大连理工大学化工学院陶胜洋教授团队在光热蒸发海水淡化方向的最新研究成果发表于环境领域权威期刊Environmental Science & Technology，题为“Rational 3D Coiled Morphology for Efficient Solar-Driven Desalination”(DOI:10.1021/acs.est.0c05449)。文章第一作者为学院新引进教师王玉超副教授。
该工作针对目前三维光热蒸发器传质受限造成的界面热利用较低，且长期海水淡化过程中的盐析出污染问题，发展一种卷状蒸发器，利用其层间微米级狭缝孔强化传质过程，保证高效稳定的水蒸发及长效的拒盐效果。
针对淡水资源紧张问题，人类历史上很早就开始以太阳能蒸发/蒸馏的方式从水体中分离获得可饮用水，但受限于极低的效率，很难得到广泛应用。近年来，利用光热转化材料将太阳光高效转化为热能，并对海水蒸发界面限域加热，可以极大的提高蒸发效率，在海水淡化领域展现出理想的应用前景。
三维光热蒸发器由于在太阳光捕获、热损失控制、环境热利用等方面的特殊优势，逐渐成为研究的焦点。除了界面热利用效率，水在蒸发器内的传输同样是影响三维光热蒸发器性能的重要因素。而由于在重力方向较大的尺寸，三维光热蒸发器内的水传输扩散问题是目前研究的重要内容之一。
图1.卷状光热蒸发器海水淡化应用及其导水作用示意图。
图2.a卷状光热蒸发器制备示意图；b蒸发装置示意图；c卷状光热蒸发器的蒸发速率对比；d拒盐性能测试；e海水淡化测试中蒸发-冷凝装置照片；f海水及冷凝水样中常见阳离子浓度。
基于前期对毛细结构导水作用的研究，本工作提出通过将二维平面膜卷曲缠绕的方式制备具有竖直层状孔隙的三维卷状光热蒸发器，利用可控的毛细作用及良好的浸润性实现对整个蒸发器的高效水传输和扩散，确保高的蒸发效率及长效拒盐能力，一个太阳光辐照强度下蒸发效率可达1.93±0.05 kg m-2 h-1，相比于同材质的平面材料提高44%以上。
在长时间海水蒸发过程，蒸发器表面无明显盐析出，保证蒸发器的光热性能稳定。即使蒸发器表面有盐沉积，借助其高的水传输扩散能力，盐会在数小时内溶回海水中。通过冷凝装置收集到的海水淡化冷凝水中，常见金属离子的浓度均下降2-4个数量级，远低于饮用水的标准限值。大尺寸卷状光热蒸发器可以借助现有的成熟卷膜工艺实现规模化生产，展现出良好的应用前景。
该工作的开展，为解决三维形貌下水的传输扩散提出新的设计思路，实现了长期稳定的光热蒸发和拒盐性能，推动高性能光热蒸发器的开发，有助于在海水淡化领域实际应用的发展。
该研究得到了国家自然科学基金、引进人才科研启动项目的资助。
