太阳能驱动的界面光热蒸发技术因其低碳环保等特性在海水淡化以及盐湖提锂等领域受到了广泛的关注。然而，蒸发界面处盐垢的析出既会堵塞传质通道，也会阻碍光热转化，严重影响蒸发器的长期服役性能。近年来，众多的研究试图通过增强传质的方式来缓解盐垢的形成，但传质的强化通常伴随着传热的强化，意味着加剧了热量的损失，从而引起蒸发器整体蒸发效率的下降。
为了解决上述问题，浙江大学聚合物分离膜材料及其表界面工程(Surface and Interface Engineering of Polymer Membranes, SIEPM)团队开发了一种盐垢驱动翻转的两面神跷跷板光热蒸发器。该蒸发器具有一面疏水光热蒸发、一面亲水快速传质的两面神结构，不仅具有高的蒸发面积与低的热量损失，且在蒸发驱动下实现盐的定向传递，利用盐垢驱动翻转，实现自动除垢，在处理高浓盐水时展现出了高效和稳定的光热蒸发性能(图1)。该工作近期以“Self-Flipping Solar Seesaw Evaporators Leverage Scaling to De-Scale”为题发表在Small上(DOI：10.1002/smll.202310952)。文章第一作者为博士研究生陈奕舟，团队导师杨皓程研究员和徐志康教授为共同通讯作者。
图1. 两面神跷跷板光热蒸发器的设计思路及其自除垢机制示意图。
采用单面交替喷涂的方式在亲水巴沙木上构建了疏水PDMS/蜡烛灰光热层，成功制备了两面神跷跷板蒸发器(图2)。除赋予光热转化能力外，疏水的PDMS/蜡烛灰涂层也能使蒸发器漂浮在水面。而亲水巴沙木用于水溶液的自动泵送，确保蒸发过程中充足的溶液供给。
图2. 两面神跷跷板蒸发器的表面形貌及其性质。
跷跷板构型能够有效优化蒸发器的热管理及蒸发过程，提升其蒸发效率(图3)：1）能延长传质与传热路径，减少向本体溶液的热传导损失； 2）表面光功率密度的改变能调节相应的蒸发温度，不仅能减少向环境的热辐射与热对流损失，也能使部分区域温度低于环境温度，强化了环境蒸发效应； 3）引入额外的蒸发面积，有利于水的表面化以及蒸气的逸散。基于上述优势，该跷跷板蒸发器针对8 .0 wt%的盐水时的表观蒸发速率达2.65 kg·m-2·h-1，表观蒸发效率为181.0%。
图3. 两面神跷跷板蒸发器的光热蒸发性能。
在跷跷板构型下，蒸发驱动的定向传递能将盐离子由本体溶液传输至悬空一端，且使其富集而析出盐垢(图4)。当盐垢积累至一定量时，所施加的力矩会打破跷跷板的力平衡，引发自翻转，析出的盐被水溶液溶解，实现除垢。定向传递的方向会随翻转而改变，进而在另一端析出盐垢，为周期性的自翻转除垢创造了条件。
图4. 两面神跷跷板蒸发器的自翻转特性。
得益于跷跷板蒸发器的自除垢特性，其在浓度范围为8.0 - 20.0 wt%的盐水溶液中均能保持12小时的高效且稳定蒸发。此外，在连续120小时的测试中，该蒸发器的表面观察不到盐垢，依然展现出优异的蒸发稳定性，而与之对比，不具备自清洁特性的蒸发器表面被盐垢覆盖，性能下降46 %以上。
图5. 两面神跷跷板蒸发器的长期蒸发性能。
该跷跷板蒸发器可以规模化地拓展成集成式阵列，能在真实光照下从模拟高浓盐水中产生3.93 - 6.35 L·m-2·day-1的淡水。且该淡水已经满足世界健康组织(WHO)以及环境保护机构(EPA)的饮用水标准。
图6. 两面神跷跷板蒸发器阵列的户外实验。
综上所述，SIEPM团队设计了一种两面神光热跷跷板蒸发器，能实现高浓盐水中高效、长期且稳定的蒸发。独特的跷跷板构型不仅使其能够利用盐垢驱动翻转，实现除垢，保持蒸发的稳定性，也能优化蒸发器的热管理以及蒸发过程，提升其蒸发效率。该工作为光热蒸发器的设计以及克服蒸发过程中的盐垢问题提供新的思路。
论文信息：
Self-Flipping Solar Seesaw Evaporators Leverage Scaling to De-Scale, Small, 2024, 2310952, DOI：10.1002/smll.202310952.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202310952
