EES: 非对称蒸发提取淡水、盐和电能

第一作者：Yitian Wu

通讯作者：Swee Ching Tan, Hao Chen

通讯单位：新加坡国立大学、浙江农林大学

文章链接：https://doi.org/10.1039/D4EE04201H

利用太阳能界面蒸发从海水中提取淡水、盐分和电能是一种环保和可持续的资源获取方法。然而，传统的界面蒸发过程中，海水中的盐分析出会降低蒸发器的工作效率和稳定性。为了解决这一挑战，作者提出了一种创新的非对称蒸发模型，通过调控蒸发表面不同区域的水分供应/损失比，提高特定方向上的盐浓度梯度。这种设计使得盐分能够在蒸发器远离海水供应中心的一侧自动析出并积累，便于收集，同时避免了盐分对蒸发器工作区的附着和污染。此外，研究中引入了带正电的聚丙烯酰胺水凝胶（PAM），减缓了海水中阳离子的移动，同时允许阴离子快速通过。这种独特的特性导致蒸发过程中远离和靠近海水供应中心的蒸发器表面之间出现显著的阴离子浓度差异，从而产生电势差。利用这种设计，非对称蒸发蒸发器（AEE）不仅能够高效提取淡水（蒸发速率高达1.79 kg m^-2 h^-1）和固态盐（平均盐产量达280 g m^-2 day^-1），还能通过蒸发边界附近的盐析出点和最接近海水供应中心的位置作为电极端，有效提取并转换海水流动和蒸发过程中蕴含的能量为电能，产生高达350 mV的电压和约8.4 mA的电流。该研究以“Asymmetric Evaporation for Efficient and Simultaneous Extraction of Freshwater, Salt, and Electrical Energy from Seawater”为题发表在Energy & Environmental Science上。这项研究不仅推动了多功能太阳能蒸发器的发展，也为全球水资源短缺和能源挑战提供了有前景的解决方案，有助于增强环境可持续性和资源管理。

在资源日益紧张的今天，有效利用海水这一丰富资源，提取出对人类生存和发展至关重要的淡水、盐和电能，已成为全球性的迫切需求。太阳能界面蒸发技术以其环境友好和可持续性脱颖而出，它仅依赖太阳光就能实现从海水中提取淡水。这一过程不仅能够为干旱地区提供急需的饮用水，还能通过盐分的提取满足工业需求，同时开辟了一种全新的可再生能源途径。然而，随着海水中盐分的逐渐浓缩和析出，这些盐分会在蒸发器的工作区形成沉积，这不仅会阻碍蒸发效率，还可能对设备造成腐蚀，严重影响设备的长期稳定性和使用寿命。此外，尽管太阳能界面蒸发系统在能量转换方面具有巨大潜力，但如何高效捕获并利用这一过程中产生的能量，仍是技术发展中的一大难题。

1. PAM-CBF蒸发器的制备、表征和理论模拟

要点快读：

通过对天然竹纤维进行简单的成型、碳化和表面聚丙烯酰胺水凝胶改性，即可获得成本低廉但性能极佳的光热材料PAM-CBF disc。水凝胶的Zeta电位表明其表面带正电，可以排斥阳离子，让更多阴离子通过。吸收光谱、表面温度测试和接触角证明了该材料作为太阳能蒸发光热材料的优越性。理论模拟则证明了盐浓度梯度可通过非对称蒸发成功地调控。此外，非对称蒸发器表面更低的含水量也意味着更高的蒸发速率（在光热面面积相同的情况下，吸收等量的太阳能，加热更少的水）。

图1 PAM-CBF蒸发器的制备、表征和理论模拟

2. 非对称蒸发器在太阳能淡水获取中的性能

要点快读：

1.经过一段时间的稳定蒸发后，PAM-CBF蒸发器不同区域的实际盐浓度揭示了明显的不对称特征，与CFD模拟结果一致。这些实证发现有效地验证了CFD仿真对不对称蒸发模型的预测，证实了适当的不对称蒸发模型可以有效解决水分蒸发过程中盐沉淀阻碍蒸发表面的问题。

2.本研究通过水分输运材料和光热材料间的相对偏移实现非对称蒸发。通过对比发现，过度的偏移（100%）会导致蒸发面盐分析出从而降低蒸发器性能。从蒸发测试中可以看出，适度偏移的蒸发器展现了最佳的蒸发速率（1.79 kg m-2 h-1）和光-汽转化效率（94.4%）。同时，其还可实现海水淡化、染料净化和抗生素分离等功能。

图2 非对称蒸发器在太阳能淡水获取中的性能

3. 非对称蒸发器系统在盐收集中的性能和耐久性

要点快读：

1. 非对称蒸发蒸发器可实现盐分的自然掉落收集。且其具备极为优异的耐久性，可以在模拟太阳光下连续工作1800小时。室内和室外的放大实验则进一步证明了其应用潜力。

2. 非对称蒸发器可以在17.5天内收集5倍的固体盐。此外，在1800小时的连续蒸发测试中总共蒸发了3206.1 kg m⁻²淡水和收集量 71.4 kg m⁻²固体盐。

3. 由 4 个非对称蒸发器阵列组成的放大装置的平均日蒸发速率和盐收集速率分别是单个非对称蒸发器的 4.67 倍和 3.93 倍，突出了其在大规模实施方面的巨大潜力。

图3 非对称蒸发器在盐收集中的性能和耐久性

4. 非对称蒸发器系统在电能提取方面的性能

要点快读：

1. 通过对测试条件的控制，可以发现只有同时满足非对称蒸发和使用盐水（海水）时，蒸发器才能产生客观的电信号。结合水凝胶表面带正电的特性，非对称蒸发蒸发器的发电机理可以被归纳为非对称蒸发驱动的定向阴离子（氯离子）流动。

2. 光照可大大增强其电能输出，尤其是电流。这是因为光照增强了蒸发作用，从而大大提升了液体的流速，这一点可以被模拟证明。基于非对称蒸发器的系统还展现了优异的耐久性、可拓展性和实际应用潜力。

3. 两个串联的非对称蒸发器的输出电压和两个并联的非对称蒸发器的输出电流大约是单个非对称蒸发器的两倍，表明非对称蒸发器可以满足更高电压和电流输出的要求。通过在室外阳光下串联 4 个非对称蒸发器供电的计算器的成功运行表明其作为一种新型电能供应设备具有重要的实际适用性

图4 非对称蒸发器系统在电能提取方面的性能

作者提出了非对称蒸发的概念，并利用非对称蒸发调控蒸发界面不同区域的水分供应/损失比，从而控制了蒸发界面上的盐浓度分布，形成特定方向上的盐浓度梯度。得益于非对称蒸发，此设计的蒸发器可以同时从海水中高效获取淡水、固态盐和电能。相比于对称蒸发器，在保证水分供应的前提下，非对称蒸发器蒸发界面的总体含水量更低，从而能获得更高的蒸发速率。边缘结盐的特性利于盐分在重力作用下自然掉落。同时盐分从一侧排出的设计也可能降低了发电过程中离子的反向扩散，从而提高发电性能。所制备的蒸发器具备优异的耐久性，可以在1个太阳模拟阳光下连续工作1800小时。

【文章信息】

Yitian Wu et al. Asymmetric Evaporation for Efficient and Simultaneous Extraction of Freshwater, Salt, and Electrical Energy from Seawater, Energy Environ. Sci. (2024).

DOI: 10.1039/D4EE04201H

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