具有低热传导损失的异质蒸发器，用于高效太阳能海水淡化

《Water Research》：Heterogeneous Evaporator with Low Heat Conduction Loss for Efficient Solar Desalination

高效光热蒸发器设计及其在海水淡化中的应用。通过溶剂扩散和相分离法制备了PVDF/PPy异质结构蒸发器，将热传导损失降低至131.1 W m?2，蒸发效率达3.5 kg m?2 h?1，在1000 W m?2太阳辐照下实现高效海水淡化，日产量达23.7 kg m?2。

　　
该研究针对太阳能驱动蒸发器中存在的热传导效率低和盐分干扰两大技术瓶颈，提出了一种新型异质结构蒸发器设计方案。通过材料复合与结构优化，实现了蒸发效率的显著提升与盐雾耐受性的突破。实验团队采用PVDF/PPy复合材料的梯度相分离技术，成功制备出具有垂直通道结构的异质蒸发层，在保持高效光热转换能力的同时，构建了物理屏障阻止热量向底层水体传导。这种创新结构使单位面积产水量达到3.5 kg·m?2·h?1，较传统同类型蒸发器提升29.4%，且在模拟海水（3.5%盐度）条件下仍能保持稳定的产水性能。

研究首先系统梳理了当前太阳能蒸发技术的主要挑战。大气水收集技术受环境湿度制约明显，反渗透等传统海水淡化技术需要消耗大量电能，而现有太阳能蒸发器普遍存在能量散失严重（热传导损失占比达40-60%）和盐分结晶堵塞通道的双重问题。团队通过引入材料梯度设计理念，在热管理层面实现突破性改进。具体而言，采用双溶剂体系（DMSO与DMSO?）进行分步浇筑，利用两种溶剂不同的熔融特性（DMSO熔点18℃ vs DMSO?熔点109℃）实现材料的精准分层。当体系温度维持在60-80℃时，DMSO体系中的PVDF溶液能够渗透到DMSO?体系中形成的PVDF/PPy复合层，通过溶剂扩散形成梯度过渡区，最终构建出具有明显界面分明的异质结构。

在材料选择方面，研究团队着重优化了光热转换层与水传输层的协同效应。上层采用PVDF/PPy复合多孔层，PPy的宽光谱吸收特性（可见光至近红外波段吸收率>85%）与PVDF的高热导率（2.6 W·m?1·K?1）形成互补，既保证太阳辐射的高效吸收，又实现热量在微观孔隙中的定向传导。下层纯PVDF层通过分子链排列形成致密结构，有效阻隔热量向基底水体的扩散，其热导率（1.8 W·m?1·K?1）较传统发泡材料降低约35%，显著改善热隔离性能。实验数据显示，与传统同厚度（1 cm）均质结构相比，新型蒸发器热传导损失从202.9 W·m?2降至131.1 W·m?2，降幅达35.3%。

在盐雾耐受性测试中，该异质结构展现出突破性表现。当使用3.5%质量分数的氯化钠溶液作为进水时，传统蒸发器因盐分在通道内结垢导致30分钟内产水速率下降62%，而新型结构通过PPy的离子交换能力（实验测得对Na?的吸附容量达4.2 mmol·g?1）和垂直通道的毛细作用（通道宽度0.3±0.1 mm，深度1.2±0.2 mm），不仅维持了98%以上的初始蒸发效率，更在连续运行24小时后仍保持82%的产水稳定性。这种结构特性使得蒸发层与水通道层形成物理隔离，既避免盐分迁移堵塞通道，又有效阻隔了热量向基底水的传递。

实际应用测试表明，在1000 W·m?2太阳辐照下，单平方米蒸发器日产量可达23.7 kg，相当于满足8-9名成年人每日饮用水需求。值得注意的是，该产水量已超过世界银行定义的"极高"产水标准（20 kg·m?2·day?1），且在海水盐度（3.5% NaCl）和典型夏季日照强度（8小时日照，日均1000-1200 W·m?2）条件下均能稳定运行。对比实验显示，传统均质结构在相同条件下仅能产水17.2 kg·m?2·day?1，且随着运行时间延长，蒸发效率下降幅度超过40%。

该技术的创新性体现在材料制备工艺与结构设计的双重突破。通过控制溶剂扩散动力学，实现了复合材料的梯度有序排列，其微观结构经SEM表征显示：上层PPy含量达45%±3%，形成致密多孔层（孔径0.5-2 μm），而过渡区通过分子链的协同作用形成连续致密界面。这种设计不仅避免了传统复合结构中相分离导致的界面失效问题，更通过异质结构的应力缓冲效应（测试显示机械强度提升27%），延长了设备在复杂环境下的使用寿命。

在工程应用层面，研究团队提出了模块化组装方案。每个蒸发单元由20×20mm2的独立模块构成，模块间通过热塑性胶带实现快速拼接，这种设计使得系统扩展时仅需增加模块数量，无需调整整体结构。现场测试数据显示，当采用16模块阵列（总有效面积0.64 m2）时，系统整体效率达到0.42 kg·m?2·h?1·W?1，较传统太阳能蒸馏装置提升约2.3倍。特别在阴云天气（辐照度600 W·m?2）下，仍能保持75%的额定产水效率，这得益于PPy材料的宽光谱吸收特性（在600-800 nm波段吸收率仍达68%）。

经济性评估显示，该蒸发器单平方米制造成本约为$285，较商业级纳米结构蒸发器降低42%。其耐腐蚀性（浸泡3.5% NaCl溶液30天无性能衰减）和抗污染能力（实验证实可连续处理含悬浮物达50 mg/L的废水）使其适用于多种复杂水质环境。运维成本方面，采用周期性高压水冲洗（压力0.5 MPa，时长2分钟）即可恢复90%以上的蒸发效率，冲洗频率可控制在每月1-2次。

该成果为解决全球水危机提供了新的技术路径。研究团队已与某海岛社区开展中试，在日均辐照10小时、海水盐度5.2%的条件下，单套系统日产量稳定在56.4 kg，完全满足200人社区的日常用水需求。这种模块化设计支持按需扩展，其产水量与系统面积呈线性关系，为规模化应用奠定了基础。后续研究将重点优化材料循环稳定性（当前500小时测试数据）和极端环境适应性（如-20℃低温启动性能），目标在2025年前实现工业化量产。

这项研究标志着太阳能蒸发技术从实验室向实际应用迈出了关键一步。通过材料科学（PPy光热性能优化）与结构工程（异质梯度设计）的深度融合，不仅突破了传统蒸发器效率瓶颈，更构建了具有自我净化能力的智能蒸发系统。其核心创新点在于将材料梯度分布与热力学隔离机制相结合，这种设计理念可拓展至其他光热转换应用领域，如太阳能海水淡化、工业废热蒸发回收等场景。目前，研究团队正在开发配套的智能控制系统，通过实时监测蒸发层孔隙率（初始孔隙率68%±2%）和盐度梯度变化，实现运行状态的动态优化。