基于马兰戈尼效应定向结晶的水凝胶-毡布互锁蒸发器实现高效耐用太阳能海水淡化

《Desalination》：An interlocked hydrogel-felt evaporator with Marangoni-driven directional salt crystallization for durable and high-efficiency solar desalination

本文报道了一种结构创新的混合水凝胶-毡布蒸发器，通过机械互锁-交联-毛细耦合策略构建分级水通道，利用微曲蒸发面诱导定向马兰戈尼流（Marangoni flow）实现自主盐传输与结晶控制。该设计集成高效光热转换、持续流体动力学和柔性盐分离功能，在1太阳光照下实现3.16 kg m?2 h?1蒸发速率和95.2%光热效率，在25 wt%盐水中稳定运行8周期，兼具优异化学稳定性和1.2 kg m?2 day?1产盐率，为可持续淡水生产提供新路径。

　　

章节精选

化学品与材料

化学试剂如海藻酸钠（SA）购自上海麦克林生化科技有限公司。聚乙烯醇（PVA）由默克化学技术有限公司提供。氯化钙（CaCl₂，纯度>99%）采购自天津大茂化学试剂厂。硫脲（CH₄N₂S）来源于上海麦克林生化科技有限公司。四水合钼酸铵（(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O）购自天津科密欧化学试剂有限公司。所有溶液均使用超纯水配制。

水凝胶涂层的制备、组分优化与孔结构表征

与传统依赖固定容器的水凝胶制备方法不同，本研究提出基于CaCl₂交联的可扩展策略用于大规模生产混合水凝胶涂层（HHCs）。通过一步水热法合成光热材料MoS₂，形成直径200-300纳米的类花状微球，其层间距达8.96埃，呈现1T/2H混合相。将MoS₂纳米片分散于SA/PVA混合溶液后，通过机械纺丝涂覆到纤维毡基底上，经Ca²⁺交联形成具有分级孔隙的互锁结构。该设计通过调控SA/PVA比例与双交联网络，有效促进中间水形成并降低蒸发焓，同时微曲表面诱导的马兰戈尼流实现了定向盐结晶控制。

结论

总而言之，本研究展示了一种采用微曲面SPM2水凝胶的高效太阳能蒸发器，通过协同水传输和界面流体动力学，同步实现海水淡化与定向盐收集。双交联策略通过中间水调控降低蒸发焓，而水凝胶-毡布的机械互锁则促进了稳定毛细泵送。分级多孔结构沿弯曲表面产生原位马兰戈尼流，使蒸发器在25 wt%盐水中保持超过2.7 kg m^?2 h^?1的蒸发速率，展现卓越的耐盐性和连续产盐能力。