米材料的构建及其在能源-环境可持续领域的应用。以第一作者/通讯作者身份在Nat. Sustain.、Nat. Comm.、 Sci. Adv.、 PNAS等权威期刊发表SCI论文>150篇，引用>7000余次。
韩宇，阿卜杜拉国王科技大学化学系教授，教育部长江学者（海外），研究方向包括：多孔材料的设计、构建，及其在催化、分离、能源转化与储存等领域的应用，超低剂量电子显微成像技术等。
课题组主页：https://nfm.kaust.edu.sa/
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