CEJ?太陽能驅動蒸發和鹽結晶的孔性能和潤濕性的協同效應

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研究背景

太陽能驅動的界面蒸發（SDIE）面臨著光熱材料上鹽結晶的持續挑戰，這損害了長期穩定性。在這里，商業聚氨酯（PU）海綿被用作模型基底，通過系統地調節孔徑（100-300 μm）和表面潤濕性來制造15種光熱材料，從而能夠全面研究它們對蒸發和鹽沉積的耦合影響。與之前專注于單一參數的研究不同，這項工作將半浸沒實驗與有限元傳質模擬相結合，揭示了孔徑、潤濕性和鹽結晶高度之間的非線性耦合，提供了超越單因素調節的機理見解。實驗結果表明，孔結構和潤濕性都強烈控制蒸發性能。在相同的潤濕性下，減小孔徑增強毛細作用，從而改善水傳輸并加速蒸發。值得注意的是，超親水性PU60@P3-Q海綿（平均孔徑144 μm）實現了3.29 kg·m-2·h-1的最高蒸發速率，是PU50-Q（287 μm）的兩倍。更重要的是，使用大面積聚氨酯海綿的室外試點試驗在8小時內產生了7.5 kg m-2的淡水產量，并證明了良好的經濟可行性（1.12-4.54 USD m-2）。本研究闡明了孔徑和潤濕性在蒸發結晶調控中的非線性耦合效應，既具有機理創新，又具有實際應用價值，為太陽能界面蒸發技術的發展提供了重要依據。相關工作以Synergistic Effects of Pore Performance and Wettability for Solar Driven Evaporation and Salt Crystallization為題發表在《Chemical Engineering Journal》期刊。（JCR一區, 中科院一區TOP, IF=13.2）

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研究內容

本文以聚氨酯（PU）海綿為模型基底，研究了孔隙性能和潤濕性對太陽能驅動蒸發和鹽結晶的協同作用。該研究探討了調節孔徑（100-300 μm）和表面潤濕性（超親水性和超疏水性）如何影響太陽能驅動界面蒸發系統中的蒸發速率和鹽結晶。調控PU海綿的孔徑與潤濕性的原理如圖1所示，使用不同的PVA濃度（1%、2%、3%）調節孔徑，并分別通過PPy/PDMS改性實現超親水/超疏水表面，產生15種不同的樣品，包括5種孔徑類型和3種潤濕類型。采用SEM分析了PPy納米粒子附著和PDMS涂層引起的PU海綿表面形貌變化。在PPy納米顆粒沉積后，SEM圖像顯示顆粒牢固地附著在骨架表面，形成粗糙的紋理。原始聚氨酯海綿呈現出孔徑約為140-300 μm的互連開放多孔結構。這種開放的孔隙結構有利于光熱水分蒸發，并可通過毛細作用實現高效的水分傳輸，保證了蒸發界面的持續供水。改性后PU海綿的壓汞測試及水接觸角測試如圖2所示，摻雜不同濃度PVA的三種PU海綿的孔徑主要集中在100-300 μm范圍內，呈現雙峰或寬峰分布，表明材料中存在初級和次級孔隙的分級結構。吡咯和過硫酸銨氧化聚合生成的PPy賦予海綿超親水特性，水滴可以在12 ms內完全滲透到海綿中。PDMS改性的海綿的接觸角在150°-155°之間，表現出超疏水特性。PU海綿的室內蒸發測試如圖3所示，超親水性PU60@P3-Q海綿（平均孔徑144 μm）實現了3.29 kg m-2 h-1的最高蒸發速率，是PU50-Q（287 μm）的兩倍。超親水改性的PU海綿的蒸發速率遠遠大于未改性和超疏水改性的PU海綿，且孔徑越小，蒸發速率越高。PU海綿的半浸泡實驗如圖4所示，PU60@P1-Q的最高結晶高度為4.8 cm，顯著高于PU60-Q的4.0 cm和PU50-Q的3.8 cm。值得注意的是，PU60@P3-S的結晶高度略高（2.3 cm），這是由于高PVA含量和局部毛細管力突破疏水屏障導致的小孔徑。鹽結晶高度差異的根源在于溶液滲透與蒸發速率的動態平衡。基于有限元模擬構建的傳質模型如圖5所示，結果表明孔徑和潤濕性在調節蒸發過程中鹽遷移和結晶中的重要性。毛細作用和蒸發速率之間的動態平衡控制著鹽在海綿上的分布。超親水材料加速鹽遷移到表面，而疏水材料減緩這一過程，導致較低的結晶高度。例如，超親水性PU60@P1-Q顯示出最高的結晶高度（4.8 cm），這與改善的溶液滲透和鹽向蒸發界面的遷移有關。相反，超疏水基團，如PU60@P3-S，由于水滲透受限，具有最低的結晶高度（2.3 cm）。大型PU海綿的室外蒸發試驗如圖6所示，使用大面積PU海綿的室外中試試驗在8小時內產生了7.5 kg m-2的淡水產量，并證明了良好的經濟可行性（1.12-4.54 USD m-2）。

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研究數據

圖1.（a）PU海綿調節孔徑和潤濕性示意圖；（b-c）PPy改性的超親水性PU海綿的SEM圖像；（d-e）原始PU海綿的SEM圖像，顯示其具有光滑和互連的孔結構；（f-g）通過沉積PDMS改性的超疏水PU海綿的SEM圖像。為清楚起見，圖中標記了特征孔徑（140-300 μm）。

圖2.（a-f）PU60@P1、PU60@P2和PU60@P3壓汞試驗后的主要數據：（a）孔徑分布密度函數；(b)累積侵入汞與孔徑的關系；(c)中值孔徑；(d)主干分形維數；(e)特征長度；(f)孔隙度和滲透率；(g)超親水性改性海綿的高速相機照片；(h)原海綿水接觸角；(i)超疏水改性海綿水接觸角。

圖3.（a）未改性組在1小時內的溫度變化；（b）PU50系列在1小時內的溫度變化；（c）未改性組的蒸發速率曲線；（d-f）分別為未改性組、超親水改性組和超疏水改性組在純水環境下的蒸發速率和光熱轉換效率；（g-i）PU50、PU60、PU60@P1系列在純水環境中的蒸發速率和光熱轉換效率。

圖4.（a）半浸泡試驗裝置示意圖。（b）20天內PU60@P1-Q、PU60@P2-Q、PU60@P3-Q的鹽結晶高度的變化。（c-e）未改性組、超親水改性組和超疏水改性組中海綿的最終結晶高度的比較。

圖5. 不同孔徑和不同潤濕性樣品的傳質模擬。

圖6. (a-b)蒸發裝置的數字照片和具體尺寸；(c)光熱材料的照片；(d)蒸發開始時的水蒸氣冷凝；(e-f)蒸發后海綿表面無鹽結晶；(g)蒸發器面積與其他文獻的比較；(h)5月18日室外蒸發期間的太陽強度、室外溫度和濕度；(i)鹽水脫鹽前后Na+的濃度；(j)不同孔徑海綿內部和外部蒸發速率的比較；(k)PU50和PU60@P1-Q的經濟分析圖；(l)目前報道的太陽能蒸發器的材料成本比較。

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研究結論

這項研究揭示了多孔光熱材料在界面蒸發過程中，如何通過調控孔徑梯度與表面潤濕性來影響鹽結晶行為。研究發現，孔徑與潤濕性的協同作用可重塑鹽溶液遷移路徑：當孔徑縮小至臨界閾值時，分級孔結構通過增強毛細效應和比表面積提高光熱效率，但其滲透阻力與鹽截留能力呈非線性關系。研究突破了傳統單一抑鹽策略的局限，提出“孔徑-潤濕性-傳質動力學”三元調控框架，為多孔光熱材料設計提供新思路，推動太陽能界面蒸發技術產業化。未來仍需關注長期循環中結晶應力對孔結構的機械損傷、復雜離子體系的競爭吸附效應，以及實際光照波動對蒸發穩定性的影響。

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https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.168459

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