上海交大ITEWA团队EES：溶质置换策略实现太阳能蒸发应用拓展

第一作者：徐震原通讯作者：王如竹、徐震原
【图片摘要】
【成果简介】近日，上海交通大学 “能源-水-空气”交叉学科创新ITEWA团队在Energy & Environmental Science上发表了题目为“Solar evaporation with solute replacement towards real-world applications”的研究论文。该研究首先提出了耦合太阳能蒸发传热、毛细流动和盐分传输的理论模型，证明了溶液物性对太阳能蒸发速率的限制效应，指出高溶液粘度和低溶解度会分别在短周期和长周期运行中导致太阳能蒸发的失效。为了克服上述问题，该研究进一步提出了耦合太阳能蒸发与正渗透的溶质置换策略，实现了CaSO₄溶液的不结垢蒸发，并在处理粘度比水高225倍的NaAlg溶液时将蒸发性能提升了478%。凭借优异的稳定性、不结垢蒸发和灵活应用，溶质置换策略有望推动太阳能蒸发在更多的实际场景中实现应用。上海交通大学徐震原是本文的第一作者，上海交通大学王如竹教授、徐震原是本文的通讯作者。
【引  言】太阳能蒸发是实现分布式、可持续海水淡化或水处理的关键手段，特别是采用多孔蒸发器的界面局部加热型太阳能蒸发实现了蒸发效率和速率的显著提升。目前，很多研究使用纯NaCl水溶液进行测试，然而在实际脱盐或废水处理场景中，被蒸发的溶液与此不同，例如海水中会存在容易导致结垢的低溶解度成分，而废水中会存在有机分子而导致溶液粘度上升，这些都有可能导致现有太阳能蒸发设计的失效，但太阳能蒸发在应对不同溶液的失效机理与解决方法仍然鲜有研究，这限制了太阳能蒸发的广泛与实际应用。
【图文导读】传统与溶质置换型太阳能蒸发的工作原理与蒸发速率上限图1. a传统太阳能蒸发中固有的热质传递冲突：高效太阳能蒸发需要热损最小化、溶液毛细供给和稳定排盐，传热和传质路径相同导致了热损失最小化和传质增强之间存在冲突；b溶质置换型太阳能蒸发：在太阳能蒸发产生的渗透压驱动下，溶液中的溶质被置换，热损失与盐传输实现解耦，热损最小化和稳定排盐得到同时增强；c,d不同溶液粘度和溶解度下的太阳能蒸发速率上限：NaCl溶液的低粘度和高溶解度使其蒸发性能优异，高粘度NaAlg溶液和低溶解度CaSO₄溶液的蒸发性能上限较低，但可以通过溶质置换策略进行提升。
溶质置换型太阳能蒸发装置图2. a 装置设计；b-e 装置部件及性能；f 工质物性对比与选取：为同时满足太阳能蒸发和正渗透需求，工质需兼顾高溶解度、低粘度、高渗透压、高蒸汽压和溶质不挥发特性
高粘度NaAlg溶液的太阳能蒸发性能图3. a 蒸发过程的温度与质量变化；b,c 传统和溶质置换型太阳能蒸发的温度分布，传统太阳能蒸发中出现局部高温区域；d, e传统和溶质置换型太阳能蒸发的蒸发器照片，传统太阳能蒸器发出现明显的干涸现象，而溶质置换型太阳能蒸发器则保持润湿状态；f 传统和溶质置换型太阳能蒸发在处理不同浓度NaAlg溶液的蒸发速率；g溶质置换型太阳能蒸发的性能提升比例，在处理具有更高粘度的1 wt% NaAlg溶液时该提升比例达到478%。
低溶解度CaSO4溶液的太阳能蒸发性能图4. a,b 传统和溶质置换型太阳能蒸发在连续14天蒸发过程的蒸发器表面结垢对比，尽管CaSO₄的溶解度低导致积累速度慢，但传统太阳能蒸发器表面仍有较为明显的结垢现象；c 传统太阳能蒸发器结垢的SEM图像，CaSO₄呈现紧密的结晶形貌；d 溶质置换型太阳能蒸发中半透膜在蒸发前后的对比，半透膜表面未出现明显结垢；e-g 电加热蒸发性能对比；h 结垢前后蒸发器的太阳能吸收性能对比；i,j 太阳能蒸发速率对比，溶质置换型太阳能蒸发可以实现高性能不结垢蒸发，比非接触式抗结垢蒸发设计有明显提升。
溶质置换型多级太阳能蒸馏图5. a,b 三级蒸馏系统的设计；c,d 传统和溶质置换型太阳能蒸馏器在处理高粘度溶液时的水收集量及温度变化；e 水收集速率对比，溶质置换型太阳能蒸馏在处理高粘度溶液时可以比传统太阳能蒸馏提升416%。
【小  结】这项研究揭示了太阳能蒸发中热、溶液和盐分输运的耦合关系，并从理论上证明了溶液物性对于蒸发速率的限制，进而提出了一种溶质置换策略，通过热质传递的解耦实现了太阳能蒸发对不同物性溶液的高效处理。该策略还可以进一步和先进太阳能蒸发器、蒸馏器设计结合，从而实现高效、被动式和强适应性的水处理，并显著拓展太阳能蒸发的应用场景。
文章链接：https://doi.org/10.1039/D3EE02592F

“能源-水-空气”交叉学科创新团队ITEWA由上海交通大学王如竹教授创立，长期致力于解决能源、水、空气交叉领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域的进展。团队近年来在Science, Nature Water, Joule, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Nature Communications等高水平期刊发表系列学科交叉论文。

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