太陽能驅動的界面光熱蒸發(fā)技術因其低碳環(huán)保等特性在海水淡化以及鹽湖提鋰等領域受到了廣泛的關注。然而，蒸發(fā)界面處鹽垢的析出既會堵塞傳質通道，也會阻礙光熱轉化，嚴重影響蒸發(fā)器的長期服役性能。近年來，眾多的研究試圖通過增強傳質的方式來緩解鹽垢的形成，但傳質的強化通常伴隨著傳熱的強化，意味著加劇了熱量的損失，從而引起蒸發(fā)器整體蒸發(fā)效率的下降。
為了解決上述問題，浙江大學聚合物分離膜材料及其表界面工程(Surface and Interface Engineering of Polymer Membranes, SIEPM)團隊開發(fā)了一種鹽垢驅動翻轉的兩面神蹺蹺板光熱蒸發(fā)器。該蒸發(fā)器具有一面疏水光熱蒸發(fā)、一面親水快速傳質的兩面神結構，不僅具有高的蒸發(fā)面積與低的熱量損失，且在蒸發(fā)驅動下實現(xiàn)鹽的定向傳遞，利用鹽垢驅動翻轉，實現(xiàn)自動除垢，在處理高濃鹽水時展現(xiàn)出了高效和穩(wěn)定的光熱蒸發(fā)性能(圖1)。該工作近期以“Self-Flipping Solar Seesaw Evaporators Leverage Scaling to De-Scale”為題發(fā)表在Small上(DOI：10.1002/smll.202310952)。文章第一作者為博士研究生陳奕舟，團隊導師楊皓程研究員和徐志康教授為共同通訊作者。
圖1. 兩面神蹺蹺板光熱蒸發(fā)器的設計思路及其自除垢機制示意圖。
采用單面交替噴涂的方式在親水巴沙木上構建了疏水PDMS/蠟燭灰光熱層，成功制備了兩面神蹺蹺板蒸發(fā)器(圖2)。除賦予光熱轉化能力外，疏水的PDMS/蠟燭灰涂層也能使蒸發(fā)器漂浮在水面。而親水巴沙木用于水溶液的自動泵送，確保蒸發(fā)過程中充足的溶液供給。
圖2. 兩面神蹺蹺板蒸發(fā)器的表面形貌及其性質。
蹺蹺板構型能夠有效優(yōu)化蒸發(fā)器的熱管理及蒸發(fā)過程，提升其蒸發(fā)效率(圖3)：1）能延長傳質與傳熱路徑，減少向本體溶液的熱傳導損失； 2）表面光功率密度的改變能調節(jié)相應的蒸發(fā)溫度，不僅能減少向環(huán)境的熱輻射與熱對流損失，也能使部分區(qū)域溫度低于環(huán)境溫度，強化了環(huán)境蒸發(fā)效應； 3）引入額外的蒸發(fā)面積，有利于水的表面化以及蒸氣的逸散。基于上述優(yōu)勢，該蹺蹺板蒸發(fā)器針對8 .0 wt%的鹽水時的表觀蒸發(fā)速率達2.65 kg·m-2·h-1，表觀蒸發(fā)效率為181.0%。
圖3. 兩面神蹺蹺板蒸發(fā)器的光熱蒸發(fā)性能。
在蹺蹺板構型下，蒸發(fā)驅動的定向傳遞能將鹽離子由本體溶液傳輸至懸空一端，且使其富集而析出鹽垢(圖4)。當鹽垢積累至一定量時，所施加的力矩會打破蹺蹺板的力平衡，引發(fā)自翻轉，析出的鹽被水溶液溶解，實現(xiàn)除垢。定向傳遞的方向會隨翻轉而改變，進而在另一端析出鹽垢，為周期性的自翻轉除垢創(chuàng)造了條件。
圖4. 兩面神蹺蹺板蒸發(fā)器的自翻轉特性。
得益于蹺蹺板蒸發(fā)器的自除垢特性，其在濃度范圍為8.0 - 20.0 wt%的鹽水溶液中均能保持12小時的高效且穩(wěn)定蒸發(fā)。此外，在連續(xù)120小時的測試中，該蒸發(fā)器的表面觀察不到鹽垢，依然展現(xiàn)出優(yōu)異的蒸發(fā)穩(wěn)定性，而與之對比，不具備自清潔特性的蒸發(fā)器表面被鹽垢覆蓋，性能下降46 %以上。
圖5. 兩面神蹺蹺板蒸發(fā)器的長期蒸發(fā)性能。
該蹺蹺板蒸發(fā)器可以規(guī)模化地拓展成集成式陣列，能在真實光照下從模擬高濃鹽水中產生3.93 - 6.35 L·m-2·day-1的淡水。且該淡水已經滿足世界健康組織(WHO)以及環(huán)境保護機構(EPA)的飲用水標準。
圖6. 兩面神蹺蹺板蒸發(fā)器陣列的戶外實驗。
綜上所述，SIEPM團隊設計了一種兩面神光熱蹺蹺板蒸發(fā)器，能實現(xiàn)高濃鹽水中高效、長期且穩(wěn)定的蒸發(fā)。獨特的蹺蹺板構型不僅使其能夠利用鹽垢驅動翻轉，實現(xiàn)除垢，保持蒸發(fā)的穩(wěn)定性，也能優(yōu)化蒸發(fā)器的熱管理以及蒸發(fā)過程，提升其蒸發(fā)效率。該工作為光熱蒸發(fā)器的設計以及克服蒸發(fā)過程中的鹽垢問題提供新的思路。
論文信息：
Self-Flipping Solar Seesaw Evaporators Leverage Scaling to De-Scale, Small, 2024, 2310952, DOI：10.1002/smll.202310952.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202310952
