将可持续压缩式海水淡化与双界面蒸发技术相结合：一种用于水盐联产的3D隔层织物太阳能蒸发器

《Desalination》：Synergizing sustainable compressive desalination and dual-interface evaporation: A 3D spacer fabric solar evaporator for water-salt cogeneration

　　

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  受泥炭苔启发设计的可压缩型海水淡化太阳能蒸发器。
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  绿色脂肪酶改性显著提升了毛细水传输能力。
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  机械压缩技术可实现盐晶的原位分离与收集。
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  双界面倾斜设计保证了系统的长期稳定运行。
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  室外测试显示，该系统每日可产出17.14千克/平方米的淡水，以及1.43千克/平方米的盐分。

引言

随着全球水资源短缺问题日益严重，海水淡化和高盐度卤水处理已成为保障水资源安全的关键策略[1]、[2]、[3]。得益于其清洁、可再生且无需能源的特性，太阳能驱动的界面蒸发技术为分布式水处理应用带来了巨大希望[4]。近年来，研究人员致力于开发高性能光热材料并优化蒸发器结构，以提高蒸发速率和能量转换效率，从而推动该技术向实际应用迈进[5]。

然而，在实际运行过程中，蒸发界面处盐分的不断积累会堵塞水分传输通道，同时遮蔽光热活性位点，导致蒸发性能急剧下降甚至完全失效[6]、[7]。具体而言，随着水分的持续蒸发，界面处的盐浓度会迅速上升并达到过饱和状态，进而形成盐晶[8]、[9]。这些盐晶不仅会物理性地阻塞织物内的多孔通道，妨碍水分向蒸发界面的持续输送，还会在光热表面形成覆盖层，大幅降低太阳光吸收效率及光热转换能力[10]、[11]。更为严重的是，盐垢的自我加速生长特性会使得这一问题愈发严重，最终导致蒸发器彻底失效[12]。尽管以往的研究尝试通过表面疏水改性、盐分溶解扩散或定期冲洗等方式来减轻盐污问题，但这些方法往往存在能耗过高、系统复杂或运行不连续等缺陷，难以实现真正持续的盐分回收[13]、[14]。因此，如何在高效蒸发的同时实现有效的盐分管理和资源回收，是该领域亟需解决的核心科学问题，这既需要材料设计方面的突破，也需要系统架构上的创新[15]、[16]。

为应对上述挑战，近年来外部场调控成为提升蒸发性能的新策略。Wang等人[17]研发了具有铁磁性质和富吡咯氮基团的碳基气凝胶，通过干扰水分子间的氢键网络，在10毫特斯拉的磁场作用下将蒸发速率从2.78千克/平方米·小时提升至3.30千克/平方米·小时。He等人[18]则利用Fe?O?纳米粒子的磁热效应，构建了光热-磁热耦合型气凝胶蒸发器，在交变磁场作用下将蒸发速率从4.5千克/平方米·小时提高至5.6千克/平方米·小时。这些研究表明，外部场物理调控能够有效克服传统被动设计的性能局限。与此同时，受生物启发的设计也为开发可压缩型海水淡化及可持续太阳能蒸发系统提供了新思路[19]、[20]。泥炭苔依靠其茎叶表面的毛细系统实现地下水的上升，从而为植株顶端持续供水。其可压缩的多孔结构在受到压力时能够释放储存的水分，具备优异的弹性和水分释放能力——这种机制使其能够在水位波动的情况下依然保持稳定的供水[21]、[22]、[23]。

此外，通过表面化学改性调节材料的亲水性，也能显著提升水分传输效率[24]、[25]。作为一种绿色且温和的表面功能化方法，酶法改性能够在纤维表面原位生成亲水基团，避免了传统化学改性所带来的环境负担[26]、[25]、[28]。另外，双界面蒸发设计能够充分利用织物的上下表面，有效增加蒸发面积并促进空气流动，进而进一步提升光热利用效率[29]、[30]。基于以上考虑，将生物启发式结构设计、绿色表面改性、双界面蒸发以及机械压缩机制相结合，有望突破当前水盐共生产及太阳能蒸发器长期稳定性方面的技术瓶颈。

受上述原理启发，本研究选用了三维经编间隔聚酯织物作为蒸发器基底。这种织物由两层表面层通过间隔纱线连接而成，形成了稳定的三维空间结构，因此具备出色的压缩回弹性——即在受到压缩后能够快速恢复原有形态，为反复进行“机械压缩-原位淡化-结构恢复”循环提供结构保障。同时，其三维多孔网络形成了相互连通的毛细通道，而间隔纱线则起到了上下表面之间“毛细泵”的作用，显著提升了液体的定向传输效率[31]。

通过优化织物的表面结构和空间配置，并采用双界面倾斜蒸发设计，该系统的光热利用效率和蒸发速率均得到了显著提升。更重要的是，研究还引入了被动式机械压缩机制，通过物理变形实现蒸发界面处盐晶的原位分离与收集，从而构建出了“蒸发-压缩淡化-循环利用”的封闭式压缩淡化系统，实现了水盐共生产。这项工作为开发低成本、低能耗、可持续的太阳能驱动卤水淡化技术提供了新的生物启发式设计思路，在分布式水处理和资源回收领域具有广阔的应用前景。

章节要点

材料与化学品

磷酸二氢钾和氢氧化钠购自上海麦克林生化科技有限公司。来自黑曲霉的脂肪酶购自合肥巴斯夫生物技术有限公司，而猪胰腺来源的脂肪酶则购自国药集团化学试剂有限公司。所有化学品均直接使用，未进行进一步纯化。

仪器与表征方法

该三维聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维间隔织物是由高速经编机（RD 6/1–12）编织而成的。其形态特征

受生物启发的可压缩型淡化蒸发器的设计

受泥炭苔高效水分传输和可压缩脱水机制的启发，我们基于经脂肪酶改性的间隔织物（以下简称LSF，包括PPL-SF和ANL-SF两种类型）设计了一种太阳能驱动的卤水淡化系统，旨在实现高蒸发效率和水盐共生产。如图1a所示，蒸发器的下端浸入卤水中，卤水随后被持续输送至蒸发区域

结论

受泥炭苔高效水分传输和可压缩脱水机制的启发，本研究开发了一种基于脂肪酶改性三维间隔聚酯织物的可压缩型太阳能蒸发器，用于高盐度卤水处理及水盐共生产。这种三维经编间隔织物凭借其相互连通的双层结构以及形成稳定三维空间的间隔纱线，具备出色的压缩回弹性与结构稳定性，

作者贡献说明

陈丹丹：撰写原始稿件、验证实验、资源获取、数据整理。李涵：撰写文章的审阅与编辑工作、项目监督、项目管理、资金申请以及概念构思。黄晓琪：进行正式分析。孙宇天：负责资源协调。唐书岩：负责软件相关工作。卢佳良：参与文章的审阅与编辑、项目监督、项目管理以及资金申请。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

作者衷心感谢中国浙江省自然科学基金（项目编号：LQN25E030005）、浙江科技学院科学研究基金（项目编号：23202159-Y、25202225-Y）以及浙江科技学院嵊州研究院研究基金（项目编号：SYY2025B000005）的支持。

Dandan Chen|Han Li|Xiaoqi Huang|Yutian Sun|Shuyan Tang|Zhefei Li|Jialiang Lu