蒸發(fā)材料0628丨大連理工大學EST論文丨基于重力增強供水系統(tǒng)的三維圓錐形太陽能蒸發(fā)器的合理設計與耐鹽性研究

2026年，《Environmental Science & Technology》期刊在線發(fā)表了題為“Rational Design and Salt Resistance Study of 3D Conical Solar Evaporators via Gravity-Enhanced Water Supply”的研究性論文。得益于光熱圓錐體利用重力實現(xiàn)的水分傳輸效率提升，在使用10 wt%人工濃縮海水連續(xù)運行100小時的測試中，蒸發(fā)速率始終維持在2.06 kg·m?2·h?1且未觀察到鹽析現(xiàn)象。在戶外實驗中，該蒸發(fā)器被集成至應用陣列中，使用總光熱投影面積為0.037 m2（采用10 wt%人工濃縮海水）時，可實現(xiàn)每日7.92 L·m?2的淡水產(chǎn)出量。《Environmental Science & Technology》期刊2025年影響因子為18.9，《Environmental Science & Technology》刊載各類與環(huán)境相關多元主題下具有影響力、開創(chuàng)性的世界級研究成果。

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制定穩(wěn)健的策略以防止在處理高鹽度和復雜鹵水過程中發(fā)生鹽析現(xiàn)象，對于實現(xiàn)穩(wěn)定的太陽能脫鹽工藝至關重要。基于理想的能源管理理念，我們在三維圓錐形蒸發(fā)器上合理設計了一種重力增強型水傳輸策略，巧妙地實現(xiàn)了在各種復雜鹵水條件下供水與蒸發(fā)之間的動態(tài)平衡，從而提升抗鹽性能。通過實驗測試和多物理場模擬對鹽析行為關鍵因素進行系統(tǒng)研究，我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過優(yōu)化成分、尺寸和形態(tài)的圓錐形蒸發(fā)器不僅能在高濃度氯化鈉溶液（25 wt%氯化鈉）中穩(wěn)定運行，也能在含復雜離子組成的鹵水（10 wt%人工濃縮海水）中穩(wěn)定工作。得益于光熱圓錐體利用重力實現(xiàn)的水分傳輸效率提升，在使用10 wt%人工濃縮海水連續(xù)運行100小時的測試中，蒸發(fā)速率始終維持在2.06 kg·m?2·h?1且未觀察到鹽析現(xiàn)象。在戶外實驗中，該蒸發(fā)器被集成至應用陣列中，使用總光熱投影面積為0.037 m2（采用10 wt%人工濃縮海水）時，可實現(xiàn)每日7.92 L·m?2的淡水產(chǎn)出量。重力增強水傳輸已被證明是太陽能驅動脫鹽過程中實現(xiàn)高鹽度水制備時抗鹽性的有效策略，該方法可廣泛應用于各類三維蒸發(fā)器設計。

淡水短缺是全球性嚴峻難題，威脅人類健康、民生與可持續(xù)發(fā)展。太陽能驅動海水淡化作為無生態(tài)破壞、低資源消耗的非常規(guī)產(chǎn)水技術，被視作緩解水資源匱乏的可持續(xù)方案，具備廣闊應用前景。現(xiàn)有研究圍繞提升太陽光吸收、降低熱損耗、利用環(huán)境余熱、降低汽化焓四條路徑優(yōu)化光熱材料、蒸發(fā)結構與蒸發(fā)流程，通過多維度綜合優(yōu)化后，光熱蒸發(fā)能效已接近理論上限，單純提升蒸發(fā)速率的研究空間有限。光熱材料表面鹽晶堆積是制約太陽能淡化實用化的核心痛點：鹽晶會遮蔽光吸收界面、阻礙水蒸氣擴散，最終導致裝置失效；該問題在處理高濃度鹵水、復雜離子濃海水時會急劇惡化，是當前領域最迫切需要突破的技術障礙。目前學界已開發(fā)四類主流抗鹽方案，但均存在短板，難以適配高鹽、多離子復雜鹵水長期穩(wěn)定運行：依靠毛細、馬蘭戈尼效應加速離子回流，高鹽環(huán)境下離子擴散速率難以匹配蒸發(fā)速率；依靠幾何結構將鹽晶限定在邊緣，但對蒸發(fā)水量、鹽濃度適配性差，鹽析仍會削弱光能利用，還存在冷凝水污染風險；依靠鹽沉積帶來的受力失衡實現(xiàn)自清潔，結構調控難度大，復雜鹵水工況穩(wěn)定性不足。現(xiàn)有方案均難以精準維持供水-蒸發(fā)動態(tài)平衡，無法同時實現(xiàn)高蒸發(fā)速率與長期穩(wěn)定抗鹽，亟需全新流體輸運設計思路適配高鹽復雜鹵水工況。團隊前期已仿生制備三維錐形光熱蒸發(fā)器，通過結構優(yōu)化降低光反射與熱損失，實現(xiàn)高效光熱蒸發(fā)；但傳統(tǒng)自下而上毛細輸水模式存在固有缺陷：輸水動力僅靠毛細力、需對抗重力，供水量跟不上快速蒸發(fā)速率，界面提前鹽析結垢，嚴重削弱光吸收性能，限制實際應用。針對傳統(tǒng)錐形蒸發(fā)器輸水不足、高鹽工況易鹽析的短板，本文提出重力輔助自上而下輸水新思路，利用重力協(xié)同毛細力調控鹵水定向輸運，構建供水與蒸發(fā)的動態(tài)平衡，系統(tǒng)性解決高鹽、多離子復雜鹵水條件下的鹽沉積問題，開發(fā)兼具高蒸發(fā)速率、長效抗鹽、可規(guī)模化應用的三維錐形太陽能蒸發(fā)器。

創(chuàng)新輸水機制：重力協(xié)同毛細自上而下輸水，從根源解決鹽析難題突破傳統(tǒng)自下而上毛細輸水固有缺陷（輸水需對抗重力、供水跟不上蒸發(fā)速率、表面快速積鹽失效），提出重力強化自上而下輸水策略，重力與毛細力協(xié)同提升鹵水輸運效率；錐形坡面重力分力可精準調控鹵水流量，高鹽濃水可從錐尖快速排出，穩(wěn)定維持供水 - 蒸發(fā)動態(tài)平衡，大幅抑制蒸發(fā)界面鹽離子過飽和析出；對比實驗證實傳統(tǒng)輸水體系 15 wt% NaCl 2h 蒸發(fā)速率衰減超 83%，重力強化體系可在寬鹽濃度區(qū)間保持穩(wěn)定蒸發(fā)性能。

結構優(yōu)化：三維錐形多光阱結構，實現(xiàn)超高太陽光捕獲系統(tǒng)探究錐頂角對光吸收、水汽擴散的權衡關系，Cone-42最優(yōu)結構利用腔內多重反射減少光逃逸，干濕態(tài)太陽光吸收率分別達 96.54%、96.71%；有限元光線追蹤仿真與光譜測試相互印證小錐角空腔光捕獲優(yōu)勢，同時揭示錐角過窄會造成腔內水汽積聚、擴散阻力上升的 trade-off 規(guī)律；三維錐形兼具大有效蒸發(fā)面積與低熱輻射損耗，1 倍太陽光下蒸發(fā)速率最高可達3.90 kg?m?2?h?1，遠高于平面光熱膜（1.22 kg?m?2?h?1）。

圖1. PVDF -PPy光熱錐的制備與表征。(a) PVDF -PPy光熱錐的制備工藝。(b)光熱錐結構及尺寸示意圖。(c) 5 μL水滴在孔徑為5μm的商用PVDF膜上的隨時間變化接觸角圖像；(d)通過CVDP工藝涂覆PPy的PVDF膜的接觸角圖像。(e)表面光滑的商用PVDF膜SEM圖像；(f)涂覆PPy的PVDF膜SEM圖像。插圖為放大視圖。

圖2.光熱錐的光學特性與蒸發(fā)性能。(a)不同頂角下光熱錐的顯微照片。(b) PVDF、PVDF ?PPy平面及光熱錐在280–2500 nm波長范圍內的UV-Vis- NIR漫反射光譜。(c)各樣品對應的吸收光譜及其與標準AM 1.5 G太陽輻照度密度光譜的對比。(d)不同頂角光熱錐的光吸收有限元分析結果。(e)實驗流程及蒸發(fā)裝置示意圖。(f)黑暗與光照條件下光熱樣品水蒸發(fā)速率隨時間變化曲線，綠色曲線為純水作為實驗參照的蒸發(fā)性能。(g)不同頂角下的水蒸氣濃度分布圖，箭頭指示擴散方向。

圖3.光熱蒸發(fā)器的水分傳輸與耐鹽性。(a)不同水分傳輸策略的示意圖。(b，c)采用不同供水策略的蒸發(fā)裝置的實際圖像。分別展示使用傳統(tǒng)(d)和重力增強(e)水分傳輸策略時不同濃度氯化鈉溶液的蒸發(fā)速率。(f)使用兩種蒸發(fā)裝置對不同濃度氯化鈉溶液蒸發(fā)2小時后的鹽析圖像。(g)不同濃度氯化鈉溶液在15分鐘光熱蒸發(fā)過程中錐體表面溫度的紅外熱成像圖。(h)蒸發(fā)900秒后模擬的表面質量分數(shù)分布。(i)在3.5 wt%氯化鈉溶液中經(jīng)15分鐘光熱蒸發(fā)后，不同幾何形狀錐體的紅外熱成像圖及鹽沉積照片。(j)不同幾何結構錐體中3.5 wt%氯化鈉溶液的蒸發(fā)速率。(k)不同幾何結構錐體蒸發(fā)900秒后的模擬表面質量分數(shù)分布。

圖4.優(yōu)化后的材料表征結果：(a)AP薄膜上5 μL水滴隨時間變化的接觸角圖像；(b)經(jīng)CVDP工藝涂覆PPy層的AP薄膜接觸角圖像；(c)AP薄膜SEM圖像；(d)AP-PPy復合膜SEM圖像；(e)平面AP-PPy及AP-PPy光熱錐體在280–2500nm波長范圍內的UV–vis– NIR漫反射光譜；(f)樣品對應吸收光譜與標準AM 1.5 G太陽輻照度密度光譜的對比；(g) PVDF與AP材料吸水速率的比較；(h)不同水傳輸策略及材料下光熱錐體結構中水傳輸速率的對比。

圖5.優(yōu)化的材料鹽析管理。(a)在24 wt%氯化鈉溶液中小型錐體的蒸發(fā)速率及鹽析圖像；(b)使用不同尺寸AP-PPy錐體在25 wt%氯化鈉溶液中240分鐘內的蒸發(fā)速率；(c)相同溶液的鹽析圖像；(d)兩種尺寸錐體中的蒸汽濃度分布；(e)錐體中心線處的蒸汽濃度隨高度變化；(f)兩種尺寸AP-PPy錐體在25 wt%氯化鈉溶液中蒸發(fā)900秒后鹽質量分數(shù)分布的模擬結果；(g)不同光熱錐體下實際海水的蒸發(fā)速率；(h)使用大型AP-PPy處理近飽和濃度多種鹽溶液時的蒸發(fā)速率；(i) AP-PPy對10 wt%人工濃縮海水的長期蒸發(fā)速率。

圖6.戶外應用示意圖。(a)在實際陽光條件下用于太陽能驅動海水淡化處理的裝置。(b)蒸發(fā)與收集裝置的結構示意圖。(c)第一天戶外實驗環(huán)境中的溫度（21至28°C）、濕度（26%至55%）及太陽輻射強度數(shù)據(jù)（來源：The Weather Company）。(d)戶外實驗首日收集水量的實測結果。(e)為期7天的戶外實驗中收集的淡化水量與對應天氣條件。(f)含10%重量比人工濃縮海水及淡化后冷凝水中的主要離子濃度分布。

基于三維錐形蒸發(fā)器開發(fā)的重力驅動供水策略，為實現(xiàn)可持續(xù)海水淡化提供了一條切實可行的路徑。定量分析表明，優(yōu)化后的器件在處理25 wt% NaCl鹽水時，蒸發(fā)速率可達3.32 kg m?2 h?1。這些結果證明了其即使針對高鹽度水源也能實現(xiàn)高效供水的能力，且性能優(yōu)于許多已報道的蒸發(fā)器。更重要的是，重力增強設計有效解決了鹽積累這一難題。該器件在復雜離子環(huán)境下經(jīng)過100小時連續(xù)運行，仍能保持超過90.8%的性能穩(wěn)定性，證明了其無需復雜維護的耐久性。這種穩(wěn)定性對于長期海水淡化操作至關重要，尤其是在處理高濃度鹽水（10 wt%）時——傳統(tǒng)蒸發(fā)器在此類條件下常因鹽堵而失效。最后，該系統(tǒng)的可擴展性通過戶外陣列實驗得到了驗證，每日淡水產(chǎn)量可達2.75–7.92 kg m?2。除了高產(chǎn)率之外，該系統(tǒng)還展現(xiàn)出顯著的經(jīng)濟可行性：制造1 m2錐形陣列的材料成本僅為約2.56美元。在可持續(xù)性方面，預估的泵送能耗（約447.9 Wh m?2 day?1）極低，使得光伏供電方案高度可行。這種中試規(guī)模的性能表現(xiàn)，結合超低的生產(chǎn)與運行成本，證明了該方案作為緩解全球水資源短缺的一種可靠且可及的選擇所具有的潛力。

Wei, Z.Q., Xu, Y.Y., Han, P., et al. Rational design and salt resistance study of 3D conical solar evaporators via gravity-enhanced water supply. Environmental Science & Technology, 2026, https://doi.org/10.1021/acs.est.6c02513.

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資料整理：徐澤恩（陽光凈水）

編輯：環(huán)境與能源功能材料

徐澤恩（陽光凈水課題組）

【資料整理】徐澤恩：資源與環(huán)境碩士研究生，研究方向為海水/廢水蒸發(fā)處理，發(fā)表中科院TOPSCI期刊論文3篇，參與浙江省自然科學基金項目2項，獲一等學業(yè)獎學金1次。

陽光凈水課題組：主要研究方向為殼聚糖功能材料、太陽能蒸發(fā)材料、磁性吸附材料、污染物吸附和環(huán)境催化反應機理。課題組主頁：

https://www.x-mol.com/groups/zhuhuayue

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殼聚糖丨纖維素丨MOF材料丨石墨烯丨碳納米管丨MXenes丨硫化鉬丨催化材料丨蒸發(fā)材料丨吸附材料丨電極材料丨除磷材料丨產(chǎn)氫材料

2025年9月，國際TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》發(fā)表了陽光凈水課題組題為“Multifunctional and sustainable chitosan-based interfacial materials for effective water evaporation, desalination, and wastewater purification: A review”的綜述性論文。根據(jù)Web of Science檢索，這是國際上首篇全面論述多功能和可持續(xù)殼聚糖基界面蒸發(fā)材料在廢水處理和水凈化中應用的綜述性論文。本文總結了殼聚糖基太陽能界面蒸發(fā)器（CS-SIE）四種類型（水凝膠、氣凝膠、海綿和膜）、五種改性材料和在水污染控制中應用。最后，總結了CS-SIEs在際應用中仍面臨挑戰(zhàn)。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化學改性及其在生物、環(huán)境、制藥、食品等領域的工業(yè)應用，最新中科院分區(qū)：8.50/二區(qū)TOP期刊。

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2024年06月08日，國際期刊《International Journal of Biological Macromolecules》發(fā)表了陽光凈水課題組題為“Sustainable chitosan-based materials as heterogeneous catalyst for application in wastewater treatment and water purification: An up-to-date review”綜述論文。根據(jù)Web of Science檢索，這是國際上首篇全面論述殼聚糖基異相催化劑在廢水處理和水凈化中應用的綜述性論文。本綜述概述了金屬氧化物/殼聚糖基復合材料（MOs@CSbMs）、金屬硫化物/殼聚糖基復合材料（MSs@CSbMs）、鉍基半導體/殼聚糖基復合材料（BibSCs@CSbMs）、金屬有機框架/殼聚糖基復合材料（MOFs@CSbMs）和納米零價金屬/殼聚糖基復合材料（NZVMs@CSbMs）等5種Cat@CSbMs材料的制備策略及作為助催化劑、光催化劑、類芬頓試劑在處理各類廢水中的應用進展。該綜述不僅加深了對環(huán)境功能材料與環(huán)境污染控制作用的理解，也為未來Cat@CSbM在污染物吸附和富集、光催化氧化降解污染物和還原金屬離子等相關領域的研究提供了參考和啟示。該論文自2024年6月發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用56次（Web of Science），國際引用占比73%，2025年5月起入選ESI高被引論文。

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2024年 12 月 24 日，國際期刊《 Separation and Purification Technology 》發(fā)表了 陽光凈水課題組 題為 “ Intriguing and boosting molybdenum sulfide (MoS2)-based materials for decontamination and purification of wastewater/seawater: An upgraded review” 綜述論文。本綜述全面總結了近6年（2018-）MoS2基材料（MoS2bMats）提高廢水處理和水凈化的有效改性策略，并重點闡述了MoS2bMats在環(huán)境污染物吸附、光催化降解和還原、Fenton高級氧化、PMS/PS活化氧化、廢水脫鹽（膜過濾和太陽能蒸發(fā)脫鹽）等方面的應用。最后，討論并提出了 MoS 2 bMats 理論研究與應用之間存在差距、工程挑戰(zhàn)、未來的研究方向和機遇。 該論文自 2024 年 12 月線上發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用31 次（ Web of Science ）。

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2024 年 1 月，國際期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》期刊發(fā)表了陽光凈水課題組題為 “A review on chitosan/metal oxide nanocomposites for applications in environmental remediation“ 的綜述性論文。更清潔、更安全的環(huán)境是未來最重要的要求之一。與傳統(tǒng)材料相比，殼聚糖具有豐富的生物相容性、生物降解性、成膜能力和親水性，是一種更環(huán)保的功能材料。由于殼聚糖分子鏈上豐富的 -NH2 和 -OH 基團可以有效地與各種金屬離子螯合，殼聚糖基材料作為金屬氧化物納米材料（ TiO2 、 ZnO 、 SnO2 、 Fe3O4 等）的多功能支撐基質具有巨大的潛力。近年來，許多殼聚糖 / 金屬氧化物納米材料（ CS/MONM ）作為吸附劑、光催化劑、非均相類芬頓試劑和傳感器，在環(huán)境修復和監(jiān)測中具有潛在和實際的應用。本綜述全面分析和總結了CS/MONMs復合材料的最新進展，這將為CS/MONMs復合材料的制備和廢水處理應用提供豐富而有意義的信息，并有助于研究人員更好地了解CS/MONMs復合材料在環(huán)境修復與監(jiān)測中的潛力。該論文自 2024 年 1 月線上發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用69 次（ Web of Science ），國際引用占比65.0%。

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2024 年 2 月，國際期刊《 Separation and Purification Technology 》發(fā)表了陽光凈水課題組題為 “ A review on the progress of magnetic chitosan-based materials in water purification and solid-phase extraction of contaminants” 的綜述性論文。污染物檢測和水凈化對于實現(xiàn)環(huán)境保護和資源利用非常重要。構建新型功能材料去除各種污染物也變得越來越重要和緊迫。本綜述總結了磁性殼聚糖（M-CSbMs）的3種可靠制備策略（原位策略、兩步策略和沉積后策略），并詳細介紹了M-CSbMs在有效吸附/光催化去除污染物（如重金屬離子、有機染料、抗生素和其他污染物）和磁性固相萃取超低濃度污染物等方面的研究進展。最后，提出了 M-CSbMs 目前面臨的挑戰(zhàn)和前景，以期促進其在水凈化和固相萃取污染物方面的實際應用。該論文自 2024 年 2 月發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用 51 次（ Web of Science ）。

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