研究背景

太陽能界面蒸發（SDIE）是一種低成本、環保且高效的海水淡化新技術，其核心是太陽能蒸發器，它應該具有高光吸收率、適當的水傳輸速率和低熱損失等優點。隨著光熱材料的光吸收性能接近極限，研究人員已將重點從蒸發器的 2D 結構轉移到 3D 結構，以提高蒸發性能，這包括探索圓柱形、蘑菇形和圓錐形等 3D結構。然而，具有 3D 結構的蒸發器表現出高蒸發性能，導致鹽析出速率增加，這對耐鹽性提出了更高的要求。因此，克服蒸發器表面的鹽分積累仍然是一項巨大的挑戰，尤其是對于 3D 圓柱形蒸發器。因為其蒸發面積指數 （EAI） 較高，EAI 定義為可用于蒸發的總面積與預計地面面積的比率。為了確保蒸發界面處有足夠的水供應，通常在 3D 圓柱形蒸發器中實現自下而上的輸水結構，導致蒸發器上表面形成極端鹽濃度極化和鹽析出

此外，蒸汽壓差，即相對濕度 （RH），是太陽能界面水蒸發研究中影響蒸發性能的重要但經常被忽視的因素，尤其是對于 3D 蒸發器。從動力學的角度來看，水蒸發的本質是水分子的相變過程，由蒸發表面與環境之間的蒸氣壓差驅動。蒸發器的蒸發速率在不同的相對濕度下是不同的，導致蒸發器內有不同的鹽沉積行為。不幸的是，研究人員的地理位置和季節性條件的差異導致沒有標準化的相對濕度來研究蒸發器中的蒸發性能和耐鹽性。這種可變性使得很難比較不同蒸發器的性能。因此，研究不同相對濕度對蒸發器蒸發性能及其耐鹽性的影響也至關重要，這有利于太陽能界面蒸發技術走向實際應用和相應的針對性設計。

中國科學院理化技術研究所嚴開祺、張敬杰等開發了一種新型的 3D 蒸發器，它集成了氣流成紙棒和殼聚糖/CNT （CSC） 氣凝膠，具有獨特的水傳輸通道，旨在促進鹽溶液的徑向傳輸和向頂部邊緣的定向沉積。通過實驗和熱力學計算證明，增加蒸發器的高度可以有效提高蒸發性能。此外，系統研究了相對濕度對 3D 界面蒸發器蒸發性能的影響。在此基礎上，進一步研究了包括材料性質、溶液性質和工作環境對鹽沉積行為的影響，可以指導研究人員根據具體條件進行合理設計，實現邊緣導向的鹽沉積。相關成果以標題“3D cylindrical solar evaporator with radial channels for continuous steam generation and top edge-directional salt deposition”發表在期刊《Chemical Engineering Journal》上。（IF=13.4）

文章第一單位是中國科學院理化技術研究所，第一作者為博士生劉強，通訊作者是嚴開祺研究員、張敬杰研究員。

圖文導讀

圖 1 . （a） R-CSC 復合氣凝膠的制備工藝;（b） 顯示 R-CSC 氣凝膠俯視圖的數字圖像;（C-E）SEM 圖像顯示 R-CSC 氣凝膠三個不同區域的通道寬度;（f） 數字圖像顯示 R-CSC 氣凝膠高度為 1-4 cm 的側視圖;（g-h）顯示 R-CSC 氣凝膠側面的 SEM 圖像;（i） R-CSC 氣凝膠的縱截面。

圖 2 . （a） R-CSC 氣凝膠、CS 氣凝膠和 CNT 的 FTIR 光譜;（b） 濕 R-CSC 水凝膠頂部和側面的光吸收光譜，波數范圍為 200 至 2500 nm;（c） R-CSC 氣凝膠的水接觸角;（d） R-CSC 氣凝膠不同取向之間的透水率比較。

圖 3 . （a） R-CSC 蒸發器的制備過程;（b） 太陽蒸發過程中 3 cm 蒸發器系統的能量平衡圖;（c） 在一種陽光強度下，水和 0-4 cm 蒸發器的質量變化隨時間的變化;（d） 水和 0-4 cm 蒸發器的明暗蒸發速率;（e） 太陽蒸發 1 小時后 SES 和 CES 的平均溫度;（f） 純水和 0-4 cm 蒸發器的凈蒸發速率和相應的太陽能蒸發效率;（g） 太陽能蒸發過程中 0-4 cm 蒸發器的能量計算和相應的太陽能利用效率。

圖 4 . （a） 不同相對濕度下 3 cm 蒸發器的明暗蒸發速率;（b） 不同相對濕度下 3 cm 蒸發器的凈蒸發速率和相應的太陽蒸發效率;（c） 太陽蒸發 1 h 后 SES 和 CES 的平均溫度以及 CES 的初始溫度;（d） 3 cm 蒸發器在不同相對濕度下的能量計算和相應的太陽能利用效率;（e） 不同相對濕度下 3 cm 高度 R-CSC 蒸發器的三維溫度分布數值模擬結果。

圖 5 . （a） D-CSC 和 R-CSC 蒸發器連續運行 48 小時的數碼照片;（b） D-CSC 和 R-CSC 蒸發器連續運行 48 小時的蒸發速率。插圖：D-CSC 和 R-CSC 蒸發器的示意圖;（c） D-CSC 蒸發器連續運行 48 h 時 NaCl 溶液質量濃度 D-CSC 蒸發器頂部邊緣、底部邊緣和散裝水的變化;（d） R-CSC 蒸發器連續運行 48 h 時，NaCl 溶液的質量濃度變化 R-CSC 蒸發器的頂部邊緣、底部邊緣和散裝水;上述實驗均在 5 wt% NaCl 溶液中，在 40 % 相對濕度和一種陽光強度下進行。（e） 太陽能海水淡化過程中 D-CSC 和 R-CSC 蒸發器傳質示意圖;（f） D-CSC 蒸發器長時間運行鹽濃度分布的數值模擬結果;（g） R-CSC 蒸發器長時間運行鹽濃度分布的數值模擬結果。箭頭表示傳質方向。

圖 6 . （a） 在 40% 相對濕度下，R-CSC 蒸發器在不同鹽度 NaCl 溶液中長時間照明的數碼照片;（b） 蒸發器在 40% 相對濕度下在不同鹽度的 NaCl 溶液中運行時，蒸發器底部邊緣、蒸發器頂部邊緣的 NaCl 溶液和散裝水的質量濃度變化;（c） 在 40% 相對濕度下，R-CSC 蒸發器在不同鹽度 NaCl 溶液中的蒸發速率;（d） R-CSC 蒸發器在 65% 和 80% 相對濕度下在 8 wt% NaCl 溶液中長時間照明的數碼照片;（e） R-CSC 蒸發器在 65% 和 80% 相對濕度下在 8 wt% NaCl 溶液中的蒸發速率;（f） 太陽能驅動蒸發器中鹽溶解-沉淀平衡的主導機制。它們相互交織，并受材料特性、溶液特性和工作環境的影響。

結論

綜上所述，通過將氣流成紙棒和 CSC 氣凝膠集成在一起，開發了一種新型的 3D 圓柱形太陽能界面蒸發器。徑向冷凍制備的CSC氣凝膠具有徑向排列的通道結構，有利于鹽溶液在蒸發器內部的徑向傳輸，使鹽分可以定向沉積在蒸發器的頂部邊緣。此外，實驗和熱力學計算表明，增加蒸發器的側面高度可以提高蒸發器的太陽能蒸發效率。并且蒸發器的蒸發性能受環境相對濕度的顯著影響。在此基礎上，進一步研究了影響蒸發器鹽沉積行為的因素，包括材料性質、固溶性質和工作環境。這項工作為利用太陽能界面蒸發技術同時生產清潔水和鹽提供了新的處方，促進了太陽能界面蒸發的研究進一步走向實際應用。

DOI: 10.1016/j.cej.2025.163411

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