Desalination|非对称界面太阳能蒸发器通过定向溶质对流实现连续零液体排放

第一作者：高源（成都理工大学）

通讯作者：李小可（成都理工大学）、王佳程（成都理工大学）、郑明明（成都理工大学）

通讯单位：成都理工大学材料与化学化工学院

DOI：10.1016/j.desal.2026.120862

1

成果简介

近日，成都理工大学李小可课题组在《Desalination》（IF=9.9）发表了题为“ Asymmetric-interface solar evaporators directed solute convection for continuous zero liquid discharge ” 的研究论文。

为解决连续太阳能驱动零液体排放（ZLD）系统中无控制结晶的难题，本研究开发出一种非对称界面的太阳能蒸发器，实现了真正的传质-结晶双重解耦。通过巧妙地将高通量PCA水凝胶与惰性树脂外壳集成，该设计可自主驱动持续的马兰戈尼对流。结合内置的毛细管网络和化学静电排斥作用，这一结构不仅克服了质量传递瓶颈，还主动将溶质从蒸发核心区域排出。因此，复合蒸发器在1个光照条件下表现出优异的蒸发速率，能够达到 4.61 kg m-2 h-1。值得注意的是，该装置实现了水蒸气化与盐析分离的分离，可在近饱和盐水（25 wt% NaCl）中稳定运行超过10天，功能区无盐垢沉积，盐分回收率高达0.496 kg m-2 h-1。关键的是，利用实际渤海海水进行的户外验证实现了高达2.34 kg m-2的淡水产量，且淡化水严格符合世界卫生组织（WHO）的饮用水标准。这项工作从根本上改变了太阳能海水淡化设计范式，从被动耐盐转向主动、自主的溶质管理，为下一代可持续高盐废水处理与资源回收提供了坚实的材料工程框架。

2

研究背景

全球水资源短缺推动了太阳能界面蒸发的发展，但现有海水淡化技术不可避免地产生高浓度浓盐水，传统零液体排放技术能耗极高。为此，研究者开发了多种耐盐蒸发器，如亲水通道和Janus结构，但这些方法均基于“再溶解”的自清洁机制，与零液体排放即收集固体盐的目标根本不相容，必然导致不可控结晶。近期提出的局部结晶策略虽能将盐结晶限制在边缘区域，但仍面临驱动力不稳定和蒸发与结晶未能真正物理脱耦两大挑战。因此，亟需利用材料本征的驱动力实现定向溶质对流，并提供物理隔离的静止微环境以确保连续结晶。基于此，本文提出了一种不对称界面设计，将高通透性水凝胶蒸发区与惰性树脂结晶区结合，利用蒸发速率差异自主建立持续的Marangoni对流，实现溶质传输与结晶的双重解耦，从而严格防止核心蒸发区盐沉积，实现连续零液体排放。

3

研究内容

图1. 运输-结晶双重解耦机制的流体动力学可视化：(a) 非对称蒸发器实现定向盐分结晶的示意图；(b) 10小时内归一化溶质浓度场的空间时间演化三维旋转图像，展示了宏观溶质迁移过程以及外围结晶的成功分离；(c) 二维横截面视图，将瞬态浓度场与流体速度矢量场（红色箭头）耦合显示。

图2. PCA水凝胶的制备工艺及其结构与组成表征。(a) PCA水凝胶制备过程示意图，(b) 水凝胶在不同放大倍数下的扫描电镜图像，(c) 水凝胶的能谱元素分布图，(d) AM、c-CNFs、AMPS和PCA的傅里叶变换红外光谱，(e) PCA水凝胶中O 1s和(f) S 2p的高分辨率XPS光谱。

图3.优异的光热转换性能和局部热管理能力。（a）PCA水凝胶的紫外-可见-近红外吸收光谱，（b）PCA-2水凝胶表面温度与水面温度变化曲线，（c）在1太阳光照下随时间变化的质量变化曲线，（d）红外热成像显示PCA-2表面瞬态温度演化过程，（e）不同组分比例下水凝胶的饱和含水量和接触角，（f）PCA水凝胶的拉曼光谱，（g）示意图说明水凝胶网络中水分子的不同状态（自由水、结合水和束缚水）。

图4.太阳能驱动蒸发性能及PCA蒸发器的瞬态热流体动力学机制。（a）随时间变化的质量变化曲线，（b）不同蒸发器结构在稳态下的蒸发速率对比，（c）PCA-2蒸发器与单一水凝胶在12小时内的长期蒸发稳定性比较，（d）二维横截面模拟显示温度场的空间-时间演化（彩色图）与流体速度场（箭头），（e）三维模拟展示初始启动阶段湿度场（液滴扩散）的超快瞬态演化过程。

图5. 长期ZLD运行稳定性及连续盐分采集性能。（a）PCA蒸发器在长时间运行期间的时序光学照片及其对应的循环蒸发速率，显示了周边区域持续积累盐分以及界面自清洁现象

图6. 对极端高盐度海水淡化、长期户外海水-盐资源采集及全球应用可行性进行全面评估：(a) 不同盐度（0%至25%重量百分比）下PCA蒸发器随时间变化的质量损失，以及相应的稳态蒸发速率；(b) 太阳能淡化前后五种主要离子的浓度变化；(c) 扩大版户外太阳能淡化原型装置示意图；(d) 49天内户外设备累计收集的淡水质量；(e) 长期循环盐资源采集量；(f) 主要盐湖的全球分布图，整合了预测的日均淡水产量与长期全球平均水平太阳辐射强度（GHI）。

4

作者简介

第一作者：

高源，成都理工大学材料与化学化工学院2024级硕士研究生。

邮箱：g15124342041@163.com

通讯作者：

李小可，成都理工大学副教授，硕士生导师，西安交通大学博士后，主要从事太阳能光热转换与太阳能热利用技术相关领域的研究，截止目前共发表SCI论文及中文核心期刊论文70余篇，总他引次数超过2000次，H指数为15，并有多篇论文入选ESI热点论文和高被引论文，连续三年入选全球前2%顶尖科学家(2022，2023，2024)。

邮箱：xiaokeli319@126.com。

王佳程，成都理工大学能源学院讲师。2025年毕业于重庆大学，获动力工程及工程热物理专业博士学位，同年入选成都理工大学“珠峰引才计划”B类骨干人次。从事仿生固液界面的设计及光热界面蒸发方向的研究课题。作为骨干成员参与国家自然科学基金青年基金、面上项目等国家级科研项目，现主持成都理工大学“珠峰引才计划”科研启动基金项目。迄今累计发表SCI论文二十余篇，论文总被引次数超过800余次，H指数为13，其中以第一/共同第一作者身份在Nature Communications、Nano Energy等期刊发表论文多篇。

邮箱：jcwang@cdut.edu.cn

郑明明，成都理工大学教授，博士生导师，四川省高层次青年人才。从事油气钻完井工艺研究，承担国家级、省部级和油田公司等科研项目40余项。以第一和通讯作者发表学术论文40余篇（SCI/EI检索34篇），主编专著2部，授权国家发明专利31件。获湖北省科技进步二等奖、中国职业安全健康协会科技进步奖特等奖、中国电建科学技术奖特等奖、中国岩石力学与工程学会科技进步二等奖等奖励。

邮箱：mingmingzheng@hotmail.com

5

https://doi.org/10.1016/j.desal.2026.120862