太阳能界面蒸发技术在海水淡化和废水处理等领域展现出巨大潜力。然而,由于蒸发器的力学性能、耐腐蚀性、抗盐性能及环境友好性与实际应用场景之间存在不匹配,其推广应用仍面临重大挑战。本研究采用天丝/玄武岩/木棉复合材料构建了一种2.5维集成界面直通水路太阳能蒸发器,实现了在高浓度盐水中连续、稳定、高效蒸发10小时。玄武岩纤维提高了蒸发器的整体耐腐蚀性和力学性能。经加速腐蚀试验后,蒸发器表现出优异的耐腐蚀性和功能稳定性。蒸发器内充足的水分供给促进了盐离子的扩散和循环,从而在高浓度盐水中实现了动态抗盐性能。TBKE蒸发器在1倍太阳辐照(1 kW·m⁻²)下具有1.6 kg·m⁻²·h⁻¹的高蒸发速率,是纯水的4.8倍,蒸发效率达92%。此外,双层玄武岩-木棉纤维凭借其固有特性和结构设计,最大限度地减少了热损失。值得注意的是,纯柔性纺织一体化设计使蒸发器能够抵御强浪冲击。该研究为推进海水淡化和户外水净化技术提供了新途径。
图1展示了不同蒸发器的工作原理: 二维蒸发系统中热扩散与盐传输共用同一路径,虽具有优异的抗盐性能但热局域化较差;优化的二维系统离子扩散路径较长,抗盐性差且存在微塑料污染;三维系统具有隔热微结构,热损失较低但存在盐分积聚问题;2.5维系统则具有界面限域水层和无机-有机耦合隔热层;最后示意了TBKE用于光热蒸发的结构。
图2展示了2.5维蒸发器的制备过程: 其中a图为TBY皮芯结构纱线和TBF织物的制备流程示意图;b图为TBF织物功能化处理过程示意图;c图为TK漂浮层(TKL)的制备过程示意图;d图为TBY复合纱线的数码照片及其截面扫描电镜图像;e图进一步显示其皮芯结构;f图为木棉纤维的数码照片和截面扫描电镜图像;g图为TKL的截面数码照片;h图和i图分别为光热蒸发层的数码照片和截面图像。
图3展示了蒸发层的拉伸性能、热性能及涂层表征。 其中,a图为TBY和TY的拉伸性能对比(样本量n=10);b图为TF和TBF在盐水腐蚀前后的质量损失(样本量n=3);c图为四种TBF样品经表面改性处理后的太阳吸收光谱;d–e图为TF和TBF的COMSOL模拟结果;f图为TF、TBF、泡沫和TK的热导系数(样本量n=3);g–h图为处理后TBF的EDS扫描位置SEM图像;i图为纤维表面C、N、O元素含量;j图为TBF、GO-TBF和rGO-TBF的FT-IR光谱;k图为GO-TBF和rGO-TBF的拉曼光谱。
图4展示了光热转换的优化。 其中,a图为太阳能驱动海水淡化装置的示意图;b图为不同rGO含量对TBF‑R样品吸收光谱的影响;c图为干态下的表面温度曲线;d图为湿态下的热红外图像;e图为1个太阳光照下TBF‑R样品的蒸发速率和蒸发效率(样本量n=3);f图为TBF‑V样品供水通量性能的比较;g图和h图分别为1个太阳光照下TBF‑V样品的蒸发性能和表面温度;i图为蒸发器浸润条件的示意图,h值对应不同的界面限域水层;j图为TBKE‑Fs样品的COMSOL模拟;k图为1个太阳光照下TBKE‑Fs样品的蒸发速率。
图5展示了蒸发器的抗盐性能。 其中,a–b图分别为TBKE‑F3在不同太阳辐照强度下的表面温度曲线和对应的蒸发速率;c图为1倍太阳光照下不同盐浓度时的蒸发速率;d图为在不同NaCl浓度下持续10小时太阳能海水淡化过程中蒸发器表面的光学图像;e图为TBKE‑F3无盐积聚(自清洁)的工作机理示意图;f图为暗态下的盐回流现象;g图为在3.5 wt% NaCl溶液中,经10次循环后蒸发器的质量变化(1倍太阳光照);h图为与以往研究中太阳能蒸发器的蒸发速率和效率对比。
图6展示了蒸发器的户外海水淡化和净化能力。 其中,a图为屋顶蒸发装置的实物照片;b图为蒸发5分钟前后蒸发器表面的红外热像图;c图为太阳辐照强度、环境温度和相对湿度的变化曲线;d图为户外测试(2025年7月24日,中国武汉)期间9:00至17:00的净水收集速率;e图为为期20天的户外蒸发实验(2025年8月,每天工作8小时、休息16小时),插图为每天蒸发8小时后蒸发器表面的实物照片;f图为自制户外蒸发集水装置的实物照片;g图为蒸发装置在太阳下运行10分钟后的实物照片;h图为蒸发前后(5分钟)的红外热像图;i图为含MG、MO、MB和CR等常见染料废水在净化前后的紫外-可见光谱及光学图像;j图为黄海海水在淡化前后四种典型离子的浓度;k图为淡化后Zn²⁺、Pb²⁺等重金属离子的浓度;l图为海水淡化前后及生活用水的总溶解固体量和盐度对比。
图7展示了在未污染水、净化水和海水(黄海)中小麦的生长状况。 其中,a图为分别用(1)未污染水、(2)净化水和(3)海水灌溉10天内小麦的发芽过程;b图为用这三种水灌溉后小麦的生长过程;c图为三种水中小麦的发芽率(样本量n=40);d–f图分别为用这三种水灌溉后小麦的重量、根长和茎长随时间的变化(样本量n=10)。
Pub Date : 2026-06-10, DOI: 10.1016/j.cej.2026.178281