大连理工大学 | 康培森，葛洪宇，刘晓华，等：料液输运对太阳能界面蒸发过程的影响

淡水资源短缺是威胁人类社会可持续发展的挑战性问题之一，在全球的水储量中，淡水占比2.53%，海水占比96.53%，而海水淡化技术是从海水中提取并能稳定供应淡水的可行办法。虽然膜法、热法等商业海水淡化技术能够大规模生产淡水，但需要大量的能源供给，还需安装复杂的预处理设备和动力传输系统等，因此其不能满足欠发达地区以及偏远岛屿等地的用水需求。而通过利用广泛存在、可再生、零排放的太阳能进行海水淡化，使得制取淡水的过程更加简单、环保，以此期望从海水淡化的角度应对日益严峻的碳排放问题。

太阳能海水淡化技术是一种直接或者间接依靠太阳能进行海水淡化的技术，具有节能、环保的特点。基于界面蒸发的太阳能海水淡化技术依据毛细作用原理，采用具备持续稳定输运、抗盐防堵塞和热量隔绝等特性的蒸发结构，将海水输运到蒸发界面，利用高效的光热转换材料吸收太阳辐射能转化成热能，加热海水使其蒸发得到淡水，从而实现盐水分离。

近年来，学者们选择了不同基底材料对太阳能界面蒸发系统进行了研究。Liu等采用8mm厚的天然丝瓜络作为基底，将表层碳化2mm厚，在1kW/m²的光照强度下，系统蒸发速率以及光热转化效率分别达到1.42kg/(m²·h)和89.9%；丝瓜络纤维上的羟基以及分层大孔和纤维上的微通道具有16.2g/g吸水能力，同时分层大孔可作为盐分扩散的通道，能够保证蒸发界面在1kW/m²的光照强度和20%的料液浓度下持续光照10h后仍无盐分结晶。Chen等采用玉米棒芯作为基底材料，其内部的椭圆形气泡结构作为供水通道的同时也起到了很好的隔热作用；在经过整体碳化处理后其多孔结构得以维持，保证了其隔热性能和输水能力，同时还具有在水面上自漂浮的能力，在1kW/m2的光照强度下，系统能够实现86.7%的光热转换效率以及1.358kg/(m²·h)的蒸发速率。

刘杰等研究了中空（porel）纤维吸放湿机理，发现吸放湿速率回归方程均为指数函数，呈指数曲线衰减，在吸放湿初始阶段，3种纤维的吸放湿速率回归曲线最初降幅明显，随后逐渐减缓，后期逐渐趋于平衡状态。赵艳志等利用垂直芯吸法测试了Coolmax织物及其对比样品的芯吸高度，发现芯吸高度随织物厚度的增大而减小。芯吸高度随织物孔隙率增大而增大。詹永娟发现液态水垂直传递过程包括两个阶段：第一阶段，芯吸速率较高，液体升高很快，以初始芯吸速率反映织物的瞬间吸湿能力；第二阶段，芯吸速率减慢并逐渐趋于稳定，芯吸高度变化缓慢，以织物的最大芯吸高度反映织物在一定时间内的导湿能力。

Meng等 制备了一种聚乙烯-辛烯共聚物弹性体，通过动态退火工艺调控材料的孔径大小分布，实验发现孔径增大使得供水能力增强、界面中心干燥面积减小；并通过有限元法模拟发现，当蒸发结构供水能力较差时，蒸发界面较为干燥，大部分热能主要用于加热蒸发界面，不利于水分连续蒸发，极大地限制了系统的蒸发速率。Yu等采用轻木作为基底材料，轻木的气管孔径分布为1~39μm、导管孔径分布为180~390μm，基底厚度取约4.5mm，将上表面碳化2.5mm厚作为光热转换层。分别采用将部分大孔人为堵塞处理的轻木以及未被处理的原木作为基底开展实验，未被处理的原木作为基底时没有盐晶体析出。为了进一步验证原木的抗盐性能，Yu等将1g的盐颗粒放置在光热转换表面上，在经过2kW/m²的光照强度连续光照7h后盐分逐渐溶解，这说明基底材料内部的大通道结构可有效地保证基底的盐分扩散需求。Wang等选取空白中空间隔分布织物（BHSF）作为基底材料，得益于BHSF材料纤维自身的中空结构及其规整排列的约2mm大小的孔隙通道等，采用质量分数为20%的料液并经历1h的光照之后发现并没有盐结晶析出。

综上所述，为了满足蒸发的需求，基底结构需要源源不断地向蒸发界面供应料液并为盐离子扩散提供通道，基底材料的料液输运过程对盐分扩散过程以及系统蒸发过程都有重要影响。目前学者们关于料液输运过程对蒸发过程和盐分扩散过程的影响研究较少，其中关键参数的影响规律尚不明确。本文提出的蒸发界面与基底结构组合式的太阳能界面蒸发结构，可大大降低蒸发界面向料液池的导热量，但基底结构的供水性能和料液浓度对料液输运过程以及蒸发过程的影响与系统整体性能有直接联系。因此本文针对不同基底条件下的料液输运过程以及界面蒸发过程开展了实验研究，研究结果将为太阳能界面蒸发海水淡化系统的工程应用提供理论指导。

为了得到多孔材料不同上水高度所对应的上水速度，将垂直悬挂的材料划分为多个0.5cm的区间，记录水分扩散通过每一段区间所需时间Δt以及对应天平示数变化量Δm，烧杯内水质量变化量与时间差的比值即为该长度区间内的上水速率。

不同高度区间内的上水速率v通过式(1)得到。

式中，Δm为水流经该区间材料的吸水质量，mg；Δt为水流经该高度区间所需时间，s。

基于吸水性能好、热导率小、材质分布均匀、易于获取的原则，初步选了3种多孔材料作为基底，材料外观以及微观结构如图2所示。高分子纤维类材料2种（高分子纤维-1和高分子纤维-2）、聚乙烯醇（PVA）类材料1种（聚乙烯醇）。材料均为扁平长条结构，其中高分子纤维-1和聚乙烯醇两种材料的厚度约为2mm、高分子纤维-2材料的厚度约为4.6mm。高分子纤维-1材料由丝状纤维组成，孔隙之间的通道可达数百微米，且多孔通道具有互联互通的特点。高分子纤维-2材料内部孔为层状的大孔，宽度约40μm，长度方向可达100μm以上，并且每层之间具有互相连通的小孔。聚乙烯醇材料内部为互相连通的孔，占比较多的大孔尺寸约为60μm。

本研究的水分输运性能实验中，存在的误差有水分扩散高度测量误差、上水质量测量误差和基底材料切割误差。

（1）水分扩散高度测量误差根据式(2)计算。

式中，h为上水高度；Δh为测量工具的测量精度，1mm；Δm为称重使用天平的测量精度，1mg，实验中测重最小为100mg；Δl为测量工具的精度，1mm，实验中切割最小宽度为10mm。

水分输运性能实验总误差根据式(5)计算。

本研究蒸发性能实验中，存在的误差有蒸发质量测量误差η₁、光照强度测量误差η₂和蒸发面积测量误差η₃。

（4）蒸发质量测量误差根据式(6)计算。

（5）实验中，使用光功率计测量模拟光源的光照强度，光照强度测量误差η₁=5%。

（6）蒸发面积测量误差根据式(7)计算。

式中，Δm为称重使用天平的测量精度，1mg，ΔA质量变化的区间为300mg；为测量蒸发面积精度，0.01cm²；A为实验中蒸发面积大小，9cm²。

（7）蒸发性能实验总误差根据式(8)计算。

本文中上水高度定义为某一时刻下料液在基底输运过程中达到的高度。上水速度定义为某一时间段的上水量与上水时间的比值。对于应用来讲，上水高度更直观，所以本文给出了上水速度水上水高度的变化曲线。

高分子纤维材料-1的上水速度随着料液浓度的变化如图5所示，可以看到：在同一料液浓度下，上水速度随上水高度逐渐减小；在同一上水高度条件下，上水速度随着料液浓度的增大而减小。随着上水高度的增加，重力逐渐增大，上水阻力增大，因而上水速度逐渐减小；料液盐度增大导致黏度增大，上水速度减小；除了黏度的影响外，还由于该纤维表面的亲水极性基团随着料液浓度的增大，其亲水性逐渐变差，使得材料对水的毛细作用力减小，从而上水速度逐渐减小。

料液质量分数为0以及3.5%时，对于三种基底宽度，蒸发界面未析出盐分晶体，说明蒸发界面处料液浓度未达到饱和，此时盐离子对蒸发速率带来的影响较小。料液质量分数为15%、基底宽度为2mm时，随着蒸发的进行，蒸发速率逐渐减小，从第20min的2kg/(m²·h)减小到70min的1.88kg/(m²·h)，降幅为6%，蒸发进行至40~50min时蒸发界面处开始出现盐分晶体，盐分晶体内的水分较难蒸发，同时盐分晶体还阻碍了蒸发界面对光照的吸收，导致蒸发速率随时间变化逐渐减小；料液质量分数为15%、基底宽度为4mm以及8mm时，蒸发界面也析出了盐分晶体，但蒸发速率随时间变化的幅度小，这是由于与基底宽度为2mm时相比，基底宽度的增大促进了盐离子向料液的扩散，改善了蒸发界面处料液浓度增加对蒸发带来的抑制作用。

由图9可以看出，在同一料液浓度下，随着基底宽度的增大，蒸发速率逐渐增大，当料液质量分数为0时，基底宽度由2mm增加到4mm时，平均蒸发速率增加了8.4%，基底宽度大于4mm后，基底宽度对蒸发速率影响不明显了。当料液质量分数为3.5%和15%时，基底宽度由2mm增加到8mm时，平均蒸发速率分别增加了1.3%和6%。

当料液质量分数为0时，随着基底宽度的增大，上水量逐渐增大，使得蒸发速率增大；但随着基底宽度增加，蒸发速率增大的趋势逐渐减弱。这主要是由于基底宽度小于4mm时，基底上水量尚未满足蒸发需求，上水量增加引起的蒸发速率增加明显；而基底宽度大于4mm时，基底上水量接近蒸发需求，蒸发速率增加不明显。当料液质量分数为3.5%时，随着基底宽度的增大蒸发速率也逐渐增大，但是蒸发速率的增幅相较于料液质量分数为0时减小，这是由盐离子对蒸发的抑制作用引起的。

当料液质量分数为15%时，随着基底宽度的增大，蒸发速率逐渐增大；而在同一基底宽度下，随着蒸发过程的进行，蒸发速率逐渐减小，但随着基底宽度的增大，蒸发速率减小的趋势逐渐变小。这是由于随着蒸发地进行，蒸发界面处盐离子浓度逐渐增加，较大浓度的Na⁺对水分子的吸附作用增强，影响了蒸发性能；但是随着基底宽度的增大该影响逐渐减弱，说明增大基底宽度在一定程度上不仅可以增大上水量，进而增大蒸发速率，而且可以使更多盐离子扩散回料液池，缓解蒸发界面处高浓度料液带来蒸发过程恶化的影响。

通过上述分析可知，一定基底宽度下，料液浓度增大使得蒸发速率减小；一定料液浓度下，基底宽度增大使得蒸发速率增大。因此可以推测，在基底宽度和料液浓度对蒸发性能的共同影响下，即在料液浓度和基底宽度同时变化的条件下，蒸发速率可能存在最大值。

从图10中可看到，对于本文范围内所有的基底宽度，随着料液浓度的增大，蒸发速率均逐渐减小，原因如2.1节分析。料液质量分数介于0~10%区间时，随着基底宽度的增大，蒸发速率先增大后减小，蒸发速率存在一个最大值，且随着料液浓度的增大，蒸发速率最大值对应的基底宽度增大。这是由于，基底宽度较小时，蒸发结构的上水量不能满足蒸发界面的蒸发需求，但是随着基底宽度的增大，上水量逐渐增加，逐渐接近蒸发界面的蒸发需求，使得蒸发速率增大并逐渐达到最大值；但是当蒸发速率达到最大值之后，随着基底宽度的进一步增大，上水量大于蒸发界面需要的蒸发量，且蒸发界面向料液池的导热损失逐渐增大，进而使得蒸发速率逐渐减小。相比于浓度为0的料液，其他浓度料液的蒸发速率由于盐离子的存在会变小，但考虑到基底宽度增大时，上水量的增大有助于蒸发界面处的盐离子扩散回料液池，降低蒸发界面处的盐离子浓度，因此随着料液浓度的增大，蒸发速率最大值向基底宽度增大的方向偏移。本文实验条件下，料液质量分数分别为0、3.5%和10%时，最大蒸发速率分别为2.38kg/(m²·h)、2.3kg/(m²·h)和2.15kg/(m²·h)，对应的基底宽度分别为8mm、10mm和10mm。

当料液质量分数为15%和20%时，蒸发速率随着基底宽度的增大逐渐增大，未出现减小的趋势，且在蒸发过程中蒸发界面均出现了如图8所示的盐分晶体。这主要是由于增大基底宽度，上水量增加的同时增强了盐分扩散作用，缓解了盐离子对蒸发的抑制作用，总体效果增大了蒸发速率，但增强的盐分扩散作用并不能完全满足盐分扩散需求，使得蒸发界面均出现了盐分晶体。根据料液质量分数为3.5%~10%时极值点随基底宽度的变化规律，可推测料液质量分数大于15%时，蒸发速率极值点出现时的基底宽度要大于12mm。在本文实验条件下，料液质量分数分别为15%和20%时，基底宽度为12mm时，对应的蒸发速率分别为2.12kg/(m²·h)和1.95kg/(m²·h)。

本文针对太阳能界面蒸发海水淡化系统，搭建了料液输运实验平台以及界面蒸发实验平台，研究了料液浓度对料液输运性能的影响以及基底宽度和料液浓度对蒸发性能的影响，得到如下结论。

（1）基底材料的上水速度随着盐水浓度的增大而减小，速度变化曲线为指数曲线，刚开始速度降幅较大，而后速度变化逐渐平缓。

（2）对于高分子纤维材料-1的蒸发实验中，在一定料液浓度下，基底上水量小于界面蒸发需求时，随着基底宽度增大，蒸发速率逐渐增大；反之，随着基底宽度增大，蒸发速率逐渐减小，蒸发速率随基底宽度的变化存在最大值点。

（3）在一定的基底宽度下，蒸发速率随着料液浓度的增大而减小；且随着料液浓度的增大，蒸发速率最大值向基底宽度变大的方向偏移。

（4）在本文研究中，料液质量分数为0、3.5%、10%时，蒸发速率最大值分别为2.38kg/(m²·h)、2.3kg/(m²·h)、2.15kg/(m²·h)，对应的基底宽度分别为8mm、10mm、10mm；料液质量分数为15%和20%时，蒸发速率最大值对应的基底宽度大于12mm。

基于上述研究成果，对于太阳能界面蒸发海水淡化系统的工程实践应用，应以获取蒸发稳定后的最大蒸发速率为目标，避开盐分结晶的工况，不同浓度的料液应匹配最优的基底宽度，达到最大蒸发速率。