双梯度加热效应的太阳能蒸发器以实现持续高效的太阳能海水淡化

 陈传亮 田可  熊联虎  戴子健  李千阳 程敏涵  傅强  邓华*

淡水资源的短缺是人类可持续发展的迫切挑战。地球上约97%的水资源是海水，但是它不适合人类直接饮用或者进行工业用途。在双碳（碳达峰和碳中和）概念的经济和生态建设框架内，利用太阳能驱动海水淡化获取饮用水是缓解能源和清洁水短缺问题非常有前景的方法。水蒸发速率，作为太阳能蒸发器的关键因素之一，决定了产水量和能否在实际环境中使用。研究者为了实现太阳能蒸发器高的蒸发速率，将具有宽光谱吸收和高效的光热转换能力材料与支撑材料结合制备了光热膜、多孔气凝胶和水凝胶等太阳能蒸发器，通过优化水输运及热供给、减少蒸发焓及构建冷蒸发表面等策略来提高水蒸发速率。然而，大多数太阳能蒸发器蒸发速率提升有限（<5kg m⁻²h⁻¹）。同时，大多数研究涉及水运输（耐盐性）和热定位都需要在高蒸发速率和良好的耐盐性之间进行权衡，这使得同时实现高蒸发速率和良好耐盐性变得困难。另一方面，由于昼夜循环和不稳定的照明，传统蒸发器存在间歇性运行。当蒸发器在光照强度低的阴天时，其蒸发性能会急剧下降。而在光照强度高的晴天时，热能又会从蒸发器高温表面向周围的低温进行损失，导致热不能有效用于蒸发，这对太阳能蒸发器的持续实际应用极为不利。因此，设计和开发一种新型的热调节能力的蒸发器以减轻由太阳辐射的周期性和不规则性引起相关问题就显得至关重要。相变材料由于具有白天储存的太阳能，夜间释放能量的优势，已经被引入到太阳能蒸发器中以应对间歇性太阳辐射的挑战。然而这些相变材料在实际使用过程中由于蓄热和释放过程中的体积变化可能存在泄露，且该类蒸发器只使用单一相变材料来存储存和释放热量，导致对蒸发器夜间的热量供给会有限，蒸发速率较低。

在此，为了同时实现蒸发器的高蒸发速率和较好的耐盐性，并能有效缓解间歇性太阳辐射问题，通过相变材料的润湿性差异（亲疏水性）和相变温度差异设计了具有梯度加热效应的蒸发器，以实现高效的稳定蒸发。确切地，将18@SiO₂相变微胶囊嵌入到具有垂直取向结构的PDA@CNT/PVA气凝胶（蒸发层）中以实现水的快速运输，并在蒸发层周围引入相变疏水的光热膜PVA/PG/CNT/PDMS（PPCP，加热层）以增强对其热供给。如图1所示，蒸发层和加热层中的CNT用于光吸收和光热转换，18@SiO₂和PPCP薄膜中相变材料PG用于调节热能。具体地，微胶囊包裹相变材料，防止泄漏，PG的固-固相转变稳定性保证了蒸发器的长期稳定性。由于蒸发层和加热层之间在白天和晚上形成的双梯度加热效应，白天在1个太阳光照射下，在5.0 wt%NaCl（高于世界平均海水盐度3.5 wt%）下，蒸发率达到6.84 kgm^-2h^-1，效率为90.9%；夜晚在黑暗的条件下，蒸发速率高达2.61 kgm^-2h^-1 （30min）。同时该蒸发器具有出色的太阳能储存能力以及长期蒸发性能，在为期7天的测试中表现出良好的稳定性和耐盐性，表现出行业领先的综合性能。更重要该蒸发器在真实渤海海水中于户外较弱光照下照射，产生淡水可以满足2.5户家庭推荐的每人用水摄入量。此外，该蒸发器可以吸附有机染料，同时净化的海水可以用于绿豆种植。该技术为最大限度地利用太阳能进行海水淡水和克服间歇性太阳辐射提供新的思路。同时这种双梯度结构设计具有通用性，为最大化高效利用太阳能提供一条新途径。

图1 双梯度加热效应蒸发器的示意图

图2蒸发器各组成结构与性能

图3 蒸发器热定位的表征

图4 蒸发器的水蒸发性能                  

图5 蒸发器耐盐性、稳定性及综合性能比较

图6 蒸发器的户外可行性探索及其相应应用

相关成果以“Solar Evaporator with Dual Gradient Heating Effect for Sustained and Efficient Desalination” 的论文发表在 Small期刊上，四川大学高分子科学与工程学院博士研究生陈传亮为本文第一作者，邓华教授为本文通讯作者，该研究得到国家自然科学基金委的资金支持。