《Separation and Purification Technology》：Harnessing Janus-interface manipulation to convert interfacial salt accumulation into recyclable salt resources at the edges
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本工作提出了一种翼形Janus蒸发器，通过不对称界面力场控制蒸发与盐结晶，实现盐分边缘收集和光热表面保护。在15wt%高盐溶液中连续运行120小时，蒸发率2.055 kg/m2/h，盐回收率69.413 g/m2/h，为太阳能双输出零液位排放提供了新范式。
作者：杨志|陈雷|陈成|哈比布·乌拉|李大伟|朱云霞|杨凯杰|朱晓英|陈宝良
中国浙江省杭州市浙江大学环境科学系，土壤污染控制与安全国家重点实验室，邮编310058
摘要
界面太阳能蒸发为淡水生产提供了一种可持续的途径，但在高盐度条件下由于盐分积累而存在严重失效问题。传统的Janus蒸发器虽然能够减轻表面污染，但无法将盐分作为有价值的资源进行回收。在这项研究中，我们设计了一种翼形Janus蒸发器，通过合理设计的非对称界面力场，在空间上将蒸发过程与结晶过程分离，该力场是通过协同控制表面润湿性和三维几何倾角实现的。这种设计使盐水流向边缘，从而实现局部盐分结晶，同时保持光热表面的清洁。该系统在连续运行120小时后，能够从纯水中实现2.055 kg/m2·h?1的蒸发速率，从15 wt%的盐水中实现69.413 g/m2·h?1的盐分回收率。通过将盐分污染转化为资源回收，这项工作为实现零液体排放的太阳能海水淡化提供了新的范式，同时产出淡水和盐分。
引言
全球约有40亿人面临淡水短缺的问题，因此扩大水资源供应变得十分紧迫和关键[1],[2],[3],[4],[5]。海水淡化已成为增加淡水供应的关键解决方案。然而，传统的基于膜的反渗透（RO）和基于热的多级闪蒸（MSF）技术由于高资本成本、大量电力消耗以及需要集中式基础设施而面临重大挑战，这使得这些技术在离网或资源有限的地区难以应用[6],[7],[8]。在这种情况下，界面太阳能蒸发技术提供了一种有吸引力的替代方案，它利用太阳能进行被动、低成本和分布式的海水淡化[9],[10],[11],[12],[13],[14],[15]。尽管之前的研究已经将能量效率提升到了理论极限，但由于盐分积累难以控制[16],[17],[18],[19],[20]，维持如此高的效率仍然具有挑战性。具体来说，当水蒸发时，非挥发性盐分会集中在蒸发界面，导致孔隙堵塞、太阳能吸收减少，最终影响蒸发性能，尤其是在处理高盐度盐水时。
最近的研究进展中，开发了利用表面润湿性或电荷非对称性的Janus结构太阳能蒸发器，以控制局部水含量和盐分传输[21],[22],[23],[24],[25],[26]。这些蒸发器依靠表面张力或渗透压来排斥浓缩的盐水，从而在一定程度上减轻了盐分积累[27],[28]。然而，它们采用的是死端流动配置，即水供应和蒸汽排放共享同一垂直通道。因此，它们存在三个关键限制[29]：（1）由于传质不足，多孔基质内盐分积累不受控制；（2）非挥发性盐分堵塞传输通道，导致传质性能下降，进而影响太阳能蒸发性能和长期稳定性；（3）剩余的过量盐离子只是被排回原溶液中，无法转化为有价值的盐资源（图1a）。
在这里，我们提出了一种翼形Janus蒸发器，通过工程化的横流盐水传输机制克服了这些限制（图1b）。通过结合三维几何倾角和非对称润湿性，我们的设计创建了一个非对称界面力场，平衡了太阳能驱动的盐分浓缩和梯度驱动的稀释过程。这种配置将太阳能蒸发中心与盐分结晶边缘在空间上分离。结果，在连续运行120小时后，该蒸发器能够从15 wt%的高盐度盐水中完全回收淡水和盐分，蒸发速率为约1.682 kg/m2·h?1，盐分回收率高达约69.413 g/m2·h?1。这项工作为在非对称界面处操控传质提供了新方法，为实现零液体排放的太阳能海水淡化（同时产出淡水和盐分）建立了有效平台。
材料
天然石墨片（325目，纯度99.8%）、聚乙二醇胺（PEI，分子量约10,000 g/mol）、氢氧化钠（NaOH）和氯化钠（NaCl）由Aladdin Industrial Corporation提供。正己烷由上海Macklin公司提供。聚二甲基硅氧烷（PDMS）购自Dow Chemical公司。亚胺泡沫（MF）由上海Beiyou公司提供。氧化石墨烯（GO）和去离子水是在实验室中自行制备的。所有化学品均按需使用。
太阳能蒸发器的制备与表征
与传统的蒸发器[30],[31]不同，我们的设计包含了三个关键创新点：（1）具有抗盐性的Janus结构；（2）集成的横流通道；（3）可控的盐水传输机制，以减少界面盐分积累（图2a）。制备过程包括四个主要步骤：首先，将亚胺泡沫（MF）基板精确切割成所需形状。选择氧化石墨烯（GO）作为吸光材料，而聚乙二醇胺（PEI）用于...
结论
在这项研究中，我们介绍了一种Janus太阳能蒸发器，它具有创新的横流盐水供应系统和优化的浓缩动力学，有效解决了表面和界面盐分积累问题。该设计结合了两种关键机制：表面防盐和界面盐分管理。为了防止表面盐分沉积，采用了疏水性顶层作为非润湿屏障，确保光热表面的清洁，从而实现稳定的太阳能吸收。
作者贡献声明
杨志：撰写——初稿、方法论、研究、数据分析、概念化。
陈雷：撰写——审阅与编辑、方法论、数据分析。
陈成：撰写——审阅与编辑、方法论、数据分析。
哈比布·乌拉：撰写——审阅与编辑、方法论、数据分析。
李大伟：研究、数据分析、数据管理。
朱云霞：研究、数据分析、数据管理。
杨凯杰：撰写——审阅与编辑、资源协调。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本项目得到了中国国家自然科学基金（项目编号：22136004、U24A20522）、中国国家重点技术研发计划（项目编号：2024YFC3713301、2022YFC3701405）、浙江省“领头雁”关键技术研发计划（项目编号：2023C03139）以及CPSF博士后奖学金计划（项目编号：GZC20241477、2024M762838）的支持。
