北京工业大学任家炜、周志伟团队联合悉尼科技大学Hokyong Shon团队WR：水力驱动全动态太阳能界面蒸发——水起风生

图片摘要

成果简介

近日，北京工业大学建筑工程学院任家炜教授、周志伟教授和悉尼科技大学Hokyong Shon教授团队在环境领域著名学术期刊Water Research上发表了题为“Hydrodynamic solar-driven interfacial evaporation-Gone with the flow”的论文。文中研究了一种水动力驱动的全动态太阳能界面蒸发过程，其自然光照下的实际海水蒸发率可高达6.58 kg·m^-2·h^-1。此外该工艺在夜间运行时，依然可以达到媲美于常规静态蒸发器在白天时的蒸发效率（2.01 kg·m^-2·h^-1），并能在夜间去除白天积累的盐结晶问题，可以实现工艺的昼夜交替运行和盐污垢的自清洁，具有良好的应用前景。

蒸发是地球上最经典的海水淡化工艺之一。当我们尝试利用水流本身的力量时，蒸发过程的效果会更好。本研究报告了一种水动力驱动的全动态太阳能界面蒸发过程，其自然光照下的实际海水蒸发率可高达 6.58 kg·m^-2·h^-1（比自然蒸发高100多倍）。我们设计了一种水车结构的太阳能界面蒸发器，采用成本极低的打印滤纸作为光热材料，通过简单的折叠组装制备了全动态的太阳能界面蒸发器。该蒸发器既能在蒸发界面上通过毛细作用快速分布溶液，又能通过调整水流动能实现不同速率的连续旋转，实现蒸发速率的大幅提升，水的动能可以来自海边潮汐蓄水池的重力势能，整套工艺无需任何电力装置就能运转。研究发现水车转速越高，蒸发速率越大，这主要是因为高速旋转的界面会造成快速空气流动并在蒸发界面处形成超低气压，这有助于液态水向气态水的高效转化，成功克服了水蒸气扩散慢湿度高，影响蒸发效率的问题。此外该工艺在夜间运行时，依然可以达到媲美于常规静态蒸发器在白天时的蒸发效率（2.01kg·m^-2·h^-1），并能在夜间去除白天积累的盐结晶问题，可以实现工艺的昼夜交替运行和盐污垢的自清洁。除了在太阳能海水淡化方面的应用，所开发的动态蒸发器在水蒸气生产和工业用盐回收方面也具有巨大潜力。

图文导读

蒸发器的制备和应用场景

图1：水车式全动态太阳能界面蒸发器的制备和应用场景

我们设计了一种水动力太阳能界面蒸发器（水车蒸发器）。水流会因位置的高度而形成位能差，这些位能差使水流由高向低流动，模拟海水的流动。由于潮汐的涨落，潮汐池会自动充满海水。当海水从高处流下时，水冲击水车蒸发器的叶片，带动水车蒸发器旋转。蒸发器的旋转使水蒸气在蒸发器周围快速流动，从而改变蒸发表面的饱和蒸汽压和水蒸气含量，从而提高蒸发效率（图1）。这一过程不需要额外的能量输入，可以连续进行。水流不仅是水车蒸发器的供水来源，也是水车蒸发器转动的动力来源，这为SIE提供了一个全新的研究方向。

动态水车实验装置示意图

图2：动态水车实验装置示意图

该装置的原理图如图2所示。光照从侧面水平辐射到水车蒸发器表面。由于烧杯与调节阀之间的位能差，水从调节阀的滴水嘴喷出，垂直撞击水车叶片，带动水车逆时针旋转。在阳光和旋转的作用下，液态水迅速变成气态并扩散在空气中。

光热材料的表征和特性

图3：（a）光热材料的扫描电镜照片。（b）接触角。光热材料在干燥状态下（c）和纯水状态下（d）表面温度随时间的变化。（ET代表环境温度，RH代表相对湿度）。（e）光热材料的光吸收率。T3在干燥状态下（f）和纯水状态下（g）分别在0分钟和光照30分钟时的红外热图。

太阳能被光热材料捕获并转化为热能进行蒸发。材料的光热转换效率是光热性能的重要指标。我们分别为T0和T3材料切割半径为1 cm的圆形切片（图3d插图），并用于研究材料的光热转换效率。T3的表面温度在1 min内急剧上升（图3c-d），在干燥状态下（图3f）光照30 min后，T3的表面温度可达54.5℃，在潮湿状态下（图3g），T3的表面温度可达30.8℃。因此，T3可以快速达到稳定的温度并进行有效的光热转换，具有强的光吸收和良好的热稳定性。如图3e所示，T0的吸光度远低于T3，仅为25.44%。T3的总光吸收率为95.99%。在250 ~ 2000 nm波长范围内，T0的吸收率低于40%。特别是在可见光范围内，当太阳辐射最强时，T0的吸收率仅为10%左右，而T3的ab吸收率高达95%左右。不同波长对应的吸收率均在90%以上，表明T3材料在太阳光谱范围内具有优越的光吸收能力。另外，底部滤纸的亲水性（图3b）为顶部产生蒸汽创造了良好的供水条件。

水车蒸发器的蒸发性能

图4：（a）在纯水条件下，系统损失的累积重量与时间的函数关系。（b）水车在光、暗条件下不同转速的蒸发率和模拟方程。（c）不同转速下水车蒸发器的蒸发效率（右下角为水车蒸发器的实物图）。（d）不同转速下不同因素对蒸发率的贡献百分比。

在单光照和暗条件下，探讨了不同转速对蒸发速率的影响。水车蒸发器的累积重量随时间线性减小，说明整个蒸发过程是稳定的（图4a）。水车蒸发器的蒸发速率随着水车转速的逐渐增大而增大（图4b）。水车蒸发器在96 rev/min光照下的蒸发量高达6.84 kg·m^-2·h^-1，是水车静止状态下蒸发量的2.9倍左右（0 rev/min下单太阳蒸发量为2.33 kg·m^-2·h^-1）。在黑暗模式下，水车在96 rev/min时的蒸发速率可达1.72 kg·m^-2·h^-1，比水车静止时的蒸发速率高约3.4倍（黑暗状态下0 rev/min时的蒸发速率为0.5 kg·m^-2·h^-1）。随着转速的增加，蒸发效率显著提高（图4c）。当转速为96转/分时，系统蒸发效率显著提高至345.47%。可以看出，水车的转动带动周围空气快速流动，对蒸发有很大的促进作用。同时，对不同转速下的蒸发量进行拟合，结果表明转速与蒸发量的对数关系是一致的。

Fluent模拟

图5：水车蒸发器旋转后周围空气的流动状态。它们分别是蒸发器上与空气接触的碳粉层表面的速度矢量图（a）、湍流动能云图（b）和压力云图（c）。

 为了进一步阐明水车旋转过程中周围气流对蒸发速率的影响，我们使用Fluent软件进行动态仿真，然后选取蒸发器碳粉表面与空气的接触面作为分析平面，得到速度矢量图（图5a）、湍流动能云图（图5b）和压力云图（图5c）。由于水车上方气流快，空气压力减小，湍流动能强烈，所以单位时间内与水接触的空气体积越大。从水面蒸发出来的水分子会不断被移走并扩散出去，带走蒸发表面的湿空气，干湿空气交换的速度就越快。当水车周围空气湿度降低时，水蒸汽压会迅速降低。蒸发表面的饱和蒸汽压差始终保持较大的间隙，可以持续提高蒸发速率。这与上述实验结果是一致的。

水车蒸发器中盐的形成过程

图6：（a）在35 g/L NaCl和实际海水中，系统质量变化随时间的变化。（b）蒸发器的蒸发速率和蒸发效率。（c）在35 g/L NaCl溶液中蒸发器上的盐分积累过程。（d）水车蒸发器中心盐分结晶原理示意图。

将水车蒸发器暴露在一个太阳强度下10 h，模拟白天的太阳辐射。在35 g/L NaCl和实际海水作用1天的情况下，蒸发器都能保持较长时间的稳定蒸发（图6a）。35 g/L NaCl在一个太阳下的蒸发速率和蒸发效率分别为4.07 kg·m^-2·h^-1和126.7%。实际海水分别为3.36 kg·m^-2·h^-1和91%（图6b）。水车蒸发器运行10 h后，表面中心出现了一些盐晶体（图6c），积累了0.94 g NaCl（实验结束24 h后，盐在蒸发器中心呈堆叠分布）。盐的积累只在水车的中心被观察到。这是因为水和溶质通过非选择性毛细管作用同时被输送到蒸发器的中心，并被困在蒸发表面。蒸发器中心是离配水点最远的区域，含水量较少。从边缘到中心，温度逐渐升高，盐浓度也逐渐升高，当含盐量达到饱和时开始结晶（图6d）。有趣的是，盐似乎更有可能在靠近水车中心的叶片顶部的尖端产生，那里的气压较低，因此蒸发速率较高。这与图5c所示的压力云一致。然而，蒸发表面的沉淀盐减少了光的吸收，阻碍了蒸汽的循环路径。因此，盐污染去除是设备连续运行的关键。

水车蒸发器的防盐性能

图7：在蒸发率方面，水车蒸发器与其他蒸发器相比的优势，（a）在太阳光照充足的条件下，（b）在黑暗条件下。（c）白天盐分积累和夜间盐分溶解的变化（白色虚线表示盐分积累区域，ER为蒸发率）。

图7a-b为水车蒸发器与其他蒸发器的对比，在蒸发速率方面，实现了非常高的太阳蒸汽转换效率。同时，对水车蒸发器在真实海水环境下的抗盐性能进行了测试。氙灯照明10小时后关闭，模拟夜间情况。图7c为白天和夜间试验时水车蒸发器中心盐分积聚和溶解的详细过程（白色虚线）。光照2h后，盐开始结晶并聚集在中心。光照10小时后，一层薄薄的结晶盐覆盖了蒸发器的25%。白色曲线虚线表示盐聚集的演化过程。阳光消失后，由于夜间蒸发速率降低、盐在水中的高溶解度以及亲水性底物提供足够的水来完成盐的反向扩散，蒸发器表面的盐开始重新溶解回水中。蒸发器上的盐在2 h后几乎全部溶解到海水中，说明蒸发器有充分的盐清洗。同时，水车蒸发器能够保持较高的暗蒸发速率（2.01 kg·m^-2·h^-1，图7b）。水车蒸发器通过重复“蒸发-结晶-溶解”的自清洁循环，达到稳定的蒸发性能。

在实际日照下用海水进行室外水动力太阳能界面蒸发试验

图8：（a）水车蒸发器和水动力太阳能界面蒸发系统。（b）环境温度和湿度。（c）实际日照强度下的蒸发率。

为了考察实际海水蒸发过程中真实环境对水车蒸发系统的影响，我们在上午9点至下午6点测试了水车蒸发器在室外真实阳光下的海水蒸发效果（图8a）。记录了不同时刻的实际太阳光照强度、环境温度和环境湿度，并计算了相应时刻的蒸发速率。根据图8b，全天的环境温度范围为30.5至44.8℃，相对湿度范围为14%至21%。水车蒸发器的蒸发速率与光强变化趋势一致（图8c），在9:30~16:30时间段内，光强均大于80，蒸发速率均大于4.38 kg·m^-2·h^-1，在17:30日落后时，光强明显下降；蒸发速率降低至2.92 kg·m^-2·h^-1。在早晨，光照强度随时间逐渐增加。上午11:30达到了最高的光照强度。尽管此时的光照强度没有达到100%，但蒸发速率达到了最大值6.58 kg·m^-2·h^-1，这一结果远远超过了以往研究的蒸发效应，也远高于模拟光的3.36 kg·m^-2·h^-1。这可能是由于较高的环境温度和较低的室外相对湿度（室外温度为44.8℃，相对湿度为17%，而室内温度为31℃，相对湿度为60%），这更有利于蒸发过程。综上所述，在室外实际阳光照射下，流体动力太阳界面蒸发系统在海水蒸发过程中具有显著的性能。

用于实际海水的室外冷凝水收集装置

图9：（a）设备照片。（b）海水和冷凝水的离子浓度。（c）海水和冷凝水的总有机碳含量。

为了检测蒸馏水的质量，我们研制了冷凝水收集装置（图9a）。将该装置置于室外实际光照下，对其冷凝水回收性能进行了研究。冷凝产水6 h达到1.07 LMH，低于蒸汽产水。这可能是因为在一个相对封闭的房间里，阳光强度较低，湿度难以扩散，结合高吸湿性冷凝材料将有助于冷凝水回收率大幅提升。在冷凝水中，测量了不同离子的去除率（图9b）。阳离子的去除率均在98.5%以上，钠、镁、钙离子的去除率均在99.5%以上。对于TOC（总有机碳）、IC（无机碳）和TC（总碳）的去除率，蒸发后它们的浓度也显著降低。其中TOC的去除率高达95.92%，IC为77.47%，TC为85.85%（图9c）。

‘’

碳粉印刷光热材料具有成本低、制备简单、光热性能优异、蒸发效率高等特点。它可以粘贴在任何物体的表面，也可以折叠成各种形状，具有极大的灵活性。在自然界中，所有具有水动能的水体都能驱动蒸发器由静变动，如潮汐能。蒸发器的蒸发效率大幅提高，无需额外输入能量，充分体现了环保和能源利用的优势。水车蒸发器表面积聚的盐分在夜间可以快速溶解，实现了盐分的昼夜脱钩，从而保证了蒸发器的可持续利用和稳定的蒸发性能。应进一步考虑设计合理的冷凝水收集系统，如改进冷凝装置结构，加入吸温冷凝材料提高冷凝水回收率。考虑驱动能源的变化，如将水动能转化为风能、电能和热能。还可以考虑蒸发器叶片的结构优化，如改变叶片的形状和大小。此外，盐的产生位置是有选择的，结构设计可以使盐在固定点结晶，从而实现盐的收集。蒸发器旋转时会产生离心力，可以考虑不同密度的盐是否能在离心力的作用下分离出来。最终，这项研究可考虑用于水净化和收集以外的其他潜在应用领域，例如需要干燥技术的领域。总之，这项工作为设计高效、连续的太阳能蒸发器提供了一个新概念，推动了太阳能水处理技术的实际应用。