All-Day, All-Weather Desalination Using a Contactless Evaporator with Antisalt Fouling Property

使用抗盐污无接触蒸发器进行全天候海水淡化

论文亮点

研究背景

• 全球水资源短缺问题日益严重， due to climate change and population growth，需要创新的水净化技术。
• 传统方法如反渗透虽然有效，但能耗高、成本大，而界面太阳能蒸汽生成（ISSG）技术有潜力降低能耗和成本，但面临盐积累和天气依赖性的挑战。
• ISSG技术在实际应用中受到盐污和不一致太阳光照的限制，需要解决这些问题以实现广泛应用。

研究方法

材料制备: 使用石墨烯氧化物（GO）溶液，通过太阳能还原法制备太阳能还原氧化石墨烯（SRGO）。SRGO粉末与聚偏氟乙烯（PVDF）混合形成墨水，通过浸涂法涂覆在碳纤维（CF）上，制成SRGO-CF。

蒸发器构建: 将SRGO-CF连接到铜带和铜线上，安装在聚苯乙烯泡沫基座上，用于绝缘和结构支持。使用超亲水滤纸作为水传输通道，构建不同高度的SRGO-CF-x蒸发器（x为1-5 cm）。

表征方法: 使用场发射扫描电子显微镜（FESEM）评估表面特性，X射线光电子能谱（XPS）分析元素组成，X射线衍射（XRD）检查晶体结构，UV-vis-NIR光谱仪表征光学特性。

蒸汽生成实验: 在控制条件下使用太阳能模拟器评估蒸发性能，测量水质量减少，使用红外热相机监测温度变化，直流电源供应电能。

海水淡化实验: 使用3.5 wt%和20 wt%盐溶液，在有无太阳光照和输入电压下测试脱盐性能，监测盐积累。

主要结论

• SRGO-CF蒸发器在1太阳光照下蒸发率超过理论极限，最高达4.27 kg/m²/h，得益于其优异的光热和电热性能。
• 在2.5V输入电压下，蒸发器可实现全天候操作，无盐污问题，蒸发率在盐水中达3.52 kg/m²/h（有光照）和2.32 kg/m²/h（无光照）。
• 该设计解决了传统ISSG蒸发器的天气依赖性和盐污问题，同时支持零液体排放的盐收集。

图片内容与分析结果

Figure 1: SRGO-CF-x接触less蒸汽发生器的示意图

分析结果: 该图展示了无接触蒸发器的设计概念，其中SRGO-CF作为热发生器，超亲水纸壁作为水传输通道，避免了直接接触，从而防止盐污。

Figure 2: (a) GO还原为SRGO的示意图。(b) GO的SEM图像。(c) SRGO的SEM图像。(d) GO和SRGO的XRD光谱。(e) SRGO-CF的吸收光谱。(f) SRGO-CF-x蒸汽发生器的数字照片。(g) IR热图像显示水通过周围纸壁快速传输

分析结果: 图2a显示了GO通过聚焦太阳能还原为SRGO的过程，颜色从棕褐色变为黑色。SEM图像（2b和2c）显示SRGO片层 exfoliation，表明成功还原。XRD光谱（2d）确认了GO还原，峰值变化。吸收光谱（2e）显示SRGO-CF在250-1100 nm波长范围内反射率低于5%，表明优异的光吸收能力。数字照片（2f）和IR图像（2g）展示了蒸发器结构和水的快速传输， within 180秒， due to 超亲水纸壁的纤维素纤维结构。

Figure 3: (a) 太阳能蒸汽生成实验设置的数字照片。(b) SRGO-CF-x在有和无1太阳光照下的蒸发率。(c) SRGO-CF-5设备在1太阳光照下不同输入电压的蒸发率。(d) SRGO-CF-5表面温度随输入电压和时间的变化

分析结果: 图3a展示了实验 setup，蒸发器隔离了与 bulk water 的直接接触。图3b显示，随着墙高度增加，蒸发率增加， due to net energy gain from surroundings。在1太阳光照下，蒸发率从1.83 kg/m²/h（1 cm）增加到2.78 kg/m²/h（5 cm）， all exceeding the theoretical limit of 1.47 kg/m²/h。图3c表明，添加输入电压（0.5-2.5V）显著提高蒸发率，最高达4.27 kg/m²/h at 2.5V。图3d显示表面温度随电压增加而升高，证实了光热和电热的协同效应。

Figure 4: (a) SRGO-CF-5对3.5 wt%盐水的蒸发性能比较。(b) SRGO-CF-5在2.5V（夜间）和1太阳和2.5V（ daytime）条件下的长期蒸发性能。(c) SRGO-CF-5对20 wt%高盐水的蒸发率。插图显示蒸发前后SRGO-CF的图像。(d) 3.5 wt%盐水脱盐前后四种主要离子的浓度

分析结果: 图4a显示SRGO-CF-5在盐水中蒸发率高，3.52 kg/m²/h at 2.5V and 1 sun。图4b展示长期性能稳定，无盐污，证实全天候能力。图4c显示即使在高盐水（20 wt%）中，蒸发率仍高，且蒸发器无盐积累（插图）。图4d显示脱盐后离子浓度显著降低，至少三个数量级，证实了脱盐效果。这些结果证明了蒸发器的抗盐污特性和高效脱盐能力。