《Journal of Environmental Management》：Ion engineering toward solar interfacial evaporation: From molecular mechanisms to systemic integration
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太阳能驱动界面蒸发（SDIWE）通过低能耗和模块化设计成为海水淡化新方向，但高盐条件下盐结晶和性能衰减问题突出。离子工程通过整合功能性离子基团，协同Donnan排斥效应、抗多价电解质效应和Hofmeister效应，实现界面水活度调控与结晶抑制，显著提升蒸发效率。研究系统总结了离子基团化学设计、微结构调控、水态调制及结晶抑制策略，并探讨实验室成果向实际应用转化的挑战与机遇，包括刺激响应材料开发、绿色制造工艺及多尺度建模。
张伟华|宋长远|王正彦|李鹏来|杨健|程新峰|邢小静|赵一阳|邱东方|刘文涛
中国河南省南阳市南阳师范学院化学与制药工程学院，473061
摘要
太阳能驱动的界面水蒸发（SDIWE）技术以其低排放、低能耗和模块化设计而备受关注，被视为解决全球水资源短缺问题的有前景的方法。尽管具有这些优势，盐结晶和性能下降仍然是重要的挑战。传统的盐阻隔系统通常以提高耐久性为代价而牺牲了蒸发效率。本文强调了离子工程作为一种创新策略，通过将功能性离子基团引入聚合物网络来克服这些限制，从而提升SDIWE的性能。利用Donnan排斥效应、抗聚电解质效应和Hofmeister效应，离子工程能够实现内在的盐抵抗性，并在高盐度条件下保持高蒸发效率。本文系统总结了SDIWE领域离子工程的最新进展，包括离子单元的化学设计、微观结构演变、水态调节和结晶抑制等方面。此外，本文还探讨了从实验室研究到实际应用之间的差距，并概述了开发智能响应材料和系统级优化的未来机遇。
引言
水是生命和社会经济发展的重要资源；然而，其全球分布极不均匀，可获取的淡水非常有限。虽然水覆盖了地球表面的70%，但只有2.5%是淡水，而地表淡水（湖泊和河流）仅占这一比例的0.3%（Li等人，2021；Zhao等人，2018）。人口快速增长、工业化、城市化和气候变化进一步加剧了这一供应缺口。全球每年的淡水需求超过可持续供应量500立方千米/年，预计到2030年这一缺口将翻倍，可能导致全球一半以上的人口面临水资源压力（Sachs等人，2025）。因此，开发高效的低碳淡水生产技术已成为全球优先事项。
海水淡化和废水再利用是解决这一问题的主要方法。目前的方法包括反渗透（RO）（Piekutin，2021）、热蒸馏（例如多级闪蒸MSF）（Malik等人，2015）以及新兴的技术如膜蒸馏（MD）（Lu等人，2021）和正向渗透（FO）（Turetta等人，2024）。尽管这些技术被广泛采用，但它们存在固有的局限性。反渗透需要大量的能量（2-6千瓦时/立方米）来补偿渗透压，而热蒸馏过程（如MSF）则需要更高的热能输入（10-15千瓦时/立方米），这些能量通常来自化石燃料（Piekutin，2021；Prince等人，2025；Turetta等人，2024）。操作上的挑战，如膜对高盐度液体的敏感性、FO中的污染和结垢问题以及MD中的润湿风险，进一步限制了它们的实际应用（Gao等人，2023）。此外，高二氧化碳排放、浓缩盐水的排放以及与集中式基础设施相关的高资本支出（CAPEX），推动了人们对更节能、低排放和成本效益更高的替代方案的探索。
在这种情况下，太阳能驱动的界面水蒸发（SDIWE）作为一种分散式的淡化方法应运而生，直接解决了上述许多限制。SDIWE利用光热材料在液-气界面局部加热，仅加热薄层液体而不是整个水体（Tao等人，2018；Zhao等人，2018, 2020；Zhou等人，2019）。界面加热减少了热量向水体的传递，使太阳能到蒸汽的转换效率从传统加热方式的约40%提高到界面设计的90%以上（Liang等人，2024；Tan等人，2023；Zhou等人，2016b）。它几乎不需要能量输入，直接碳排放量可以忽略不计，简单的模块化架构降低了资本支出（CAPEX），便于在偏远地区部署。
最近的SDIWE发展可以归纳为以下几类：光吸收策略利用宽带吸收剂（例如等离子体纳米结构（Liu等人，2019；Valadez-Renteria等人，2025；Zhou等人，2016a；Zhou等人，2016b；Zhu等人，2018）、半导体（Cui等人，2025；Xuemin等人，2020；Yang等人，2023a；Ying等人，2020；Yuan等人，2023）和碳材料（Song等人，2022a，2022b，2022c；Storer等人，2020）以及微/纳米结构（Liu等人，2021；Yang等人，2020；Zhao等人，2025a）来最大化250-2500纳米范围内的太阳光捕获（吸收率超过97%）；热管理通过使用低热导率的基底（气凝胶（Du等人，2023；Liu等人，2024；Xu等人，2019；Zhang等人，2022）、木材（Chao等人，2021；Meng等人，2021；Zhao等人，2023）来减少接触面积，从而减少热量损失（Xu等人，2024）；水管理利用亲水性多孔结构保持连续的水供应，同时调节表面润湿性以维持最佳传输和热局部化（Song等人，2022a，2025a；Song和Jin，2023；Yang等人，2023b；Zhao等人，2022a，2022b）。新的能量管理概念，如收集辅助能量和激活水分子以降低蒸发焓，使蒸发速率超过常规水平（Shi等人，2018；Wang等人，2021；Wu等人，2021a，2021b）。
然而，SDIWE系统在高盐度盐水中常常面临保持稳定蒸发率的挑战，这是由于界面浓度极化和盐结晶造成的。这些问题会降低蒸汽压差（ΔP）并限制通量，而盐结晶会阻挡光线、阻碍水供应并增加热阻（Lei等人，2022；Wang等人，2023a）。传统的抗结垢策略，包括Janus结构（Tian等人，2025；Wang等人，2023b；Zhang等人，2025a）、增强对流（Gao等人，2023；Li等人，2024）和溶解-回收循环（Song等人，2021；Zhou等人，2021），往往需要在蒸发速率、稳定性或连续性之间做出权衡。
相比之下，离子工程通过将功能性电荷基团整合到聚合物网络中，并利用协同的物理化学机制（如Donnan效应实现选择性去除（Zhao等人，2021a）、抗聚电解质效应实现盐度诱导的膨胀（Zheng等人，2023）和Hofmeister效应实现界面水结构调节（Wei等人，2020），从而实现对离子-聚合物-水相互作用的分子控制。这些机制共同增加了界面水的活性，抑制了结晶并自调节了局部盐浓度，即使在高盐度条件下也能实现稳定高效的蒸发。如图1所示，本文总结了离子工程SDIWE设备的最新进展，讨论了设计原理、效率提升机制、多功能集成，并将离子工程与其他盐阻隔策略区分开来。最后，本文还讨论了应用于响应性离子材料、绿色可扩展制造和多尺度建模的挑战和机遇，以实现稳健的水-能源-资源协同生产。
关键离子功能化材料系统的设计
为了实现高效稳定的SDIWE，精确的离子工程设计至关重要。根据设计和实施路径，相关方法大致可以分为三类：在基质中原位构建离子网络、表面接枝智能离子刷以及通过配位化学主动控制表面电荷。
最简单的方法是在天然多孔基底上原位构建离子聚合物网络。
阴离子对水溶液中蒸发性能的调节
阴离子可以调节水蒸发，从而提高太阳能蒸发器的性能。Hofmeister效应已被用来研究不同阴离子如何通过改变氢键网络和水分子的界面取向来降低蒸发焓，这种方法结合了界面光谱学、分子模拟和热力学分析（Chen等人，2024a；Ren等人，2023；Xu等人，2025）。
能量回收和联产
离子工程允许优化蒸发器中的水状态和分布，从而实现高效的界面水蒸发和淡化，但高蒸发率会增加局部热效应，产生大量低品位的热能（Ren等人，2023；Zhou等人，2025b）。此外，淡化过程中产生的高浓度盐水处理也是一个重大挑战（He等人，2023）。因此，将废热和盐水转化为
实际验证
理论工作的最终价值在于实际应用和规模化潜力。离子工程水凝胶蒸发器正从实验室概念验证阶段发展到在真实环境中的性能测试和评估。许多研究团队已经开发了陆基间歇式淡化系统（LI-DS）和海洋连续式淡化系统（MC-DS）的原型，并在真实海水中进行了长期稳定性测试（通常持续几天到几周），
结论与展望
本文总结了SDIWE“离子工程”策略的最新进展，以及在高盐度条件下实现高效稳定蒸发的科学基础和技术步骤，并描述了与蒸发相关的材料设计和结构调控。除了电荷基团外，离子工程还利用了Donnan效应、抗聚电解质效应和Hofmeister效应的协同作用，以主动调节耦合过程
CRediT作者贡献声明
张伟华：撰写——初稿。宋长远：撰写——审稿与编辑、研究调查、资金获取、概念构思。王正彦：撰写——初稿。李鹏来：撰写——初稿。杨健：撰写——初稿。程新峰：撰写——审稿与编辑、资金获取。邢小静：撰写——审稿与编辑。赵一阳：撰写——审稿与编辑。邱东方：撰写——审稿与编辑。刘文涛：撰写——审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了河南省高等教育机构关键科研项目（编号：26A150035）、特别基金（编号：2025ZX021）以及南阳师范学院实验室开放项目（编号：SYKF2025022）的财政支持。作者感谢Kexin Wang先生（来自Scientific Compass
www.shiyanjia.com）在抄袭检查服务方面提供的宝贵帮助。
