海水-硅油界面定向冷冻与熔融上浮协同增效的海冰脱盐新策略

本研究针对传统冷冻脱盐技术(FD)存在盐分截留效率低、二次处理能耗高等瓶颈问题，创新性地提出界面相变策略，通过硅油介导的定向冷冻与浮力驱动冰晶迁移实现两阶段脱盐。实验证实35?ppt盐水的脱盐效率达55.43–72.00%，较传统方法提升1.6–2.0倍，同时确立5.69?°C为最优熔融阈值，能耗仅26.01?W·h/g。该研究为相变驱动脱盐技术提供了可扩展的解决方案。

　　

全球淡水危机日益严峻，联合国《2023年世界水发展报告》警示目前已有20亿人面临严重缺水。尽管海水淡化技术被视为关键解决方案，但主流的热法（如MSF、MED）和膜法（如RO）仍受困于高能耗、膜污染等问题。冷冻脱盐(FD)虽具有能耗低、腐蚀性小等优势，却因冰晶内盐分包裹(brine entrapment)和复杂后处理步骤长期难以实用化。传统方法如悬浮冷冻需机械刮冰，渐进冷冻又存在效率瓶颈，而离心、洗涤等后处理环节更消耗大量淡水资源。

针对这些挑战，中国研究人员在《Desalination》发表的研究提出革命性的界面相变策略。该团队巧妙利用海水(1023?kg/m³
)、冰(917?kg/m³
)与硅油(1010?kg/m³
)的密度梯度，构建了"定向冷冻-界面穿越-油相熔融"的三步协同机制。研究采用定制化实验平台，集成制冷系统与分层反应槽，通过温度梯度控制实现液-液界面结晶，并首次系统量化了冰晶跨界面迁移动力学。

Principle of freezing desalination system
实验装置分为下层海水与上层硅油的双层结构。当冷源从顶部冷却时，冰晶在海水-硅油界面优先成核，其密度差驱动冰层自发上浮穿越界面。进入油相后，控制熔融温度使包裹的高盐卤水(brine pockets)释放，纯净熔融水因密度差异继续上浮收集。这种设计将传统FD的单级处理升级为连续两级脱盐。

Results and discussion

1. 界面冷冻优势验证：液-液界面冷冻形成的冰晶盐分截留率比固-液界面降低38%，归因于更均匀的温度场抑制枝晶生长(dendritic growth)。
2. 浮力迁移机制：冰晶穿越界面时产生自清洁效应，使表面附着的盐分回落至海水层，X射线断层扫描显示冰内盐泡体积减少52%。
3. 熔融温度阈值：5.69?°C时实现脱盐效率(56.66%)、质量保留率(22.52%)与能耗(26.01?W·h/g)的最优平衡，该温度恰高于NaCl-硅油体系的共晶点(eutectic point)。

Conclusions
该研究突破性地将界面科学原理融入脱盐工程：

1. 效率突破：脱盐率72%达传统方法2倍，且无需离心、洗涤等后处理；
2. 能耗创新：比RO降低40%能耗，接近理论最小能耗值；
3. 机制创新：首次阐明冰晶在异质界面的"脱盐-迁移-纯化"协同效应。

这项技术不仅解决了FD领域长达60年的盐分包裹难题，更开创了相变驱动(phase-change driven)脱盐新范式。通过硅油介质实现的全液态操作，使系统可模块化扩展，为极地海水淡化、太空水循环等特殊场景提供了全新解决方案。研究团队特别指出，该方法可与LNG气化废冷能联用，进一步降低运营成本，展现显著的工程应用前景。