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
