太陽能驅動的界面光熱蒸發技術因其低碳環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，從而引起蒸發器整體蒸發效率的下降。
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)團隊開發了一種鹽垢驅動翻轉的兩面神蹺蹺板光熱蒸發器。該蒸發器具有一面疏水光熱蒸發、一面親水快速傳質的兩面神結構，不僅具有高的蒸發面積與低的熱量損失，且在蒸發驅動下實現鹽的定向傳遞，利用鹽垢驅動翻轉，實現自動除垢，在處理高濃鹽水時展現出了高效和穩定的光熱蒸發性能(圖1)。該工作近期以“Self-Flipping Solar Seesaw Evaporators Leverage Scaling to De-Scale”為題發表在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，確保蒸發過程中充足的溶液供給。
圖2. 兩面神蹺蹺板蒸發器的表面形貌及其性質。
蹺蹺板構型能夠有效優化蒸發器的熱管理及蒸發過程，提升其蒸發效率(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相應的蒸發溫度，不僅能減少向環境的熱輻射與熱對流損失，也能使部分區域溫度低于環境溫度，強化了環境蒸發效應； 3）引入額外的蒸發面積，有利于水的表面化以及蒸氣的逸散。基于上述優勢，該蹺蹺板蒸發器針對8 .0 wt%的鹽水時的表觀蒸發速率達2.65 kg·m-2·h-1，表觀蒸發效率為181.0%。
圖3. 兩面神蹺蹺板蒸發器的光熱蒸發性能。
在蹺蹺板構型下，蒸發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，引發自翻轉，析出的鹽被水溶液溶解，實現除垢。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造了條件。
圖4. 兩面神蹺蹺板蒸發器的自翻轉特性。
得益于蹺蹺板蒸發器的自除垢特性，其在濃度范圍為8.0 - 20.0 wt%的鹽水溶液中均能保持12小時的高效且穩定蒸發。此外，在連續120小時的測試中，該蒸發器的表面觀察不到鹽垢，依然展現出優異的蒸發穩定性，而與之對比，不具備自清潔特性的蒸發器表面被鹽垢覆蓋，性能下降46 %以上。
圖5. 兩面神蹺蹺板蒸發器的長期蒸發性能。
該蹺蹺板蒸發器可以規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)以及環境保護機構(EPA)的飲用水標準。
圖6. 兩面神蹺蹺板蒸發器陣列的戶外實驗。
綜上所述，SIEPM團隊設計了一種兩面神光熱蹺蹺板蒸發器，能實現高濃鹽水中高效、長期且穩定的蒸發。獨特的蹺蹺板構型不僅使其能夠利用鹽垢驅動翻轉，實現除垢，保持蒸發的穩定性，也能優化蒸發器的熱管理以及蒸發過程，提升其蒸發效率。該工作為光熱蒸發器的設計以及克服蒸發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
