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研究背景

水對于地球上所有物種的生存和生長至關重要。然而，地球上只有2.5%的水是淡水，大量的水被困在冰川或地下深處，只有0.06%的淡水可以被使用。此外，淡水短缺和水污染的挑戰(zhàn)因人口快速增長和工業(yè)發(fā)展而加劇。海水淡化技術被認為是解決這些問題的有效解決方案。傳統(tǒng)的脫鹽技術面臨著操作困難、高能耗、高成本和二次污染等問題，限制了其實際應用。

近年來，界面太陽能蒸發(fā)作為一種簡單、有效、低成本和環(huán)境友好的脫鹽技術，通過在空氣-水界面處集中產(chǎn)生的熱量來蒸發(fā)鹽水，引起了人們的極大關注。高性能的太陽能蒸發(fā)器應滿足幾個關鍵條件，例如對寬光譜的高吸收率、低導熱率、高熱容量、以及足夠的水供應。半導體材料、碳材料、有機聚合物等作為光熱材料，由于其優(yōu)異的光熱轉換能力而廣泛用于太陽能脫鹽。最近，氣凝膠和水凝膠由于其多孔三維網(wǎng)狀結構、低密度、上級隔熱性和高親水性而作為太陽能脫鹽中的水傳輸基質，從而獲得了顯著的關注。多孔三維網(wǎng)絡為水的吸收和儲存提供了充足的空間，允許水分子通過毛細作用快速運輸。

蒸發(fā)器表面上鹽的積累對界面太陽能脫鹽的實際應用構成了重大挑戰(zhàn)。在界面蒸發(fā)過程中，鹽離子通過毛細作用被輸送到蒸發(fā)表面，導致表面和本體溶液之間的離子濃度逐漸增加。當離子濃度超過鹽的溶解度極限時，會發(fā)生鹽結晶。因此，供水不足和快速蒸發(fā)率可導致鹽分積累。特別是在高濃度鹵水中，蒸發(fā)與輸運的不平衡直接導致蒸發(fā)面結鹽。鹽的積累不僅阻塞了供水通道，阻礙了水的輸送和蒸汽的釋放，而且還覆蓋了光熱表面，降低了光吸收能力，從而導致蒸發(fā)性能下降。幾十年來，為解決蒸發(fā)器的鹽積累問題已經(jīng)開發(fā)了各種策略，包括表面工程化和分層結構等，這對于實現(xiàn)高太陽能-蒸汽能量轉換效率和優(yōu)化長期穩(wěn)定性至關重要。以前的綜述工作已經(jīng)研究了高效的太陽能吸收材料和蒸發(fā)器的結構，但在凝膠蒸發(fā)器表面的鹽積累方面仍然存在重大的知識空白。

研究結論

本文總結了目前針對高濃度鹽水中太陽能蒸發(fā)器的蒸發(fā)和抗鹽性的主要解決方案，并將其分為三大類：調整分級結構，表面親水/疏水性和凝膠蒸發(fā)器的疏水性。對這些不同的策略進行了比較討論。最后，提出了凝膠蒸發(fā)器的應用前景和發(fā)展方向。

相關成果以“Gel-based evaporators for solar desalination of high concentration brines”為題發(fā)表在《Desalination》上。（JCR一區(qū)，中科院二區(qū)TOP,IF=8.4）。

研究數(shù)據(jù)

圖1。耐鹽凝膠蒸發(fā)器。

圖2。(a)具有垂直通道的納米纖維素氣凝膠蒸發(fā)器的示意圖和在20 wt% NaCl溶液中蒸發(fā)期間鹽沉積在其表面上的真實的照片。(b)具有垂直輻射通道的3D水凝膠蒸發(fā)器EHSC-VR和不同蒸發(fā)器在20 wt%NaCl中的蒸發(fā)速率。(c)仿生鰓3D水凝膠蒸發(fā)器耐鹽機理示意圖及有、無表面溝槽水凝膠蒸發(fā)器表面溶鹽過程對比圖。