基于蒸发面与水泵分离策略的太阳能蒸发器效率提升与抗盐垢机制研究

本研究针对太阳能驱动海水淡化中存在的效率低、盐垢沉积和热损失等问题，创新性地提出蒸发面与水泵分离的设计方案。通过温度响应性水凝胶（PNIPAm/PDMS）实现无动力水输送，结合浮动石墨烯复合纸（GCP）蒸发面自动追光，显著提升蒸发速率（30%），同时有效抑制盐结晶。该成果发表于《Materials Today Sustainability》，为可持续海水淡化技术提供了新思路。

　　

随着全球淡水资源的日益紧缺，太阳能驱动海水淡化技术因其零碳排放和可持续性成为研究热点。然而，传统太阳能蒸发器面临三大挑战：蒸发效率低、盐分结晶堵塞水路以及热损失严重。这些问题如同"三座大山"，阻碍了该技术的实际应用。以盐结晶为例，随着海水蒸发，溶解的盐类会在蒸发表面沉积，形成矿物结垢，不仅降低蒸发效率，还会造成设备损坏。

针对这些难题，来自韩国中央大学（Chung-Ang University）的Hoyeon Kim、GyuHeon Im和Jonghwi Lee团队在《Materials Today Sustainability》发表了一项创新研究。他们设计了一种革命性的太阳能蒸发器，首次将蒸发面与水输送系统物理分离，同时整合了温度响应性材料和智能追光系统，实现了效率提升与抗盐垢的双重突破。

研究人员运用了四项关键技术：1）定向冷冻-冻干法制备具有排列孔道的水凝胶（PNIPAm）；2）聚二甲基硅氧烷（PDMS）渗透构建复合阀门结构（PNPD）；3）石墨烯氧化物还原技术制备光热蒸发面（GCP）；4）基于昼夜温差的自主水输送系统。这些技术的协同作用使得系统能够在无需外部能源的情况下高效运作。

研究结果部分，作者通过系列实验验证了新设计的优越性：

1. 1.

   水输送与蒸发机制

   温度响应性水凝胶（PNIPAm/PDMS）在夜间低温时膨胀吸水，白天温度升高时收缩排水，其排列孔道结构使水通量达到传统随机孔结构的9倍。结合PDMS阀门，水泵效率高达86.3%。浮动式石墨烯复合纸（GCP）蒸发面可随水位变化自动调节倾角（θ_e），使太阳光吸收效率提升30%。

2. 2.

   响应性水凝胶与GCP特性

   扫描电镜显示，定向冷冻形成的排列孔道呈现独特的"鱼骨状"互连结构（图2c）。这种结构显著提高了水凝胶的溶胀比和响应速度。GCP经拉曼光谱证实成功还原，其表面温度比未涂层滤纸高15°C以上，光吸收范围覆盖300-2100 nm。

3. 3.

   太阳能蒸发器设计优化

   分离设计使蒸发面温度比传统设计高10°C（图3），有效减少热损失。户外测试显示，当GCP表面温度达50.9°C时，PNPD温度仍低于35°C，确保水凝胶阀门正常运作。盐结晶仅发生在蒸发腔底部，不会阻塞水路。

4. 4.

   户外性能验证

   在韩国秋季实际环境测试中（19-29°C），系统每日可完成完整蒸发循环。PNPD-low在低温季节表现更佳，其低临界溶解温度（LCST=13°C）适应寒冷气候。积盐以"天然盐田"形式沉积于腔体底部，可手动清除（图S10）。

这项研究通过创新的分离设计解决了太阳能蒸发领域的关键难题：1）水输送系统保持与海水相同的盐度和温度，从根本上预防盐结晶；2）隔离的蒸发腔最大限度减少热损失；3）自调节追光系统提升能量捕获效率。相比传统设计，新系统在保持高蒸发率（1.51 kg/m²·h）的同时，实现了长期抗污垢性能，为可持续海水淡化提供了切实可行的解决方案。

特别值得注意的是，该系统全部采用低成本材料（石墨烯仅需覆盖滤纸表面），且无需外部能源输入，具有显著的商业化潜力。正如作者指出，未来通过计算模型优化水通量与蒸发效率的平衡，可进一步提升系统性能。这项研究不仅为太阳能蒸发技术开辟了新路径，也为其他需要抗结垢和高效热管理的液-气相变系统提供了重要参考。