近日，星空无限传媒郭瑶瑶作品郑宏飞教授课题组在《Nature》子刊《Nature Water》上发表文章“Passive solar desalination towards high efficiency and salt rejection via a reverse-evaporating water layer of millimetre-scale thickness”。论文针对逆向蒸馏过程中结盐的问题，从工程热物理的传统工科角度，不采用任何昂贵新材料或催化剂等，提出了一种基于水层逆向蒸发的太阳能蒸馏方法，在海水淡化过程中同时实现了高效率蒸馏和可持续抗盐，有助于推动逆向蒸馏系统可持续、规模化的实际应用。星空无限传媒郭瑶瑶作品为论文的唯一署名单位，机械与车辆学院博士研究生祝子夜为论文的第一作者，熊建银研究员、孔慧副研究员和马兴龙副研究员为论文的共同通讯作者。
太阳能海水淡化是缓解全世界范围内淡水短缺的有效方法，同时助力于碳中和目标的实现。近期，由太阳能驱动的逆向蒸馏方式展现出了令人惊叹的产水性能，其能量转化效率远超传统太阳能蒸馏方式。然而，现有逆向蒸馏系统的高蒸发速率导致了海水中的盐离子在蒸发材料表面结晶，影响了系统的可持续性，严重阻碍了其长期大规模的实际应用。为此，文章提出了一种基于水层逆向蒸发的太阳能蒸馏方法。在这项工作中，使用太阳能吸收器、微孔疏水膜、不锈钢支撑网形成一个具有一定厚度的稳定水层。这一水层替代了以往研究逆向蒸馏系统中的亲水材料，同时实现逆向蒸发功能和抗盐功能。一个位于高处的供水体通过连通的管路在重力的驱动下自动地给水层持续补水。水层的上方和下方分别设置透明的对流盖板和冷凝铝板以分别实现隔热和冷凝功能。此外，将多个水层叠层放置形成具有回热功能的多级逆向蒸馏结构。
图1. 太阳能驱动的蒸馏模式 (a)传统蒸馏；(b)基于亲水材料的逆向蒸馏；(c)基于水层的逆向蒸馏.
在研究过程中，作者明确了影响系统热性能的三个关键参数：顶部空气层厚度、水层厚度以及传质层厚度，并建立了一套理论模型，以能量转化效率为目标来优化结构参数。其中，水层厚度在影响系统热性能的同时也影响着发生结盐的风险。水层厚度越大，发生结盐的风险越低，但与此同时能量转化效率会更低。因此，需要权衡水层厚度，考虑如何在水层厚度尽可能小的情况下也能够实现抗盐功能。事实上，水层相比亲水材料的最大优势在于水自由流动的特点。在水层中，通过重力可以便捷地诱发水层内部各处具有不同盐度的水的流动。针对这一特点开发出了两种抗盐和排盐的运行模式，将原本水平放置的装置向上方和下方分别倾斜以构建水层内部的盐水流动，实现抗盐和排盐的功能。
图2. 单级装置实验与仿真 (a)-(c) 三种运行模式；(d)-(f) 盐度实验结果；(g)-(i) 蒸发表面盐度仿真结果.
研究揭示了逆向蒸馏系统发生结盐的机理并以可视化的方式诠释了基于水层的逆向蒸馏装置抗盐与排盐的原理。实验结果表明，单级蒸馏装置在常规3.5 wt%盐水环境下实现了60.6 %的太阳能到水的转化效率，并在21 wt%浓盐水环境下以47.4 %的效率可持续地蒸馏。具有10级水层回热结构的装置在常规3.5 wt%盐水环境下取得了354 %的高效率，并在每一级水层中都成功实现了抗盐功能。
图3. 10级装置实验 (a) 10级装置结构原理；(b) 室内实验结果；(c) 10级装置；(d) 室外实验结果；(e) 室内实验平台；(f) 产水与盐度结果；(g) 温度结果；(h) 室外实验平台.
研究从热质传递、流体流动的角度对太阳能驱动的逆向蒸馏系统提出了新的见解，解决了目前高效逆向蒸馏系统中难以克服的结盐问题，极大地促进了逆向蒸馏系统可持续、规模化的实际应用，有助于推动这类海水淡化系统投产落地。未来，对于太阳能蒸馏系统，在开发新材料不断突破效率瓶颈和改善系统可持续性的同时，还可以重点开发新的蒸馏模式，设计新系统并探索新结构，以实现新的功能、追求卓越性能。
上述研究工作得到国家自然科学基金、北京市自然科学基金、星空无限传媒郭瑶瑶作品学术启动计划项目等支持。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s44221-023-00125-1
论文详情:Ziye Zhu, Hongfei Zheng, Hui Kong*, Xinglong Ma*, Jianyin Xiong*. Passive solar desalination towards high efficiency and salt rejection via a reverse-evaporating water layer of millimetre-scale thickness. Nature Water (2023). https://doi.org/10.1038/s44221-023-00125-1
