基于炭黑/聚二甲基硅氧烷的自浮式太阳能蒸发器，用于高效且稳定的海水淡化

《ACS Applied Materials & Interfaces》：A Self-Floating Solar Evaporator Based on Carbon Black/Polydimethylsiloxane for Highly Efficient and Stable Desalination

基于低成本商业三聚氰胺泡沫的Janus结构太阳能蒸发器设计及其高效海水淡化性能研究，采用碳黑/聚二甲基硅氧烷复合光热层与亲水水传输层协同作用，通过表面蜂窝结构增强吸光和马兰戈尼效应抑制盐沉积，实现1.1kg·m?2·h?1稳定蒸发率，75%光热效率及WHO标准脱盐水产出。

　　

全球淡水资源的短缺日益严重，这促使人们开发基于太阳能的界面蒸发技术作为一种有前景的解决方案。然而，现有蒸发器的可扩展性仍然受到限制，主要原因是成本高昂、制造工艺复杂、稳定性不足以及耐盐性差。传统的基于聚合物的Janus膜也表现出机械强度低和耐候性差的问题。虽然一些基于碳或复合材料的蒸发器表现出较高的性能，但其大规模应用受到昂贵材料和复杂制造工艺的阻碍。为了解决这些问题，本研究采用了低成本的商业 melamine 泡沫（MF）作为基底。通过溶胶-凝胶合成和喷涂涂层技术，在 MF 表面复合了炭黑（CB）和聚二甲基硅氧烷（PDMS），制备出了具有 Janus 结构的 CB–PDMS/PMF 蒸发器。该设计创新性地采用了一种水分隔离方法，以精确控制光热层的厚度和蒸发界面的平整度。上层的疏水性光热层（P 层）吸收并转换光能，而下层的亲水性水传输层（W 层）则实现了毛细驱动的水供应和自浮功能，从而最大限度地减少了热量损失。此外，表面刻有的蜂窝结构通过多次反射增强了光吸收效果，同时利用马兰戈尼效应（Marangoni effect）抑制了盐分积累，确保了出色的盐分排斥性能。实验结果表明，在 1 kW·m^–2 的太阳辐照下，优化后的 Eva-4 蒸发器能够保持稳定的蒸发速率（1.1 kg·m^–2·h^–1），光热转换效率达到 75%。该蒸发器具有出色的循环稳定性，能够处理强酸性/碱性进水，并生成符合 WHO 饮用水标准的淡化水。此外，它在不同盐度条件下仍保持良好的耐盐性。这项工作提供了一种基于简单制造技术的经济高效且可扩展的方法，为太阳能驱动的界面蒸发技术在大规模海水淡化和废水处理中的应用提供了新的进展。