耐盐型太阳能驱动界面光热材料及蒸发器的研究进展

李吉焱，景艳菊，邢郭宇，刘美辰，龙永，朱照琪

（兰州理工大学石油化工学院，甘肃 兰州 730050）

清洁淡水的缺乏是目前普遍的全球性问题，全球有超过三分之一的人口生活在淡水资源紧缺的国家或地区[1]。海水是地球上最丰富的水资源，约占地球表面积的75%，因此海水淡化被认为是解决淡水资源紧缺问题最具发展前景的技术。目前，海水淡化技术中反渗透膜法、多效蒸发、压气蒸发、电渗析法、多级闪蒸法、离子交换法和太阳能蒸发等多种脱盐方法已经得到了很好的发展[2]。尤其是太阳能蒸发因清洁、不消耗常规能源以及成本低廉等优势引起了研究者们广泛关注[3]。近年来，为了克服传统太阳能蒸发过程中对整个水体进行加热而导致热损失严重，学者们开发了太阳能驱动的界面蒸发技术，即利用太阳能加热光热材料表层的空气-水界面实现局部集热产生蒸汽[4-5]。该方法提高了太阳能利用效率，已成为海水淡化领域的关键技术。

太阳能驱动界面蒸发技术（SDIE）的研究主要集中在强化光热材料的性能，具体包括：①优异的光捕获性能，在全光频范围内吸收太阳辐射，并转化为热量；②良好的孔性能，能够快速地传输水分；③超低的导热，有效减少热量向水体扩散造成的能量损失[6-7]。迄今为止，按照上述三项光热材料性能的设计原则，研究者做了大量的工作来制备和改善光热材料。主要包括生物质材料[8-12]、碳基材料[6,13-15]、聚合物材料[16-19]、半导体材料[20-23]及天然矿物材料[24-26]等。生物质光热材料具有成本低廉、比表面积高、环保和可再生等特点，受到研究者的普遍关注，但材料制备的均一性较差，难以有效调控功能特性，推广受限。半导体光热材料以使用黑钛类、铜硫化合物为主，负载在低热导率的多孔基底上，但由于半导体自身结构的限制，导致大部分半导体光热材料蒸发效率不显著，因而限制了半导体光热材料的进一步发展。贵金属纳米光热转换材料中，金和银等贵金属纳米材料虽然具有较高的光热转化性能，但其成本较高，不利于大面积的应用。另外，金属离子活性较大、易于腐蚀，在阳光的长时间曝晒下不利于长期使用。聚合物光热材料制备的调控性较强，尤其在制备孔隙发达的光热材料方面，具有较强的优势。碳基光热材料具有宽频的光吸收特性、质量轻、化学惰性等特点，尤其是石墨烯、空心碳球和氧化石墨烯等因其低廉的成本和良好的加工性能成为研究者们优先选择的材料。

SDIE 经过近年来的迅速发展，已具备产业化条件。但盐的积累一直被认为是阻碍利用太阳能界面蒸发进行海水淡化的一大障碍，是太阳能界面蒸发研究的发展瓶颈[27-28]（图1）。在太阳能光热蒸发过程中，水分子从液相转变为气相，并沿光热材料的多孔通道迁移，其中的盐容易结晶而堵塞通道，同时光热材料表面积累的盐会遮挡阳光，影响光热转换效率[29-30]。

图1 光热材料盐结晶积累现象[31-34]

目前，解决耐盐的主要方法是将光热材料制备成垂向多级孔道结构或Janus 结构，这些策略已经被证明是解决耐盐问题的有效方法。对于垂向大孔材料，盐分能够在孔道内回流，对于双层结构材料，溶液中的盐离子无法进入或通过材料，从而实现的耐盐效果。不难看出，这些方法中耐盐性能的提高主要是通过盐的回流实现。因此，光热材料的孔径大小、曲度以及孔隙率等特征对于设计耐盐型光热材料十分重要。目前尽管不同种类、不同孔径的耐盐型材料已经被报道了，但事实上并不是所有具备多级孔道结构的光热材料都具有良好的耐盐特性和高效的太阳能转化效率。本文系统全面地总结了近年来报道的耐盐型光热材料及蒸发器，并依据不同的设计理念进行了分类，探讨了不同耐盐型光热材料及蒸发器的耐盐机理，总结了太阳能界面蒸发过程中为解决盐结晶问题所存在的共性问题，为设计制造更高效耐盐型光热材料及蒸发器提供理论指导和技术支持。耐盐型光热材料和蒸发器的设计分类如图2所示。

图2 太阳能驱动界面蒸发的耐盐型光热材料及蒸发器分类图

1 耐盐型光热材料的设计理念与研究现状

为了克服太阳能界面蒸发过程中的盐结晶积累问题，研究者对耐盐光热材料的开发进行了研究。从光热材料的结构和性能设计角度出发，通过调控孔结构、亲-疏水性、离子基团等方法实现耐盐，主要包括亲水型垂向多级孔道结构[8,32,35-38]、超疏水涂层[39-40]与Janus 结构[41-45]、离子排斥效应[46-51]等耐盐型光热材料。

1.1 物理消融

当盐结晶在吸收器表面形成时，最直接的方法是物理清洗，但外力冲洗对蒸发器会造成不同程度的损伤，更适合于柔性设备。Kou 等[52]利用碳纳米管基墨水对棉织物进行染色制得的蒸发器在经手洗后可去除表面的盐分，在洗涤15 次后仍能保持相对稳定的性能。Zhu 等[53]设计的可清洗的碳纳米管包覆聚丙烯腈非织造布具有1.44kg/(m2·h)的海水蒸发速率，在高浓度盐水中蒸发后形成的盐结晶可通过手洗去除[图3(a)]，且洗涤过程对蒸发性能几乎没有影响，具有良好的耐久性。但这种清洗方法治标不治本，在实际操作中效果不佳，还会增加成本。自消融是消除蒸发器表面盐结晶的一种简便方法，主要依赖于蒸发器中丰富的输水通道和良好的亲水性，使盐结晶在间歇操作时间内溶解在海水中，通常可以通过开关灯（或白天和黑夜）的交替来实现。Yang等[54]使用碳纤维和藜麦糠纤维素纳米片制成的多功能蒸发器具有良好的夜间盐自动消融能力，在3.5%和7.0%NaCl 溶液中工作12h 后，样品表面出现大量的盐结晶，但在静置一段时间后，表面盐会自动溶解，这是因为丰富的输水通道和良好的吸水能力帮助盐垢在间歇时间返回到模拟海水中。

图3 耐盐型光热材料

但以上方法中盐在蒸发器表面的逐渐沉积不但降低了其蒸发性能，而且限制了蒸发器的有效操作时间，不适用于大规模和连续生产。因此在高效蒸发的同时排斥盐分的太阳能蒸发器可以节省人力和物力，更具有实用价值。

1.2 亲水型垂向多级孔道结构设计

随着蒸发器表面的盐浓度不断增高，盐分会因为浓度梯度而自发扩散回散装溶液中，因此增强盐分的逆向扩散是防止盐结晶产生的一个有效策略[55]。在前期研究工作中，本文作者课题组曾利用微波和碱处理玉米秸秆制备了具有垂直通道结构的超亲水光热材料[图3(b)]。优异的亲水性能、排列有序的分层通道和大的孔径赋予它们优良的耐盐性，在20%NaCl溶液中进行连续6h的蒸发实验中，样品表面没有明显的盐结晶析出，在室温下继续观察30 天，未在其表面发现盐结晶[10]。在这项工作的基础上，通过离子液体辅助微晶纤维素的排列，制得具有垂直排列通道的蒸发器。由于特定的通道结构、高孔隙率和超亲水性，该蒸发器具有良好的耐盐性（20 天无结晶）[56]。Hu 等[32]将天然木头钻孔，并对其表面进行碳化，在太阳能驱动下，由于孔隙不同而引起水传输动力的差异，在毫米级的钻孔通道（低盐浓度）和微米级的天然木材通道（高盐浓度）之间形成了盐浓度梯度，从而产生盐的交换和回流，有效地防止了光热材料的盐结晶积累问题。此外Hu 的团队[31]展示的另一双峰多孔结构的太阳能蒸发器依赖于大容量通道的快速毛细管抽水以及微通道之间的水扩散和对流，可以快速补充表面汽化的盐水，避免了盐分的积累，同样具有优异的耐盐性。Xu 等[57]设计的多功能多孔陶瓷复合材料具有超亲水性、大孔特征、三维互连多孔结构和高孔隙等特点，其中大孔为海水的流动提供通道，高孔隙率保证足量的海水通量，超亲水性提供了快速的水传输能力。基于此，蒸发过程中盐结晶没有足够的时间沉积在样品表面，使该蒸发器具有优异的耐盐性。

亲水型垂向多级孔道结构设计，使光热材料具有优异的水传输能力，提供了高效的水供应和离子扩散通道，促进盐离子在浓度梯度的驱动下从顶部向底部水迁移，稀释蒸发区域内的高浓度盐水，防止盐结晶的产生。因此增强蒸发器的亲水特性和合理设计水的运输通道对于提高材料的耐盐性十分重要，但溶液在逆流扩散的过程中会损失掉一部分热量，这对于蒸发是不利的。

1.3 超疏水涂层设计

对吸收器表面的超疏水性设计是海水淡化过程中防止盐结晶的一种直接策略，其核心技术是阻断盐离子向光吸收表面的传输，以避免盐的形成。具体的设计类型又可分为独立的超疏水膜结构和Janus结构。

对于疏水性膜，由于其疏水性，在蒸发器与溶液接触的表面将形成一层气膜，海水不能进入其内部，以避免盐的形成。Zhang 等[58]制备了一种疏水和多孔的碳纳米纤维（HPCNF）作为太阳能蒸发器，HPCNF 的水接触角为145°，出色的疏水性使其具有优异的耐盐性能，在20%NaCl 溶液中蒸发6h 后在其表面没有盐结晶析出，在户外实验中，进行为期31 天的蒸发实验，也未有盐结晶析出。超疏水性膜结构的设计虽然可以有效防止盐结晶的产生，但薄膜直接浸泡在水中会散失热量。基于此，研究者开发了Janus蒸发器。

Janus 蒸发器具有不对称特性结构，由顶部超疏水层和底部亲水基底组成。超疏水层用于吸收太阳能，亲水层用于水传输。疏水表面拥有非润湿的特点，可以防止盐水的渗透，盐离子集中和成核只发生在亲水层。即使沉积的盐晶体呈现在这一层，也可以通过水的对流传输逐渐溶解。Xu 等[42]首次证明Janus 蒸发器可以实现稳定和高效的太阳能脱盐，所制备的柔性Janus 蒸发器，疏水层由碳黑纳米颗粒和聚甲基丙烯酸甲酯组成，碳纳米颗粒的沉积并不影响其疏水性，下层的亲水聚丙烯腈层用于供水，在16 天的耐盐实验测试中，该蒸发器显示出良好的稳定性，在内部和表面均未观察到盐。Hu 等[42]报道了一种基于SiO2/纤维素纳米纤维/碳纳米管混合网络的Janus蒸发器[图3(c)]，六甲基二硅氮烷处理的二氧化硅用作疏水涂层，疏水角为148°，在长达100h的脱盐测试中（3.5%NaCl溶液）表现出稳定的蒸发速率，太阳能转换效率超过80%。而在12%NaCl 溶液中进行6h 的耐盐测试过程中，蒸发器表面也没有明显的盐沉积。在近期的报道中，Alam 等[43]利用废旧棉织物与碳纳米管制备的具有Janus 结构的复合气凝胶具有稳定和可控的亲水/疏水层厚度，在水接触角的时变测量过程中，亲水层的水滴在10ms 内迅速消失，而疏水层水滴停留300s 时的接触角约为147°，表现出优异的疏水性。在海水中进行10h的蒸发测试中，蒸发器表现出1.7～1.75kg/(m2·h)的蒸发速率，且在蒸发器上没有盐颗粒产生。Li等[44]制备了具有光热响应性的自除垢Janus 纳米纤维蒸发器，在白天，该蒸发器显示出类似于传统Janus 蒸发器的不对称润湿性，在蒸发器中具有蒸发/结垢界面，防止盐在顶部表面积聚。到了晚上，该蒸发器变得完全亲水，能够冲洗整个蒸发器。基于此，该蒸发器在20%NaCl 溶液中表现出良好的耐久性，连续运行5 天，蒸发速率仅略有下降。基于对Janus 蒸发器开发的现状进行分析，不难发现，将亲水材料的表面通过简单的、低成本的超疏水改性，使溶液中的盐离子无法进入或通过材料，是增强光热材料耐盐性的一种有效的策略。但同时要尽量减少不利影响，如超疏水的改性要避免降低材料的光吸收能力和堵塞孔道结构。

疏水性表面设计虽然可以有效防止盐结晶的产生，但目前的疏水设计大部分为二维材料，今后的工作可以更多地考虑设计疏水性三维太阳能蒸发器，使其具有更优异的性能。此外，利用光电响应设计的Janus 蒸发器是今后工作的另一研究方向，而疏水改性或多或少会增加额外的成本，因此在保证优异性能的同时要尽可能使成本更低。

1.4 离子排斥效应

通过基于Daonan 排斥效应来调节材料的表面电荷也可防止蒸发器表面盐结晶的产生，当水分子通过蒸发器时，盐溶液中的离子会被材料中与之相同电荷的离子排斥，从而抑制盐结晶的产生[46-47]。例如Li 团队[46]基于聚(离子液体)单体和烟灰炭制备的Janus太阳能蒸发器具有优异的耐盐性。聚(离子液体)的咪唑基阳离子对盐溶液中阳离子的排斥以及Janus结构共同赋予了该蒸发器优异的抗盐性能，使得该蒸发器在20% NaCl 溶液中进行6h的蒸发实验中未有盐结晶的产生。

Liu 等[48]以商用油墨和硅藻土为原料，制备的太阳能蒸发器依赖于硅藻土对溶液中阳离子的阻隔作用使盐离子的转运受到抑制，蒸发器界面的盐离子浓度长期保持较低水平，故而有效地抑制了盐结晶的产生。Ge 等[49]制备的导电聚合物气凝胶，由于带正电荷的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)可以拦截氯离子，从而抑制了盐结晶的形成。生物炭中的官能团可以通过静电吸引、络合、金属-π 相互作用和离子交换来结合盐水中的金属离子，提高材料的耐盐性[50]。Zeng等[51]提出的离子泵效应是一种可同时实现高通量和排盐的新液体供应机制，为证实这一机制，他们将聚丙烯酸钠[P(SA)]嵌入微孔基质中制备了一种聚电解质水凝胶泡沫（PHF），在72h 的耐盐测试中，PHF表面没有明显的盐分沉积。这主要是因为P(SA)的高离子强度使得大部分盐离子在盐水/泡沫界面被排斥，虽然有少量盐渗入到PHF中，但它们被P(SA)链中的带电基团（CH2CHCOO-和Na+）捕获[图3(d)]。这一效应有望用于需要高通量和良好防污能力的各种化学传输和分离过程。

对比不同设计原理，不难发现，光热材料耐盐性能的提高主要是通过盐的回流实现。因此，光热材料的孔径大小、曲度以及孔隙率等特征对于设计耐盐型光热材料具有重要的影响。目前尽管不同种类、不同孔径的耐盐型材料已经被报道了，但事实上并不是所有具备上述设计要点的光热材料都具有良好的耐盐特性和高效的太阳能转化效率。并且，制备不同材质的耐盐型光热材料，需要对材料进行多种测试并不断拟合修正才能最终确定孔隙阈值，实现过程繁琐。另外，随着水分蒸发，盐分并没有分离出蒸发体系，而是进行聚集并逐渐形成结晶，最终堵塞材料孔隙，这是对光热材料在长效耐盐性能方面的重大挑战。

2 耐盐型蒸发器的设计理念与研究现状

在蒸发过程中，摆脱光热材料本身的束缚，将溶液中的盐迁移出蒸发体系，不失为增强耐盐性的另一有效方法。从这一角度设计理念出发，研究者除了在光热材料上进行耐盐性设计，还在整个蒸发体系内寻找提升耐盐性能的突破点，设计具有高效耐盐性能的蒸发器。目前，研究者通过调控盐溶液的溶度和盐的结晶位置已设计了多种耐盐型蒸发器，具体包括高浓度盐水分离设计[34,59-60]和迁移-定位结晶[33,61-66]等耐盐型太阳能界面蒸发器。

2.1 分离高浓度盐水式太阳能蒸发器

Zhang 等[59-60]提出了一种流体光热结构，通过操纵单向的海水流体，在盐浓度达到结晶极限之前将浓缩后的盐水排出蒸发系统，从而消除了盐在太阳能蒸发器表面沉淀的可能性，在长期的蒸发过程中完全防止盐分的产生。该团队[59]首先提出了一种由MOF衍生的介孔碳片（MC-NFAs），作为从盐水流中高效提取清洁水的太阳能-热能桥梁，采用该装置在盐水（3.5%）中持续150min 的蒸发过程中可以提供高于1.6kg/(m2·h)的水提取率，经过50 次的水提取循环，MC-NFAs 表面没有盐结晶的产生。此外，该流体系统对一些不溶性杂质（如藻类和悬浮颗粒）也可以起到过滤作用。随后他们[60]用聚苯胺/纤维素纸双层结构（PANI/CP）证明了这种独特的流体光热结构。PANI/CP 在润湿状态下具有98%高吸光度，在1 个太阳下的平均蒸发率高达1.56kg/(m2·h)，在100h 的耐盐测试中，流体光热结构有效防止了盐的形成，其性能没有明显的下降。流体光热结构对很多平面太阳能蒸发器具有普遍的适用性，这对于海水淡化过程中的长期耐盐具有重要的意义，除此之外，该装置可以同步发电。

Liu 等[34]设计了一种通过悬挂织物的间歇接触蒸发系统[图4(a)]，织物的两端置于海水箱中，通过毛细作用传输水流。弧形织物的上下表面暴露于空气中，在防止热量损失的同时进行双面蒸发，使得该蒸发器具有1.94kg/(m2·h)的蒸发速率。在该系统中，悬挂织物成弧形，在太阳能蒸发过程中，高浓度的盐水聚集在弧形织物的底层，最后掉下来收集。在21%的NaCl 溶液中进行12h的蒸发过程中，蒸发速率一直保持在1.9kg/(m2·h)左右，同时织物上未曾观察到盐的积累。随后Liu 等[67]受向日葵启发制备了分层的聚丙烯腈@硫化铜（PAN@CuS）织物，并开发了一个各向异性的蒸发模型。夹层的棉织物（PAN@CuS/棉/PAN@CuS）的两个边缘固定在不同高度的水箱中。高处的水箱里装满了海水，而低处的水箱最初是空的，用来收集浓缩后的盐水。当织物的倾斜角为30°时，蒸发率达到2.23kg/(m2·h)，并且在整个100h的蒸发试验中几乎保持不变，织物表面没有出现固体盐晶体，这是因为倾斜的织物使海水中的溶质有效转移和富集，从而避免了固体盐在织物上的结晶。与传统的浮动模型相比，各向异性模型在实际的太阳能脱盐方面显示出巨大的优势。

2.2 定位-迁移结晶太阳能蒸发器

虽然在蒸发过程中排出浓缩盐水可以防止盐结晶的产生，但高浓度盐水会流回散装水中，而不是被收集。在这种情况下，获得宝贵矿产资源的机会被浪费了，而且浓缩盐水的直接排放可能造成环境污染。因此控制盐结晶的位置，实现在空间上将盐的结晶与水的蒸发隔离是一个有效的策略，可以将盐的沉淀影响降到最低。

蒸发器内部产生的温度梯度会诱发马兰戈尼效应，加速水从蒸发器底部向顶部流动的速度，导致海水蒸发过程中蒸发器上特定位置的盐结晶。基于此效应，Wu 等[61]设计了一种仿生3D 太阳能蒸发器，在一个太阳的照射下可以达到2.63kg/(m2·h)的高蒸发速率和大于96%的太阳能转换效率。在高浓度盐水（25% NaCl）中，盐结晶发生在蒸发器的顶点位置，而顶点的盐结晶对于蒸发器的性能几乎没有影响。此外仿生3D 蒸发器还可以净化高浓度重金属溶液（10%CoCl2，20%CuSO4·5H2O），表明其在未来具有极大的应用潜力。Gao 等[62]制备的蜂窝状织物具有倒金字塔形状，盐结晶更容易沉积在蜂窝单元的顶部，通过在暗场中的自然溶解去除。在20%NaCl 溶液中，蒸发速率可达到1.92kg/(m2·h)。Shao 等[63]报道了一种新型多级被动式太阳能蒸发器，结晶与蒸馏在蒸发器的不同区域分开进行，在36h的连续测试中，蒸馏区的盐度被限制在12%以下，结晶盐仅在装置外部积累。

Xia 等[33]设计的太阳能蒸发器由蒸发盘和用于传输溶液的棉线组成，其中蒸发盘是由吸光层（碳纳米管）、水扩散层（超亲水滤纸）和隔热层（多孔聚苯乙烯泡沫）所组成。这种蒸发器主要是通过调整盐溶液在光热材料中的运输和分布，促使盐结晶在蒸发盘的边缘优先结晶，并在重力的作用下实现盐的分离和收集，可以实现从其他盐溶液（如Na2SO4、KCl、CuSO4、CoCl2）中 收 集 盐。在 连 续600h 的水蒸发和盐收集的测试中，盐结晶只发生在蒸发盘的边缘，在整个过程中水的蒸发速率基本保持稳定。该系统的提出对于太阳能蒸发器在可持续海水淡化、废水资源回收等方面的实际应用具有十分重要的参考价值。

Shi 等[64]利用硅/碳/硅（SCS）三层共轴纤维膜制备了一个杯状光热结构作为三维太阳蒸发器，盐结晶只发生在3D 杯状结构的壁面部分，在不高于15%的盐溶液中长期运转（超过72h）时，杯底不会有盐结晶的析出，杯壁的结晶可以使用刮刀去除以实现盐结晶的收集。更有趣的是即使在25%的极高盐浓度下运行，在120h 内水蒸发速率不会出现明显的下降。这种蒸发器的设计理念为处理高浓度盐水过程中实现零液排提供了一种有前景的技术。Xu等[65]展示了一种基于纸张的太阳能蒸发器，通过调节吸收器内的水平盐浓度梯度来实现局部表面盐沉淀，盐优先析出在蒸发器的外围，成功解决了盐结晶问题，同时实现盐的回收。在10%的盐溶液中，一天中该蒸发器可以实现40.3%的集水效率和400g/m2的产盐量。值得关注的是，该装置还有望收集其他矿物盐和微量元素。

针对目前大部分开发的光热材料不具备耐盐特性，本文作者课题组[66]基于咖啡环效应，设计了一个简单的迁移结晶装置[图4(b)]，以日常生活中最常见的亲水性材料作为盐迁移载体，配备在耐盐效果欠佳的光热材料边缘，在15 天的耐盐测试中，材料表面无盐结晶，且能够保持高效的光热转换效率，初步实现了光热材料耐盐性能的改善。该设计操作简单，成本低廉，在海水淡化领域具有巨大的应用前景。

2.3 非接触式太阳能蒸发器

将蒸发器与溶液隔离是防止盐结晶问题的策略之一。传统的蒸发器因为溶液与蒸发器直接接触进行热传导，难免会出现盐结晶现象。在非接触蒸发器中，采用热辐射和对流传热来代替热传导进行传热可以防止盐结晶的产生。Cooper等[68]开发了一个实验室规模的非接触式太阳能蒸发结构，由蓄水池、吸收器、发射器、过热器等组成，结构相对复杂。在一个太阳下运行8h 使得100g 的3.5% NaCl溶液完全蒸发，蒸发器表面也没有盐结晶的析出，足以证明该无接触蒸发器是完全耐盐的。Bian等[69]提出了一种太阳能热光汽化器（STPV），如图4(c)所示，STPV主要由气泡膜、吸收/发射器和支柱组成。该研究利用红外光子作为热源，可以在盐分积累的情况下稳定地蒸发水。当处理20%的盐水时，STPV 可以从沉积的盐层中稳定地蒸发水[在2 个太阳下的蒸发速率稳定在1.19kg/(m2·h)]。Xu等[70]展示了一种受睡莲启发的分层结构（WHS），该装置由顶部太阳能吸收器和底部支架组成。太阳能吸收器的分层设计在吸收太阳光的同时排除水汽。类似于睡莲的疏水表面使得水不能进入吸收器，而是在中间位置形成一个薄水层。在10%盐水中进行8h 的蒸发测试，WHS 的表面保持清洁，同时蒸发速率保持着较高水平。这充分说明WHS 可以用来处理高盐度盐水或高浓度废水。

2.4 自旋转式太阳能蒸发器

在高浓度盐水中蒸发时，随着时间推移，盐结晶开始在蒸发器的顶部析出，当析出一定量的盐结晶时，蒸发器的受力平衡被打破促使其自动旋转，析出的盐结晶重新溶解在溶液中，新的蒸发面将继续进行蒸发。依据这一原理，研究者们设计了圆柱形[71][图4(d)]和球形[72]自转式蒸发器以实现长期的耐盐。圆柱形蒸发器需要在盐结晶达到足够的质量时才能触发自旋转，积累的盐结晶会阻挡光的吸收。同时在旋转后需要重新加热蒸发面，会造成部分热量的损失，这导致其蒸发速率[1.41kg/(m2·h)]并不是很高。不同的是后者对于质量不平衡的敏感度更高（仅15mg的盐积累就可触发蒸发器的自旋转），缩短了盐结晶对光的遮挡时间，双蒸发区结构在降低热损失的同时可从环境吸收热量，加之大的蒸发表面积使其即使在20% NaCl溶液中也具有2.06kg/(m2·h)的高蒸发速率。

3 耐盐型光热材料及蒸发器的性能分析

通过对光热材料耐盐性设计的原理进行梳理（表1）和对不同盐浓度的蒸发速率进行对比（图5），不难发现，目前对光热材料耐盐性评价的标准主要是在盐溶液中进行蒸发测试过程中样品表面的盐结晶程度及测试过程中的蒸发速率。其中，盐溶液的最低浓度普遍采用的是海水中NaCl 的平均浓度3.5%，蒸发实验所持续的时间较长，为了缩短测试时间同时考察更极端条件下的耐盐性能，研究者通常将盐溶液的浓度进行提升，20% NaCl 溶液和25% NaCl 在耐盐性测试中被广泛使用，部分实验中对光照强度也适当地加强。而耐受周期的测试一般分两种测试环境：一种是在模拟光源（一般为1kW/m2）的照射下，进行长时间（6～15h）的连续蒸发测试；另一种是在室温条件下进行长效耐盐性测试，时间周期一般在10～30 天左右。检验光热材料在经过不同时间周期和不同浓度盐溶液的耐盐性测试后，光热蒸发速率和蒸发效率的变化情况是对其耐盐性优劣的重要佐证。非耐盐型光热材料经过盐溶液蒸发测试后，蒸发速率和蒸发效率会明显降低，而耐盐型光热材料的蒸发速率和蒸发效率一般不受影响。对目前已发表的耐盐型光热材料的蒸发速率进行分析，经亲水-垂向多级孔道结构耐盐性设计的光热材料，其蒸发速率和耐盐性能相对优于其他设计方法，具有较明显的优势。

图5 不同盐浓度的蒸发速率对比图

4 结语与展望

SDIE 作为一种绿色、环保、清洁、高效的新兴净水技术，有望成为解决全球水资源短缺问题的有效方法。但目前研究的蒸发器在实际运行过程中不可避免地会出现盐的结晶积累，从而降低蒸发效率，甚至导致蒸发器报废。本文综合分析前人的研究成果，通过对耐盐型SDIE 的最新研究进展的系统性梳理，对目前该领域存在的共性问题的进行提炼。不难看出，光热材料耐盐性能的提高主要依靠光热材料本身的孔性能和浸润性以实现盐离子的有效回流和扩散。其最主要的特征在于太阳能蒸发体系内盐离子以闭合的方式循环，这对光热材料本身耐盐性能的长效性提出了极大的挑战。随着SDIE的不断发展和优化，各类设计策略在解决耐盐问题中发挥着重要的作用。然而，对于解决盐结晶问题，太阳能界面蒸发目前仍存在以下几点共性问题。

（1）高效的太阳能蒸发光热材料依赖于材料本身的光吸收性能、孔性能、隔热性能等因素的协同作用，但这些特性对光热材料耐盐稳定性存在的影响并不明确。尤其是光热材料的孔径大小、曲度以及孔隙率等特征对于设计耐盐型光热材料具有重要的影响。因此，在今后的研究中需要进一步深入、系统地分析光热材料的孔性能与盐结晶规律的相互作用机理。

（2）通过改变材料孔性能并不能从根本上解决光热材料的耐盐问题，因为随着水分的蒸发，盐分并没有分离出蒸发体系。随着盐分的聚集，结晶会逐渐形成，是光热材料长效耐盐性能方面的重大挑战。因此，进一步开发具有鲁棒性的长效耐盐型太阳能蒸发器，仍然是该方向上需要重点解决的瓶颈问题。

（3）大多数耐盐性的测试是在模拟海水或实验室配置的NaCl 溶液中进行，而真实水体环境中存在各种酸、碱、盐、有机污染物和微生物，会严重影响光热材料和蒸发器的长期稳定性。目前报道的耐盐型太阳能界面蒸发器由于缺乏在复杂环境下运行的实验经验以及对影响蒸发器中水/蒸汽输送的微观机制的不明确导致现有的技术水平与实际应用之间存在较大差距。因此未来的研究可能需要对SDIE 的实际应用进行可行性研究，并不断反馈完善耐盐型太阳能驱动界面光热材料及蒸发器的设计与开发，来解决恶劣环境中的盐结晶问题。