类似水母结构的双层太阳能蒸发器用于海水淡化：一种耦合热质传递方法以实现最佳供水与蒸发匹配

《Desalination》：Jellyfish-like bilayer solar evaporator for desalination: A coupled heat and mass transfer approach for optimal water supply-evaporation matching

　　

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  采用Cu₂O@漆酚复合材料制成的仿水母结构棉织物
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  通过热质传递耦合模型优化供水与蒸发的匹配关系
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  蒸发速率高达2.3?kg·m^?2·h^?1
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  盐分去除效果优异：10小时内可从7%浓度的盐水中去除22?kg·m^?2的盐分
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  具备多重功能：抗菌、光催化作用，且产生的水适合用于灌溉

引言

当前，全球在饮用水安全方面面临前所未有的挑战，这些挑战源于人类因素与自然因素的复杂相互作用——人类因素包括地区冲突、社会经济矛盾以及经济纠纷，而自然因素则涵盖极端天气事件、自然灾害和环境污染[1]。将海水、废水等不可直接饮用的水源转化为饮用水，是缓解淡水短缺的一种可行策略[2]、[3]。尽管现有的多种海水淡化技术，如低温多效蒸馏、多级闪蒸和反渗透技术[4]、[5]、[6]，已被广泛应用于淡水生产，但这些技术能耗极高，且往往与可持续发展目标相悖。相比之下，作为地球上最丰富、最清洁的可再生资源，太阳能提供了一种极具前景的替代方案[7]、[8]、[9]。由于不会产生碳排放，也不需要消耗化石燃料，太阳能驱动的海水淡化技术有望成为同时解决全球能源危机和淡水危机的可行途径[10]、[11]、[12]、[13]。

太阳能驱动海水淡化的原理十分简单：利用光热转换材料将阳光转化为热量，使海水蒸发成水蒸气，随后再凝结为淡水[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。基于这一原理，研究人员从不同领域汲取灵感，设计出了多种不断改进的蒸发系统，从光热颗粒发展到光热表面，再到三维光热结构。与此同时，各类光热材料也相继被开发出来，包括碳基材料、金属基材料、金属氧化物和聚合物[15]、[19]、[20]、[21]。其中，石墨烯和聚吡咯因其优异性能而备受关注，常被用于各种光热淡化系统中[22]、[23]。此外，具有独特结构设计的淡化系统也在快速发展，比如Janus结构、定制化的水传输通道以及其他特殊结构[24]、[25]。因此，无论是二维光热薄膜还是三维光热凝胶，其蒸发效率都在不断创出新高[26]、[27]、[28]、[29]。然而，要实现如此高的蒸发速率，光热层需要充足的供水；但矛盾的是，过量的冷水会冷却蒸发表面，从而降低热驱动的蒸发效果。

除了供水与蒸发之间的平衡问题外，实际的太阳能淡化过程还面临着盐分结晶和水质问题[30]、[31]、[32]、[33]。盐分的积累会堵塞水传输通道[34]、[35]、[36]、[37]，而且处理后的水必须符合饮用水标准[38]。值得注意的是，这些问题与水的传输和蒸发行为密切相关[39]，这进一步凸显了合理设计水输送层的必要性[40]、[41]。

尽管人们已经认识到这种平衡问题，但直接影响供水与蒸发平衡的水输送层的设计却仍未得到充分研究[42]。目前大多数研究都集中在光热材料及其光吸收或热量分布特性上，而水传输路径的几何结构往往是通过试错而非定量建模来优化的[43]、[44]。此外，通过水输送层进行的直接供水与水表面热驱动蒸发之间的关联也鲜有研究[45]、[46]。此处所说的“平面薄膜蒸发器”，特指那些核心光热层的横向尺寸远大于其厚度的平面型织物装置，它与气凝胶、多孔单体等三维结构有所不同。辅助的毛细吸水条主要起到水传输的作用。这一知识缺口限制了平面薄膜蒸发器的进一步改进，也阻碍了其从实验室规模向实际应用的发展。

在自然界中，水母（如Aurelia aurita）会利用其伞状结构保持身体完整，而它的口腕则通过纤毛流动来定向输送捕获的猎物[47]、[48]、[49]、[50]。我们将这种生物结构应用到蒸发器设计中：圆形的光热层相当于伞状结构，可作为吸收太阳能的顶层界面；而加长的棉质条则类似口腕，充当毛细水传输的唯一通道。这种仿水母式的光热区域与水传输通道的空间分离设计，使得光吸收效率与吸水效率能够独立优化，为构建功能匹配的双层太阳能蒸发器提供了理论依据。

为了解决上述问题，我们通过将光活性Cu₂O颗粒与漆酚复合，并将其负载到天然棉织物上，制备出一种环保型光热织物。漆酚是一种含有长侧链的邻苯二酚衍生物，也是天然漆的主要成分，如图1所示。所得的Cu₂O@Ur/CF材料具有出色的光热转换性能和机械稳定性。更重要的是，我们没有仅仅局限于传统材料层面的优化，而是系统地研究了水输送层的几何结构。我们建立了热质传递耦合模型，找到了最佳的供水与蒸发匹配方案。通过该模型，我们发现宽度为7.5毫米的四条传输条最为合适，此时蒸发速率可达2.3?kg·m^?2·h^?1。该模型还能准确预测双层八条传输条结构的性能，预测误差仅为+5.1%，考虑到实验中的不确定性，这一误差已经处于可接受范围。此外，经过优化的蒸发器还具有出色的盐分去除能力、抗菌功能、光催化降解染料的能力，以及产出适合植物生长的水。因此，这项工作不仅提供了一种高性能的太阳能蒸发器，还为设计二维太阳能蒸发系统中的水输送层提供了定量分析框架。

章节摘要

材料与试剂

肼水合物、氢氧化钠、无水乙醇、三水合硝酸铜以及其他分析级化学试剂均由中国国家医药集团提供，使用时未作任何处理。漆酚则是通过乙醇提取法从天然漆中提取的，供应商为陕西龙头漆业有限公司[51]。棉织物由青岛海燕有限公司提供，活菌/死菌染色试剂盒则来自中国上海的雅森生物技术有限公司。

改性织物的制备与表征

改性织物的制备过程如图2所示。首先，将原始棉织物样品用多种溶液清洗，以去除灰尘和油脂，之后再干燥得到预处理后的织物。如图2(a)所示，棉纤维的表面较为光滑。经过肼水合物还原反应后，铜盐促进了纤维表面形成团聚的球形Cu₂O颗粒，这些颗粒的直径大约在1到

结论

我们基于Cu?O@漆酚改性棉织物作为光热层，以及带有加长传输条的棉织物作为水输送层，设计出了一种仿水母结构的双层太阳能蒸发器。通过系统优化传输条的宽度与数量，我们找到了最佳配置——传输条宽度为7.5毫米，共四条，即形状II，该配置能实现最高的蒸发速率。更为重要的是，我们建立了热质传递耦合模型，将该系统的整体性能进行了分解分析

作者贡献说明

白伟斌负责聚合物的设计、实验开展以及论文的撰写；王英祥、游泽、李阳和张杰完成了材料的表征以及肉类新鲜度测试；林玉才提供了实验所需的资源； Jian R.K.负责整个项目的监督并参与了论文的修改。所有作者都对最终稿进行了审阅和确认。

资金支持

本研究得到了以下机构的资助：中国国家自然科学基金（项目编号22375046、22075045）、福建省自然科学基金（项目编号2023J06025、2023J01501）、福建师范大学本科生创新计划（项目编号S202510394013、cxxl-2026161），以及福建省雏鹰计划优秀青年人才项目的资助。所有资助方均未参与研究的设计、数据分析和论文撰写工作。

伦理与知情同意

本研究无需遵循伦理规范，因为没有进行任何人类或动物实验。

利益冲突声明

所有作者均声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了以下机构的支持：中国国家自然科学基金（项目编号22375046、22075045）、福建省自然科学基金（项目编号2023J06025、2023J01501），以及福建师范大学的本科生创新计划（项目编号S202510394013、cxxl-2026161）。此外，作者们还要感谢福建省雏鹰计划优秀青年人才项目对R.K.J.提供的财政支持。

Weibin Bai|Yingxiang Wang|Jialin Chen|Weisong Wang|Haohan Deng|Xinlei Liu|Xiaolu Guo|Rongkun Jian|Yucai Lin