耐鹽型太陽能驅動界面光熱材料及蒸發器的研究進展

李吉焱，景艷菊，邢郭宇，劉美辰，龍永，朱照琪

（蘭州理工大學石油化工學院，甘肅 蘭州 730050）

清潔淡水的缺乏是目前普遍的全球性問題，全球有超過三分之一的人口生活在淡水資源緊缺的國家或地區[1]。海水是地球上最豐富的水資源，約占地球表面積的75%，因此海水淡化被認為是解決淡水資源緊缺問題最具發展前景的技術。目前，海水淡化技術中反滲透膜法、多效蒸發、壓氣蒸發、電滲析法、多級閃蒸法、離子交換法和太陽能蒸發等多種脫鹽方法已經得到了很好的發展[2]。尤其是太陽能蒸發因清潔、不消耗常規能源以及成本低廉等優勢引起了研究者們廣泛關注[3]。近年來，為了克服傳統太陽能蒸發過程中對整個水體進行加熱而導致熱損失嚴重，學者們開發了太陽能驅動的界面蒸發技術，即利用太陽能加熱光熱材料表層的空氣-水界面實現局部集熱產生蒸汽[4-5]。該方法提高了太陽能利用效率，已成為海水淡化領域的關鍵技術。

太陽能驅動界面蒸發技術（SDIE）的研究主要集中在強化光熱材料的性能，具體包括：①優異的光捕獲性能，在全光頻范圍內吸收太陽輻射，并轉化為熱量；②良好的孔性能，能夠快速地傳輸水分；③超低的導熱，有效減少熱量向水體擴散造成的能量損失[6-7]。迄今為止，按照上述三項光熱材料性能的設計原則，研究者做了大量的工作來制備和改善光熱材料。主要包括生物質材料[8-12]、碳基材料[6,13-15]、聚合物材料[16-19]、半導體材料[20-23]及天然礦物材料[24-26]等。生物質光熱材料具有成本低廉、比表面積高、環保和可再生等特點，受到研究者的普遍關注，但材料制備的均一性較差，難以有效調控功能特性，推廣受限。半導體光熱材料以使用黑鈦類、銅硫化合物為主，負載在低熱導率的多孔基底上，但由于半導體自身結構的限制，導致大部分半導體光熱材料蒸發效率不顯著，因而限制了半導體光熱材料的進一步發展。貴金屬納米光熱轉換材料中，金和銀等貴金屬納米材料雖然具有較高的光熱轉化性能，但其成本較高，不利于大面積的應用。另外，金屬離子活性較大、易于腐蝕，在陽光的長時間曝曬下不利于長期使用。聚合物光熱材料制備的調控性較強，尤其在制備孔隙發達的光熱材料方面，具有較強的優勢。碳基光熱材料具有寬頻的光吸收特性、質量輕、化學惰性等特點，尤其是石墨烯、空心碳球和氧化石墨烯等因其低廉的成本和良好的加工性能成為研究者們優先選擇的材料。

SDIE 經過近年來的迅速發展，已具備產業化條件。但鹽的積累一直被認為是阻礙利用太陽能界面蒸發進行海水淡化的一大障礙，是太陽能界面蒸發研究的發展瓶頸[27-28]（圖1）。在太陽能光熱蒸發過程中，水分子從液相轉變為氣相，并沿光熱材料的多孔通道遷移，其中的鹽容易結晶而堵塞通道，同時光熱材料表面積累的鹽會遮擋陽光，影響光熱轉換效率[29-30]。

圖1 光熱材料鹽結晶積累現象[31-34]

目前，解決耐鹽的主要方法是將光熱材料制備成垂向多級孔道結構或Janus 結構，這些策略已經被證明是解決耐鹽問題的有效方法。對于垂向大孔材料，鹽分能夠在孔道內回流，對于雙層結構材料，溶液中的鹽離子無法進入或通過材料，從而實現的耐鹽效果。不難看出，這些方法中耐鹽性能的提高主要是通過鹽的回流實現。因此，光熱材料的孔徑大小、曲度以及孔隙率等特征對于設計耐鹽型光熱材料十分重要。目前盡管不同種類、不同孔徑的耐鹽型材料已經被報道了，但事實上并不是所有具備多級孔道結構的光熱材料都具有良好的耐鹽特性和高效的太陽能轉化效率。本文系統全面地總結了近年來報道的耐鹽型光熱材料及蒸發器，并依據不同的設計理念進行了分類，探討了不同耐鹽型光熱材料及蒸發器的耐鹽機理，總結了太陽能界面蒸發過程中為解決鹽結晶問題所存在的共性問題，為設計制造更高效耐鹽型光熱材料及蒸發器提供理論指導和技術支持。耐鹽型光熱材料和蒸發器的設計分類如圖2所示。

圖2 太陽能驅動界面蒸發的耐鹽型光熱材料及蒸發器分類圖

1 耐鹽型光熱材料的設計理念與研究現狀

為了克服太陽能界面蒸發過程中的鹽結晶積累問題，研究者對耐鹽光熱材料的開發進行了研究。從光熱材料的結構和性能設計角度出發，通過調控孔結構、親-疏水性、離子基團等方法實現耐鹽，主要包括親水型垂向多級孔道結構[8,32,35-38]、超疏水涂層[39-40]與Janus 結構[41-45]、離子排斥效應[46-51]等耐鹽型光熱材料。

1.1 物理消融

當鹽結晶在吸收器表面形成時，最直接的方法是物理清洗，但外力沖洗對蒸發器會造成不同程度的損傷，更適合于柔性設備。Kou 等[52]利用碳納米管基墨水對棉織物進行染色制得的蒸發器在經手洗后可去除表面的鹽分，在洗滌15 次后仍能保持相對穩定的性能。Zhu 等[53]設計的可清洗的碳納米管包覆聚丙烯腈非織造布具有1.44kg/(m2·h)的海水蒸發速率，在高濃度鹽水中蒸發后形成的鹽結晶可通過手洗去除[圖3(a)]，且洗滌過程對蒸發性能幾乎沒有影響，具有良好的耐久性。但這種清洗方法治標不治本，在實際操作中效果不佳，還會增加成本。自消融是消除蒸發器表面鹽結晶的一種簡便方法，主要依賴于蒸發器中豐富的輸水通道和良好的親水性，使鹽結晶在間歇操作時間內溶解在海水中，通常可以通過開關燈（或白天和黑夜）的交替來實現。Yang等[54]使用碳纖維和藜麥糠纖維素納米片制成的多功能蒸發器具有良好的夜間鹽自動消融能力，在3.5%和7.0%NaCl 溶液中工作12h 后，樣品表面出現大量的鹽結晶，但在靜置一段時間后，表面鹽會自動溶解，這是因為豐富的輸水通道和良好的吸水能力幫助鹽垢在間歇時間返回到模擬海水中。

圖3 耐鹽型光熱材料

但以上方法中鹽在蒸發器表面的逐漸沉積不但降低了其蒸發性能，而且限制了蒸發器的有效操作時間，不適用于大規模和連續生產。因此在高效蒸發的同時排斥鹽分的太陽能蒸發器可以節省人力和物力，更具有實用價值。

1.2 親水型垂向多級孔道結構設計

隨著蒸發器表面的鹽濃度不斷增高，鹽分會因為濃度梯度而自發擴散回散裝溶液中，因此增強鹽分的逆向擴散是防止鹽結晶產生的一個有效策略[55]。在前期研究工作中，本文作者課題組曾利用微波和堿處理玉米秸稈制備了具有垂直通道結構的超親水光熱材料[圖3(b)]。優異的親水性能、排列有序的分層通道和大的孔徑賦予它們優良的耐鹽性，在20%NaCl溶液中進行連續6h的蒸發實驗中，樣品表面沒有明顯的鹽結晶析出，在室溫下繼續觀察30 天，未在其表面發現鹽結晶[10]。在這項工作的基礎上，通過離子液體輔助微晶纖維素的排列，制得具有垂直排列通道的蒸發器。由于特定的通道結構、高孔隙率和超親水性，該蒸發器具有良好的耐鹽性（20 天無結晶）[56]。Hu 等[32]將天然木頭鉆孔，并對其表面進行碳化，在太陽能驅動下，由于孔隙不同而引起水傳輸動力的差異，在毫米級的鉆孔通道（低鹽濃度）和微米級的天然木材通道（高鹽濃度）之間形成了鹽濃度梯度，從而產生鹽的交換和回流，有效地防止了光熱材料的鹽結晶積累問題。此外Hu 的團隊[31]展示的另一雙峰多孔結構的太陽能蒸發器依賴于大容量通道的快速毛細管抽水以及微通道之間的水擴散和對流，可以快速補充表面汽化的鹽水，避免了鹽分的積累，同樣具有優異的耐鹽性。Xu 等[57]設計的多功能多孔陶瓷復合材料具有超親水性、大孔特征、三維互連多孔結構和高孔隙等特點，其中大孔為海水的流動提供通道，高孔隙率保證足量的海水通量，超親水性提供了快速的水傳輸能力。基于此，蒸發過程中鹽結晶沒有足夠的時間沉積在樣品表面，使該蒸發器具有優異的耐鹽性。

親水型垂向多級孔道結構設計，使光熱材料具有優異的水傳輸能力，提供了高效的水供應和離子擴散通道，促進鹽離子在濃度梯度的驅動下從頂部向底部水遷移，稀釋蒸發區域內的高濃度鹽水，防止鹽結晶的產生。因此增強蒸發器的親水特性和合理設計水的運輸通道對于提高材料的耐鹽性十分重要，但溶液在逆流擴散的過程中會損失掉一部分熱量，這對于蒸發是不利的。

1.3 超疏水涂層設計

對吸收器表面的超疏水性設計是海水淡化過程中防止鹽結晶的一種直接策略，其核心技術是阻斷鹽離子向光吸收表面的傳輸，以避免鹽的形成。具體的設計類型又可分為獨立的超疏水膜結構和Janus結構。

對于疏水性膜，由于其疏水性，在蒸發器與溶液接觸的表面將形成一層氣膜，海水不能進入其內部，以避免鹽的形成。Zhang 等[58]制備了一種疏水和多孔的碳納米纖維（HPCNF）作為太陽能蒸發器，HPCNF 的水接觸角為145°，出色的疏水性使其具有優異的耐鹽性能，在20%NaCl 溶液中蒸發6h 后在其表面沒有鹽結晶析出，在戶外實驗中，進行為期31 天的蒸發實驗，也未有鹽結晶析出。超疏水性膜結構的設計雖然可以有效防止鹽結晶的產生，但薄膜直接浸泡在水中會散失熱量。基于此，研究者開發了Janus蒸發器。

Janus 蒸發器具有不對稱特性結構，由頂部超疏水層和底部親水基底組成。超疏水層用于吸收太陽能，親水層用于水傳輸。疏水表面擁有非潤濕的特點，可以防止鹽水的滲透，鹽離子集中和成核只發生在親水層。即使沉積的鹽晶體呈現在這一層，也可以通過水的對流傳輸逐漸溶解。Xu 等[42]首次證明Janus 蒸發器可以實現穩定和高效的太陽能脫鹽，所制備的柔性Janus 蒸發器，疏水層由碳黑納米顆粒和聚甲基丙烯酸甲酯組成，碳納米顆粒的沉積并不影響其疏水性，下層的親水聚丙烯腈層用于供水，在16 天的耐鹽實驗測試中，該蒸發器顯示出良好的穩定性，在內部和表面均未觀察到鹽。Hu 等[42]報道了一種基于SiO2/纖維素納米纖維/碳納米管混合網絡的Janus蒸發器[圖3(c)]，六甲基二硅氮烷處理的二氧化硅用作疏水涂層，疏水角為148°，在長達100h的脫鹽測試中（3.5%NaCl溶液）表現出穩定的蒸發速率，太陽能轉換效率超過80%。而在12%NaCl 溶液中進行6h 的耐鹽測試過程中，蒸發器表面也沒有明顯的鹽沉積。在近期的報道中，Alam 等[43]利用廢舊棉織物與碳納米管制備的具有Janus 結構的復合氣凝膠具有穩定和可控的親水/疏水層厚度，在水接觸角的時變測量過程中，親水層的水滴在10ms 內迅速消失，而疏水層水滴停留300s 時的接觸角約為147°，表現出優異的疏水性。在海水中進行10h的蒸發測試中，蒸發器表現出1.7～1.75kg/(m2·h)的蒸發速率，且在蒸發器上沒有鹽顆粒產生。Li等[44]制備了具有光熱響應性的自除垢Janus 納米纖維蒸發器，在白天，該蒸發器顯示出類似于傳統Janus 蒸發器的不對稱潤濕性，在蒸發器中具有蒸發/結垢界面，防止鹽在頂部表面積聚。到了晚上，該蒸發器變得完全親水，能夠沖洗整個蒸發器。基于此，該蒸發器在20%NaCl 溶液中表現出良好的耐久性，連續運行5 天，蒸發速率僅略有下降。基于對Janus 蒸發器開發的現狀進行分析，不難發現，將親水材料的表面通過簡單的、低成本的超疏水改性，使溶液中的鹽離子無法進入或通過材料，是增強光熱材料耐鹽性的一種有效的策略。但同時要盡量減少不利影響，如超疏水的改性要避免降低材料的光吸收能力和堵塞孔道結構。

疏水性表面設計雖然可以有效防止鹽結晶的產生，但目前的疏水設計大部分為二維材料，今后的工作可以更多地考慮設計疏水性三維太陽能蒸發器，使其具有更優異的性能。此外，利用光電響應設計的Janus 蒸發器是今后工作的另一研究方向，而疏水改性或多或少會增加額外的成本，因此在保證優異性能的同時要盡可能使成本更低。

1.4 離子排斥效應

通過基于Daonan 排斥效應來調節材料的表面電荷也可防止蒸發器表面鹽結晶的產生，當水分子通過蒸發器時，鹽溶液中的離子會被材料中與之相同電荷的離子排斥，從而抑制鹽結晶的產生[46-47]。例如Li 團隊[46]基于聚(離子液體)單體和煙灰炭制備的Janus太陽能蒸發器具有優異的耐鹽性。聚(離子液體)的咪唑基陽離子對鹽溶液中陽離子的排斥以及Janus結構共同賦予了該蒸發器優異的抗鹽性能，使得該蒸發器在20% NaCl 溶液中進行6h的蒸發實驗中未有鹽結晶的產生。

Liu 等[48]以商用油墨和硅藻土為原料，制備的太陽能蒸發器依賴于硅藻土對溶液中陽離子的阻隔作用使鹽離子的轉運受到抑制，蒸發器界面的鹽離子濃度長期保持較低水平，故而有效地抑制了鹽結晶的產生。Ge 等[49]制備的導電聚合物氣凝膠，由于帶正電荷的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)可以攔截氯離子，從而抑制了鹽結晶的形成。生物炭中的官能團可以通過靜電吸引、絡合、金屬-π 相互作用和離子交換來結合鹽水中的金屬離子，提高材料的耐鹽性[50]。Zeng等[51]提出的離子泵效應是一種可同時實現高通量和排鹽的新液體供應機制，為證實這一機制，他們將聚丙烯酸鈉[P(SA)]嵌入微孔基質中制備了一種聚電解質水凝膠泡沫（PHF），在72h 的耐鹽測試中，PHF表面沒有明顯的鹽分沉積。這主要是因為P(SA)的高離子強度使得大部分鹽離子在鹽水/泡沫界面被排斥，雖然有少量鹽滲入到PHF中，但它們被P(SA)鏈中的帶電基團（CH2CHCOO-和Na+）捕獲[圖3(d)]。這一效應有望用于需要高通量和良好防污能力的各種化學傳輸和分離過程。

對比不同設計原理，不難發現，光熱材料耐鹽性能的提高主要是通過鹽的回流實現。因此，光熱材料的孔徑大小、曲度以及孔隙率等特征對于設計耐鹽型光熱材料具有重要的影響。目前盡管不同種類、不同孔徑的耐鹽型材料已經被報道了，但事實上并不是所有具備上述設計要點的光熱材料都具有良好的耐鹽特性和高效的太陽能轉化效率。并且，制備不同材質的耐鹽型光熱材料，需要對材料進行多種測試并不斷擬合修正才能最終確定孔隙閾值，實現過程繁瑣。另外，隨著水分蒸發，鹽分并沒有分離出蒸發體系，而是進行聚集并逐漸形成結晶，最終堵塞材料孔隙，這是對光熱材料在長效耐鹽性能方面的重大挑戰。

2 耐鹽型蒸發器的設計理念與研究現狀

在蒸發過程中，擺脫光熱材料本身的束縛，將溶液中的鹽遷移出蒸發體系，不失為增強耐鹽性的另一有效方法。從這一角度設計理念出發，研究者除了在光熱材料上進行耐鹽性設計，還在整個蒸發體系內尋找提升耐鹽性能的突破點，設計具有高效耐鹽性能的蒸發器。目前，研究者通過調控鹽溶液的溶度和鹽的結晶位置已設計了多種耐鹽型蒸發器，具體包括高濃度鹽水分離設計[34,59-60]和遷移-定位結晶[33,61-66]等耐鹽型太陽能界面蒸發器。

2.1 分離高濃度鹽水式太陽能蒸發器

Zhang 等[59-60]提出了一種流體光熱結構，通過操縱單向的海水流體，在鹽濃度達到結晶極限之前將濃縮后的鹽水排出蒸發系統，從而消除了鹽在太陽能蒸發器表面沉淀的可能性，在長期的蒸發過程中完全防止鹽分的產生。該團隊[59]首先提出了一種由MOF衍生的介孔碳片（MC-NFAs），作為從鹽水流中高效提取清潔水的太陽能-熱能橋梁，采用該裝置在鹽水（3.5%）中持續150min 的蒸發過程中可以提供高于1.6kg/(m2·h)的水提取率，經過50 次的水提取循環，MC-NFAs 表面沒有鹽結晶的產生。此外，該流體系統對一些不溶性雜質（如藻類和懸浮顆粒）也可以起到過濾作用。隨后他們[60]用聚苯胺/纖維素紙雙層結構（PANI/CP）證明了這種獨特的流體光熱結構。PANI/CP 在潤濕狀態下具有98%高吸光度，在1 個太陽下的平均蒸發率高達1.56kg/(m2·h)，在100h 的耐鹽測試中，流體光熱結構有效防止了鹽的形成，其性能沒有明顯的下降。流體光熱結構對很多平面太陽能蒸發器具有普遍的適用性，這對于海水淡化過程中的長期耐鹽具有重要的意義，除此之外，該裝置可以同步發電。

Liu 等[34]設計了一種通過懸掛織物的間歇接觸蒸發系統[圖4(a)]，織物的兩端置于海水箱中，通過毛細作用傳輸水流。弧形織物的上下表面暴露于空氣中，在防止熱量損失的同時進行雙面蒸發，使得該蒸發器具有1.94kg/(m2·h)的蒸發速率。在該系統中，懸掛織物成弧形，在太陽能蒸發過程中，高濃度的鹽水聚集在弧形織物的底層，最后掉下來收集。在21%的NaCl 溶液中進行12h的蒸發過程中，蒸發速率一直保持在1.9kg/(m2·h)左右，同時織物上未曾觀察到鹽的積累。隨后Liu 等[67]受向日葵啟發制備了分層的聚丙烯腈@硫化銅（PAN@CuS）織物，并開發了一個各向異性的蒸發模型。夾層的棉織物（PAN@CuS/棉/PAN@CuS）的兩個邊緣固定在不同高度的水箱中。高處的水箱里裝滿了海水，而低處的水箱最初是空的，用來收集濃縮后的鹽水。當織物的傾斜角為30°時，蒸發率達到2.23kg/(m2·h)，并且在整個100h的蒸發試驗中幾乎保持不變，織物表面沒有出現固體鹽晶體，這是因為傾斜的織物使海水中的溶質有效轉移和富集，從而避免了固體鹽在織物上的結晶。與傳統的浮動模型相比，各向異性模型在實際的太陽能脫鹽方面顯示出巨大的優勢。

2.2 定位-遷移結晶太陽能蒸發器

雖然在蒸發過程中排出濃縮鹽水可以防止鹽結晶的產生，但高濃度鹽水會流回散裝水中，而不是被收集。在這種情況下，獲得寶貴礦產資源的機會被浪費了，而且濃縮鹽水的直接排放可能造成環境污染。因此控制鹽結晶的位置，實現在空間上將鹽的結晶與水的蒸發隔離是一個有效的策略，可以將鹽的沉淀影響降到最低。

蒸發器內部產生的溫度梯度會誘發馬蘭戈尼效應，加速水從蒸發器底部向頂部流動的速度，導致海水蒸發過程中蒸發器上特定位置的鹽結晶。基于此效應，Wu 等[61]設計了一種仿生3D 太陽能蒸發器，在一個太陽的照射下可以達到2.63kg/(m2·h)的高蒸發速率和大于96%的太陽能轉換效率。在高濃度鹽水（25% NaCl）中，鹽結晶發生在蒸發器的頂點位置，而頂點的鹽結晶對于蒸發器的性能幾乎沒有影響。此外仿生3D 蒸發器還可以凈化高濃度重金屬溶液（10%CoCl2，20%CuSO4·5H2O），表明其在未來具有極大的應用潛力。Gao 等[62]制備的蜂窩狀織物具有倒金字塔形狀，鹽結晶更容易沉積在蜂窩單元的頂部，通過在暗場中的自然溶解去除。在20%NaCl 溶液中，蒸發速率可達到1.92kg/(m2·h)。Shao 等[63]報道了一種新型多級被動式太陽能蒸發器，結晶與蒸餾在蒸發器的不同區域分開進行，在36h的連續測試中，蒸餾區的鹽度被限制在12%以下，結晶鹽僅在裝置外部積累。

Xia 等[33]設計的太陽能蒸發器由蒸發盤和用于傳輸溶液的棉線組成，其中蒸發盤是由吸光層（碳納米管）、水擴散層（超親水濾紙）和隔熱層（多孔聚苯乙烯泡沫）所組成。這種蒸發器主要是通過調整鹽溶液在光熱材料中的運輸和分布，促使鹽結晶在蒸發盤的邊緣優先結晶，并在重力的作用下實現鹽的分離和收集，可以實現從其他鹽溶液（如Na2SO4、KCl、CuSO4、CoCl2）中 收 集 鹽。在 連 續600h 的水蒸發和鹽收集的測試中，鹽結晶只發生在蒸發盤的邊緣，在整個過程中水的蒸發速率基本保持穩定。該系統的提出對于太陽能蒸發器在可持續海水淡化、廢水資源回收等方面的實際應用具有十分重要的參考價值。

Shi 等[64]利用硅/碳/硅（SCS）三層共軸纖維膜制備了一個杯狀光熱結構作為三維太陽蒸發器，鹽結晶只發生在3D 杯狀結構的壁面部分，在不高于15%的鹽溶液中長期運轉（超過72h）時，杯底不會有鹽結晶的析出，杯壁的結晶可以使用刮刀去除以實現鹽結晶的收集。更有趣的是即使在25%的極高鹽濃度下運行，在120h 內水蒸發速率不會出現明顯的下降。這種蒸發器的設計理念為處理高濃度鹽水過程中實現零液排提供了一種有前景的技術。Xu等[65]展示了一種基于紙張的太陽能蒸發器，通過調節吸收器內的水平鹽濃度梯度來實現局部表面鹽沉淀，鹽優先析出在蒸發器的外圍，成功解決了鹽結晶問題，同時實現鹽的回收。在10%的鹽溶液中，一天中該蒸發器可以實現40.3%的集水效率和400g/m2的產鹽量。值得關注的是，該裝置還有望收集其他礦物鹽和微量元素。

針對目前大部分開發的光熱材料不具備耐鹽特性，本文作者課題組[66]基于咖啡環效應，設計了一個簡單的遷移結晶裝置[圖4(b)]，以日常生活中最常見的親水性材料作為鹽遷移載體，配備在耐鹽效果欠佳的光熱材料邊緣，在15 天的耐鹽測試中，材料表面無鹽結晶，且能夠保持高效的光熱轉換效率，初步實現了光熱材料耐鹽性能的改善。該設計操作簡單，成本低廉，在海水淡化領域具有巨大的應用前景。

2.3 非接觸式太陽能蒸發器

將蒸發器與溶液隔離是防止鹽結晶問題的策略之一。傳統的蒸發器因為溶液與蒸發器直接接觸進行熱傳導，難免會出現鹽結晶現象。在非接觸蒸發器中，采用熱輻射和對流傳熱來代替熱傳導進行傳熱可以防止鹽結晶的產生。Cooper等[68]開發了一個實驗室規模的非接觸式太陽能蒸發結構，由蓄水池、吸收器、發射器、過熱器等組成，結構相對復雜。在一個太陽下運行8h 使得100g 的3.5% NaCl溶液完全蒸發，蒸發器表面也沒有鹽結晶的析出，足以證明該無接觸蒸發器是完全耐鹽的。Bian等[69]提出了一種太陽能熱光汽化器（STPV），如圖4(c)所示，STPV主要由氣泡膜、吸收/發射器和支柱組成。該研究利用紅外光子作為熱源，可以在鹽分積累的情況下穩定地蒸發水。當處理20%的鹽水時，STPV 可以從沉積的鹽層中穩定地蒸發水[在2 個太陽下的蒸發速率穩定在1.19kg/(m2·h)]。Xu等[70]展示了一種受睡蓮啟發的分層結構（WHS），該裝置由頂部太陽能吸收器和底部支架組成。太陽能吸收器的分層設計在吸收太陽光的同時排除水汽。類似于睡蓮的疏水表面使得水不能進入吸收器，而是在中間位置形成一個薄水層。在10%鹽水中進行8h 的蒸發測試，WHS 的表面保持清潔，同時蒸發速率保持著較高水平。這充分說明WHS 可以用來處理高鹽度鹽水或高濃度廢水。

2.4 自旋轉式太陽能蒸發器

在高濃度鹽水中蒸發時，隨著時間推移，鹽結晶開始在蒸發器的頂部析出，當析出一定量的鹽結晶時，蒸發器的受力平衡被打破促使其自動旋轉，析出的鹽結晶重新溶解在溶液中，新的蒸發面將繼續進行蒸發。依據這一原理，研究者們設計了圓柱形[71][圖4(d)]和球形[72]自轉式蒸發器以實現長期的耐鹽。圓柱形蒸發器需要在鹽結晶達到足夠的質量時才能觸發自旋轉，積累的鹽結晶會阻擋光的吸收。同時在旋轉后需要重新加熱蒸發面，會造成部分熱量的損失，這導致其蒸發速率[1.41kg/(m2·h)]并不是很高。不同的是后者對于質量不平衡的敏感度更高（僅15mg的鹽積累就可觸發蒸發器的自旋轉），縮短了鹽結晶對光的遮擋時間，雙蒸發區結構在降低熱損失的同時可從環境吸收熱量，加之大的蒸發表面積使其即使在20% NaCl溶液中也具有2.06kg/(m2·h)的高蒸發速率。

3 耐鹽型光熱材料及蒸發器的性能分析

通過對光熱材料耐鹽性設計的原理進行梳理（表1）和對不同鹽濃度的蒸發速率進行對比（圖5），不難發現，目前對光熱材料耐鹽性評價的標準主要是在鹽溶液中進行蒸發測試過程中樣品表面的鹽結晶程度及測試過程中的蒸發速率。其中，鹽溶液的最低濃度普遍采用的是海水中NaCl 的平均濃度3.5%，蒸發實驗所持續的時間較長，為了縮短測試時間同時考察更極端條件下的耐鹽性能，研究者通常將鹽溶液的濃度進行提升，20% NaCl 溶液和25% NaCl 在耐鹽性測試中被廣泛使用，部分實驗中對光照強度也適當地加強。而耐受周期的測試一般分兩種測試環境：一種是在模擬光源（一般為1kW/m2）的照射下，進行長時間（6～15h）的連續蒸發測試；另一種是在室溫條件下進行長效耐鹽性測試，時間周期一般在10～30 天左右。檢驗光熱材料在經過不同時間周期和不同濃度鹽溶液的耐鹽性測試后，光熱蒸發速率和蒸發效率的變化情況是對其耐鹽性優劣的重要佐證。非耐鹽型光熱材料經過鹽溶液蒸發測試后，蒸發速率和蒸發效率會明顯降低，而耐鹽型光熱材料的蒸發速率和蒸發效率一般不受影響。對目前已發表的耐鹽型光熱材料的蒸發速率進行分析，經親水-垂向多級孔道結構耐鹽性設計的光熱材料，其蒸發速率和耐鹽性能相對優于其他設計方法，具有較明顯的優勢。

圖5 不同鹽濃度的蒸發速率對比圖

4 結語與展望

SDIE 作為一種綠色、環保、清潔、高效的新興凈水技術，有望成為解決全球水資源短缺問題的有效方法。但目前研究的蒸發器在實際運行過程中不可避免地會出現鹽的結晶積累，從而降低蒸發效率，甚至導致蒸發器報廢。本文綜合分析前人的研究成果，通過對耐鹽型SDIE 的最新研究進展的系統性梳理，對目前該領域存在的共性問題的進行提煉。不難看出，光熱材料耐鹽性能的提高主要依靠光熱材料本身的孔性能和浸潤性以實現鹽離子的有效回流和擴散。其最主要的特征在于太陽能蒸發體系內鹽離子以閉合的方式循環，這對光熱材料本身耐鹽性能的長效性提出了極大的挑戰。隨著SDIE的不斷發展和優化，各類設計策略在解決耐鹽問題中發揮著重要的作用。然而，對于解決鹽結晶問題，太陽能界面蒸發目前仍存在以下幾點共性問題。

（1）高效的太陽能蒸發光熱材料依賴于材料本身的光吸收性能、孔性能、隔熱性能等因素的協同作用，但這些特性對光熱材料耐鹽穩定性存在的影響并不明確。尤其是光熱材料的孔徑大小、曲度以及孔隙率等特征對于設計耐鹽型光熱材料具有重要的影響。因此，在今后的研究中需要進一步深入、系統地分析光熱材料的孔性能與鹽結晶規律的相互作用機理。

（2）通過改變材料孔性能并不能從根本上解決光熱材料的耐鹽問題，因為隨著水分的蒸發，鹽分并沒有分離出蒸發體系。隨著鹽分的聚集，結晶會逐漸形成，是光熱材料長效耐鹽性能方面的重大挑戰。因此，進一步開發具有魯棒性的長效耐鹽型太陽能蒸發器，仍然是該方向上需要重點解決的瓶頸問題。

（3）大多數耐鹽性的測試是在模擬海水或實驗室配置的NaCl 溶液中進行，而真實水體環境中存在各種酸、堿、鹽、有機污染物和微生物，會嚴重影響光熱材料和蒸發器的長期穩定性。目前報道的耐鹽型太陽能界面蒸發器由于缺乏在復雜環境下運行的實驗經驗以及對影響蒸發器中水/蒸汽輸送的微觀機制的不明確導致現有的技術水平與實際應用之間存在較大差距。因此未來的研究可能需要對SDIE 的實際應用進行可行性研究，并不斷反饋完善耐鹽型太陽能驅動界面光熱材料及蒸發器的設計與開發，來解決惡劣環境中的鹽結晶問題。