大工李林、唐大伟AFM：3D水凝胶定向析盐助力长时间、高效太阳能海水淡化

【研究背景】

太阳能界面蒸发实现海水淡化是近年来提出的一种新兴技术，由于其成本低、离网能力强且污染小等优势被广泛研究。该技术将蒸发体漂浮于海面，通过光热转化产生蒸汽。然而，在海水连续蒸发的过程中，光热表面的盐沉积会导致蒸发性能急剧下降。因此，有效的抗盐策略十分重要。虽然打孔和Janus结构的设计在一定程度上缓解了这一问题，但在处理高浓度盐水时盐依然会在表面积累，如何设计一种长时间、高效蒸发的高耐盐蒸发体依然是一个挑战。

【成果简介】

大连理工大学的李林副教授、唐大伟教授等人设计了一种具有三维结构的PVA水凝胶基蒸发体，该蒸发体基于微米级盐水调控使其沿径向输运，进而使盐分在边缘定向析出，保证了主要蒸发表面的清洁，从而实现了在高浓度盐水中长时间、高效的蒸发性能。即使在20wt%的盐水中长时间连续光照，其光热表面也没有盐分沉积，性能明显优于现有的耐盐性蒸发体。在1个太阳强度下，在10wt%-25wt%超高浓度盐水中表现出高达2.07 kg m^-2 h^-1的平均蒸发速率，是当前已报道文献的最佳值之一。相关成果以Highly salt-resistant 3D hydrogel evaporator for continuous solar desalination via localized crystallization为题，发表于Advanced Functional Materials。 

图1. 高耐盐三维水凝胶基蒸发体结构和工作原理示意图

【内容表述】 

图2. 输水体PVA水凝胶化学成分和结构的表征

作者通过傅里叶红外光谱和拉曼光谱表征发现PVA水凝胶内部具有大量的羟基，促使其更容易地与水分子结合形成中间水，有利于水分的传输和蒸发。溶胀测试和扫描电子显微镜显示，其在水中迅速吸水膨胀，且内部多孔的毛细结构也有助于进一步促进水分的输送，从而保证了蒸发体充足的水分泵送。拉伸测试证明其良好的机械性能。

图3. 光热层MXene-纤维布的光吸收特性和光热转化能力

采用强酸刻蚀成功地从Ti₃AlC₂上刻蚀Al，制备MXene(Ti₃C₂)，并通过浸渍法将Ti₃C₂负载在纤维布上作光热层。MXene紧密的二维层状结构赋予其有效的电磁干扰屏蔽作用，使太阳光在层间多次反射，大幅度减少了光的散失。同时，在1个太阳强度下，光热表面的温度在15 min内迅速从26℃升高至40℃，高于散装水近11℃，表现出优异的光热转换和热量限域能力。 

图4. 蒸发性能和抗盐性能测试

在水凝胶优异输水能力的基础上，圆台的结构设计增强了蒸发体内水分的径向迁移，导致盐在边缘沉积。实验发现在3.5-20wt%盐水中连续光照24h后，传统柱形蒸发体整个表面被盐层覆盖，而该蒸发体光热表面保持清洁，只有边缘有少量积盐，并且蒸发性能依然保持稳定。同时，相比于纯盐水和传统柱形蒸发体，该蒸发体在3.5-25wt%的盐水中的蒸发性能均表现出明显的优势，是当前已报道文献的最佳值之一。记录20wt%盐水中连续照射25h的盐结晶情况发现，盐在边缘呈簇状结晶，且在重力的作用下脱落，因此有效保证了蒸发主表面的清洁和蒸发性能的稳定。综合以上优势，该蒸发体在10-20wt%的高浓度盐水中，蒸发速率24h长时间稳定在2.07 kg m⁻² h⁻¹左右，且在普通海水浓度的盐水中实现7天平均2.22 kg m⁻² h⁻¹的高效蒸发，优于目前大多数耐盐性蒸发体。

图5.蒸发体内部热质传递的数值模拟分析

模拟结果表明，边缘溶液浓度明显高于表面其他位置。且随着初始盐水浓度的增加，盐分边缘浓度极化更加明显，表明即使用于高浓度盐水淡化，盐分也只在边缘沉积，与实验结果相吻合。经分析，盐在边缘结晶的现象由蒸发体内部的流动导致，主要分为对流和扩散，其中，对流在其中占主导位置，径向的对流传质导致边缘溶液浓度不断增加，最终实现边缘结晶。此外，圆台蒸发体因边缘热量散失较大产生径向温差，从而促进了内部液体径向流动，也降低了边缘处盐结晶的能垒，实现盐分只在边缘结晶。 

图6. 淡化水质检测

基于圆台蒸发体的太阳能蒸发系统不仅可实现3.5wt% -25wt%盐水净化，同时还可以用于平衡污水酸碱性和去除废水中的重金属离子，表现出对受污染型海水淡化的应用潜力，具有重要的实用价值。

【总结】

作者报道了一种基于水凝胶的圆台蒸发体，巧妙的结构设计实现了其内部微米级盐水输送管理，在10-25wt%的盐水中实现了高达2.07 kg m^-2 h^-1的平均蒸发性能，且盐只在边缘沉积。同时，通过实验测试和数值模拟揭示了盐结晶的机理，证明通过特定几何结构的设计调控盐水分布，可以使盐分定向析出，对于构建具有高蒸发性能、长期运行稳定性的高耐盐蒸发体提供了新的思路，具有普适性，为长时间高盐度海水淡化助力。

Lin Li,* Nan He, Bo Jiang, Kewei Yu, Qian Zhang, Haotian Zhang, Dawei Tang,* and Yongchen Song, Highly Salt-Resistant 3D Hydrogel Evaporator for Continuous Solar Desalination via Localized Crystallization, Adv. Funct. Mater., 2021, DOI:10.1002/adfm.202104380

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104380