三维开放式结构使盐排斥太阳能蒸发器提高了水的生产效率gydF4y2Ba

作为一种可持续的海水淡化技术，直接太阳能海水淡化具有成本低、离网能力强、零碳足迹等优点，尤其适用于偏远地区和分布式社区gydF4y2Ba^{1克ydF4y2Ba，gydF4y2Ba2gydF4y2Ba，gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba4gydF4y2Ba，gydF4y2Ba5gydF4y2Ba，gydF4y2Ba6gydF4y2Ba，gydF4y2Ba7gydF4y2Ba，gydF4y2Ba8gydF4y2Ba，gydF4y2Ba9gydF4y2Ba，gydF4y2Ba10gydF4y2Ba，gydF4y2Ba11gydF4y2Ba，gydF4y2Ba12gydF4y2Ba，gydF4y2Ba13gydF4y2Ba}．在过去的几年里，单级过程的太阳能到蒸汽的转换效率已经接近100%。蒸发速率甚至可以超过利用环境热量的纯太阳能驱动蒸发的理论极限gydF4y2Ba^{14gydF4y2Ba，gydF4y2Ba15gydF4y2Ba，gydF4y2Ba16gydF4y2Ba}．然而，由于盐的积累，在盐水(例如反渗透(RO)设施排放的海水和浓盐水)蒸发过程中，不能保持较高的蒸发速率gydF4y2Ba^{17gydF4y2Ba，gydF4y2Ba18gydF4y2Ba，gydF4y2Ba19gydF4y2Ba，gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba}．例如，商业太阳能蒸馏器(Aquamate solar Still®)不能用于实际的海水淡化应用，因为它们的蒸发器不能更换或清洗，从而导致寿命短gydF4y2Ba^21gydF4y2Ba．近年来的创新策略，可分为两大类，(1)疏水吸光层设计gydF4y2Ba^{10gydF4y2Ba，gydF4y2Ba19gydF4y2Ba，gydF4y2Ba22gydF4y2Ba}(2)增强流体对流gydF4y2Ba^{23gydF4y2Ba，gydF4y2Ba24gydF4y2Ba，gydF4y2Ba25gydF4y2Ba，gydF4y2Ba26gydF4y2Ba}，是为了应对这一挑战而开发的。例如，提出了具有上部疏水太阳能吸收层和下部亲水吸水性层的Janus结构gydF4y2Ba^22gydF4y2Ba．在这种设计中，由于咸水的疏水性，咸水无法到达上表面，从而防止了表面盐的积累。然而，尽管这种设计具有出色的排盐能力，但其能量转换效率受到太阳能吸收器快速散热到下方大块水的限制。同样，虽然可以通过改善蒸发表面与体积水之间的流体对流来实现除盐，但流体交换不仅可以去除盐，还可以从蒸发表面带走热量，从而导致相对较低的蒸汽生成率gydF4y2Ba^3.gydF4y2Ba．因此，盐析出和热损失之间的矛盾仍然是太阳能驱动界面蒸发策略面临的最具挑战性的障碍之一。gydF4y2Ba

本文设计了一种合理设计的三维除盐蒸发器，通过加强盐回流和导热热回收来实现稳定高效的水分蒸发。蒸发器的关键部件是一些垂直排列的传质桥(MTBs)，其中含有丰富的亲水微通道。除了促进盐和水的运输外，mtb还将太阳能吸收器与散装水分开，从而创造了一个高度开放的3D空间，通过该空间，太阳能吸收器的导热热量可以蒸发额外的水。在实验室和室外条件下，对该3D蒸发器的太阳能驱动蒸汽产生速率和实际产水性能进行了评估。实验结果表明，3D蒸发器在处理高盐度水(例如，来自RO设施的12-14 wt.% NaCl溶液和浓盐水)时，可以稳定连续运行，无盐积累，同时实现~1.64 kg/m的高蒸汽生成速率gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba/小时。一个放大的太阳能蒸发器在屋顶和红海上进行测试，以展示其实际应用。日集水量为~5 L/mgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba实际的太阳能集水效率为40%，优于之前报道的约22%的记录gydF4y2Ba^25gydF4y2Ba．这款3D太阳能蒸发器有望在缺水地区增加获得负担得起的淡水的机会，并提高我们未来应对自然灾害的能力。gydF4y2Ba

蒸发结构设计与制造gydF4y2Ba

对于传统的除盐太阳能蒸发系统，水的蒸发仅限于太阳能吸收体表面，并且盐的回流伴随着太阳能吸收体对大块水的不希望的散热，从而导致蒸发速率低。我们的3D蒸发器可以在很大程度上解决这一限制。如图3所示。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，蒸发器的上表面是一个太阳能吸收层，用于光热转换以产生蒸汽。在太阳能吸收体下面是一些垂直排列的mtb，将盐水连接到太阳能吸收体。mbs具有亲水性微通道，可以通过毛细管力将盐水泵入太阳能吸收器。此外，过量的盐可以通过扩散和对流的方式通过这些充满盐水的微通道回流到散装水中。gydF4y2Ba1 b - 1gydF4y2Ba)。通过高密度的MTBs进行充分的传质，确保了连续的供水和有效的盐回流，从而实现了独特的盐抑制能力。与传统的除盐系统不同，在传统的系统中，从太阳能吸收器传导到大量水的热量被简单地消散并被认为是“浪费”，MTBs可以有效地回收这种传导热量，从流经其微通道的盐水中产生额外的蒸汽(图2)。gydF4y2Ba1 b - 2gydF4y2Ba)。MTB内部的微通道和间隔MTB之间的大通道共同形成了一个高度开放的结构，使得产生的蒸汽很容易从MTB表面向各个方向释放。我们设想，通过优化MTB的高度，导热热可以在很大程度上限制在其中产生蒸汽，从而显着提高水的蒸发效率。gydF4y2Ba

我们通过在玻璃纤维膜(GFM)上加载直径约100纳米的碳纳米管(CNTs)来制造顶部的太阳能吸收层，从而实现了所设计的结构。湿碳纳米管涂层GFM的太阳吸收率可达到~96%(图2)。gydF4y2Ba1 cgydF4y2Ba)，因为多孔纤维捕光结构(图2)。gydF4y2Ba1 dgydF4y2Ba)和碳纳米管固有的黑色特性gydF4y2Ba^27gydF4y2Ba．考虑到缠绕在一起的玻璃纤维形成了丰富的亲水性微通道(图2)。gydF4y2Ba1 egydF4y2Ba)， gfm也被选作mtb。由于GFM对水的高亲和力，它一接触水滴就能立即吸收水滴(图3)。gydF4y2Ba1 fgydF4y2Ba)。此外，垂直排列的GFMs(即MTBs)可以在60分钟内将水泵到25 cm的高度，显示出其强大的毛细力对水的传递(图2)。gydF4y2Ba1克gydF4y2Ba)。将若干mtb和太阳能吸收器组装在一个塑料框架中，形成了一个完整的蒸发系统(图2)。gydF4y2Ba1克ydF4y2Bah,gydF4y2Ba1我gydF4y2Ba和无花果。gydF4y2BaS1gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

拒盐能力gydF4y2Ba

为了避免盐结晶，必须有效地将多余的盐运回，以保持表层盐度低于饱和点。在该系统中，盐在浓度梯度(渗透)和重力的驱动下，通过充满盐水的微通道进行扩散和对流的过滤gydF4y2Ba^25gydF4y2Ba．其质量流量(gydF4y2Ba\ (J \)gydF4y2Ba)可以用扩散-对流方程描述如下gydF4y2Ba^{28gydF4y2Ba，gydF4y2Ba29gydF4y2Ba}：gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2Ba\ ({J} _ {{diff}} \)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba\ ({J} _ {{conv}} \)gydF4y2Ba分别为扩散和对流引起的质量流量;gydF4y2Ba\ (n \)gydF4y2Ba为mtb数量;gydF4y2Ba\ \ ()gydF4y2Ba，gydF4y2Ba\ \ varepsilon \ ()gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ (l \)gydF4y2Ba分别为MTBs的截面面积、孔隙度和高度;gydF4y2Ba\ ({k} _ {d} \)gydF4y2Ba和gydF4y2Bac k \ ({} _ {} \)gydF4y2Ba分别为盐的扩散系数和平均对流系数;gydF4y2Ba\ ({C} _{{执行}}\)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba\ ({C} _ {0} \)gydF4y2Ba分别为蒸发面和散装盐水中的盐浓度;和gydF4y2Ba\({\ρ}_{{执行}}\)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba\({\ρ}_ {0}\)gydF4y2Ba分别为蒸发表面和散装盐水中的盐溶液密度。gydF4y2Ba

在Eq. (gydF4y2Ba1克ydF4y2Ba)，质量输运率与桥梁数成正比gydF4y2Ba\ (n \)gydF4y2Ba．我们通过制造桥数从2到32不等的MTB结构来验证这种关系[图2]。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba，横截面积(gydF4y2Ba\ \ ()gydF4y2Ba): ~0.135厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba;高度(gydF4y2Ba\ (l \)gydF4y2Ba): 3厘米;孔隙度(gydF4y2Ba\ \ varepsilon \ ()gydF4y2Ba): ~65%]，并在高盐度水(10 wt.% NaCl)中评价其蒸发性能。评估在1个太阳照射12小时下进行。数字gydF4y2Ba2 bgydF4y2Ba结果表明，由于传质不足，二桥式蒸发器表面大量堆积盐晶。随着桥数的增加，这种盐积累得到缓解。对于含有32 MTBs的蒸发器，运行12 h后表面未观察到盐结晶(图2)。gydF4y2Ba2 bgydF4y2Ba)。当MTBs数不足(≤16)时，由于蒸发表面盐度的增加，蒸发速率随着蒸汽生成的进行而逐渐降低(图2)。gydF4y2Ba2摄氏度gydF4y2Ba，相应的质量变化曲线见图。gydF4y2BaS2gydF4y2Ba)。相反，如果有足够的MTBs(例如32个桥)，多余的盐可以被有效地排除，使蒸发表面保持相对较低的盐度。值得注意的是，32桥式蒸发器的蒸发速率为~1.44 kg/mgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba/h，运行12 h不降解。gydF4y2Ba

随后，我们进行了补充实验，更直观地展示了32桥式蒸发器引入的盐回流。本实验将蒸发器置于高浓度盐水(10wt .% NaCl溶液)中，光照1次，在蒸发器表面加1g NaCl盐(上表，图2)。gydF4y2Ba二维gydF4y2Ba)。可以看到，在蒸汽生成过程中，添加的盐逐渐溶解，并在11 h内完全去除(下图)。gydF4y2Ba二维gydF4y2Ba;更多细节见图。gydF4y2BaS3gydF4y2Ba)。实验结果表明，在10wt .% NaCl溶液中，32桥式蒸发器的盐回流速率高于盐的生成速率，从而证实了所提出的MTB结构的抑盐特性。我们进一步提高了卤水的盐度，以测试该蒸发器的最大适用盐浓度。由于扩散和对流回流的影响随着盐度(即gydF4y2Ba\ ({C} _ {0} \)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba\({\ρ}_ {0}\)gydF4y2Ba)增加，当使用14wt .% NaCl溶液进行测试时，运行12 h后，太阳能吸收器边缘的盐开始结晶(图2)。gydF4y2BaS4gydF4y2Ba)。根据相应的蒸发速率，计算出沿MTBs的盐回流为~1.1 g/cmgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba/小时。有趣的是，这种独特的质量传输特性与其热传输特性交织在一起，这将在下一节中进行演示。gydF4y2Ba

热管理gydF4y2Ba

我们制作了不同桥架高度的32桥式蒸发器(图2)。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba)，并评估其蒸发性能。在黑暗条件下，无MTBs(即桥架高度为0 cm)的蒸发器的自然蒸发速率为0.15 kg/mgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba/h，随着MTBs的加入，由于表面积的增加，这种变化变得更加明显(图2)。gydF4y2BaS5gydF4y2Ba)。具体而言，线性增加~0.04 kg/mgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba/h，每增加1cm的MTB高度。在1个太阳光照下，无MTBs蒸发器的蒸发速率仅为0.99 kg/mgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba/h，这是由于大量的传导热量散失给了大块的水(图2)。gydF4y2Ba3 bgydF4y2Ba，质量变化曲线见图。gydF4y2BaS6gydF4y2Ba)。MTB的使用大大促进了太阳能蒸发。蒸发量增加到1.58 ~ 1.73 kg/mgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba/h时，桥架高度达到2 ~ 5 cm(图2)。gydF4y2Ba3 bgydF4y2Ba)。这些数值甚至高于太阳蒸发的理论上限(~1.44 kg/m)gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba/h，补充说明gydF4y2Ba1克ydF4y2Ba和无花果。gydF4y2BaS7gydF4y2Ba)，这可归因于自然蒸发的贡献(图2)。gydF4y2BaS8gydF4y2Ba)。当MTB高度超过3 cm时，蒸发速率增加~0.04 kg/mgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba/h，每增加1cm的MTB高度(图2)。gydF4y2Ba3 bgydF4y2Ba)，这与在黑暗条件下得到的结果一致。这种一致性表明，3cm高度足以使MTB结构最大化太阳蒸发(注意，MTB高度的额外增加只会增加自然蒸发)。为了揭示这一现象的机制，我们分析了这种独特建筑中的热传递。gydF4y2Ba

该蒸发系统的能量损失通道主要包括进入散装水的传导热损失(gydF4y2Ba\ (P{} _{{电导率}。}\)gydF4y2Ba)、辐射热损失(gydF4y2Bar \ (P{} _{}{广告。}\)gydF4y2Ba)，以及对环境的对流热损失(gydF4y2Ba\ (P {} _ {{convec}。}\)gydF4y2Ba)。因此，可用于蒸发的功率通量(gydF4y2Ba\ ({P} _{{执行}}\)gydF4y2Ba)可以描述如下gydF4y2Ba^16gydF4y2Ba：gydF4y2Ba

太阳能输入在哪里gydF4y2Ba\ ({P} _{{太阳能}}= {{{{{rm \{\α}}}}}}{C} _{{选择}}{q} _{我}\)gydF4y2Ba;gydF4y2Ba\ ({{{{{rm \{\α}}}}}}\)gydF4y2Ba为光吸收系数;gydF4y2Ba\ ({C} _{{选择}}\)gydF4y2Ba为光学浓度;和gydF4y2Ba\ ({q} _{我}\)gydF4y2Ba是太阳直射照明。传导热通量gydF4y2Ba\ (P{} _{{电导率}。}= k ({T} _ {{sa}} - {T} _ {{bw}}) / l \)gydF4y2Ba,在那里gydF4y2Ba\ (k \)gydF4y2Ba为导热系数;gydF4y2Ba\ ({T} _ {{sa}} \)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba\ ({T} _ {{bw}} \)gydF4y2Ba分别为太阳能吸收器和散装水的温度;和gydF4y2Ba\ (l \)gydF4y2Ba为模型中与MTB高度相关的热传导路径。辐射热通量gydF4y2Ba\ ({P} _ {{rad}。} = \ varepsilon rm{{{{{{\ \σ }}}}}}({{ T} _ {1}} ^ {4}, {{T} _ {2}} ^ {4}) \)gydF4y2Ba，对流热通量gydF4y2Ba\ (P {} _ {{convec}。}= h \离开({T} _ {1} - {T} _{2} \右),\)gydF4y2Ba\ \ varepsilon \ ()gydF4y2Ba是光学发射，gydF4y2Ba\ ({{{{{rm \{\σ}}}}}}\)gydF4y2Ba为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，gydF4y2Ba\ \ (h)gydF4y2Ba是对流换热系数，和gydF4y2Ba\ ({T} _ {1} \)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba\ ({T} _ {2} \)gydF4y2Ba分别为蒸发器温度和环境温度。gydF4y2Ba

从顶部表面到散装水(即，gydF4y2Ba\ (P{} _{{电导率}。}\)gydF4y2Ba)可以通过增加MTB高度(即gydF4y2Ba\ (l \)gydF4y2Ba)将传导热限制在MTB结构内。利用红外成像显示了沿不同高度MTBs的温度梯度，从而可视化了这种效应。结果表明，当MTB高度达到或超过3cm时，蒸发器底部温度与环境温度相似(图2)。gydF4y2BaS9gydF4y2Ba)。该温度分布与COMSOL模拟的结果吻合较好(图2)。gydF4y2BaS10gydF4y2Ba)。为了更深入地了解建筑内部的热传递，我们仔细记录了在太阳照射下，距离太阳能吸收器不同距离处的内部温度变化。结果表明，当距离太阳能吸收器3cm处的内部温度与周围环境温度相似时，温度在60 min后趋于稳定(图2)。gydF4y2Ba3 cgydF4y2Ba)，表明导热热完全局限在MTB结构的顶部3cm。体积水的温度变化也证明了这种约束效应(图2)。gydF4y2Ba3 dgydF4y2Ba):对于无MTBs的蒸发器，由于持续的热量输入，运行3h后，本体水温从~21℃上升到~26.2℃(左图);而对于mbs为3 cm的蒸发器，体水温度维持在室温(~21.3℃)(右图)，从而证实了对体水散热的抑制。gydF4y2Ba

重要的是，可以利用有限的热能从MTB表面产生额外的蒸汽，这些蒸汽可以通过高度开放的桥间空间有效地释放。为了揭示mtb垂直表面产生的额外蒸汽，我们使用具有32个mtb(3厘米高)的蒸发器进行对照实验。在本实验中，蒸发器体被密封的聚丙烯膜所封闭，因此只留下上表面暴露在开放空间以供蒸汽释放(图2)。gydF4y2BaS11gydF4y2Ba)。运行3小时后，许多水滴在膜内表面凝结，从而证实了MTBs释放蒸汽(图2)。gydF4y2Ba3 egydF4y2Ba)。与全开式蒸发器相比，部分封闭系统的蒸发速率降低了~31%(图2)。gydF4y2BaS12gydF4y2Ba)，证明了开放通道设计对增强界面蒸发的重要性。gydF4y2Ba

此外，我们还进行了循环实验来评估蒸发器的稳定性。在每个循环中，蒸发器在1个太阳光照下运行12h，在黑暗环境中运行12h，模拟昼夜交替。数字gydF4y2Ba3 fgydF4y2Ba结果表明，在此长期试验中(NaCl溶液浓度为10 wt.%)，各循环NaCl溶液的质量变化呈线性变化，蒸发速率稳定在~1.44 kg/mgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba/小时。经过7天的循环实验，没有观察到性能下降。gydF4y2Ba

与先前报道的除盐蒸发器(蒸发速率从1.24 ~ 1.28 kg/m)相比gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba(10 wt.% NaCl溶液)gydF4y2Ba^{9gydF4y2Ba，gydF4y2Ba26gydF4y2Ba，gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba}在相似条件下，由于热约束效应和自然蒸发贡献，我们的蒸发器显示出更高的蒸发速率。然而，高蒸发效率本身是不够的水生产应用。如果蒸发的水分不被收集，它只能被认为是对环境的污染物，因为它是大气中各种成分中温室效应最大的gydF4y2Ba^31gydF4y2Ba．水的收集与蒸汽的产生同样重要，但在以前的许多关于防盐蒸发器的研究中很大程度上被忽视了。gydF4y2Ba

因此，我们用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板制成的透明盖将蒸发器封闭起来，创造了一个通过冷凝蒸发的水分来产生水的系统，并研究了桥数和桥高对该系统产水能力的影响(图2)。gydF4y2BaS13agydF4y2Ba)。当桥架高度固定为3 cm时，收集水量随桥架数量的增加而增加(图2)。gydF4y2BaS13bgydF4y2Ba)，这与开放系统中的观测结果一致，证实了盐回流增强有利于水分蒸发。当桥数固定为32时，水的收集量随着桥高的增加而增加，在3 cm处达到最大值，而进一步增加桥高并没有产生更多的水(图2)。gydF4y2BaS13cgydF4y2Ba)。这一结果与上面的结论一致，即3厘米足以限制传导热，而进一步增加桥的高度只会增加自然蒸发，而不会产生水。根据3小时试验结果，闭式蒸发器在最佳配置(32桥架;3厘米高)计算为gydF4y2Ba∼gydF4y2Ba0.68公斤/米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba/ h(无花果。gydF4y2Ba向gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

我们还研究了封闭系统在不同盐度条件下的产水性能，使用NaCl溶液(3.5 ~ 20 wt.%)。结果表明:产水效率从~0.73 kg/m单调下降gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba3.5 wt.% NaCl溶液至~0.63 kg/mgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba/h为20wt .% NaCl溶液(图2)gydF4y2BaS14agydF4y2Ba)。高盐度盐水相对较低的产水效率主要是由于其饱和蒸汽压较低，部分原因是盐沉淀导致光热转换效率降低。例如，当使用含20wt .% NaCl的盐水时，经过3小时的测试，蒸发器外围出现了盐沉淀(图2)。gydF4y2BaS14bgydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

实地测试gydF4y2Ba

根据最近公布的“太阳能制水最佳实践”gydF4y2Ba^32gydF4y2Ba日出水量是一个重要的评价标准，在实际实施中值得进一步考虑。因此，我们在MTB结构的基础上制备了封闭系统，并测量了其在室外实际条件下的产水能力。gydF4y2Ba

屋顶实验gydF4y2Ba

制造的太阳能驱动的水力发电系统有15 × 26厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba蒸发器面积(见图1)gydF4y2BaS15gydF4y2Ba)。我们首先在沙特阿拉伯图瓦尔KAUST的屋顶上测试了该系统。gydF4y2BaS16gydF4y2Ba)。本实验采用KAUST海水淡化厂RO系统排放的水作为源水(盐度:~8.7%)。我们每天的评估8:00开始，17:00结束。如图所示。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba，蒸发器表面被太阳光加热到比环境温度高4-15℃。然而，桥底温度与环境温度几乎相同，表明导热热是被限制的，只有少量传递给了散装水。因此，盐水可以有效地蒸发和凝结在水收集的覆盖表面。数字gydF4y2Ba4 bgydF4y2Ba及辅助电影gydF4y2Ba1克ydF4y2Ba说明相关细节。收集的水总量为~175 ml，其中~110 ml流入刻度筒，~65 ml保留在PMMA盖内。根据蒸发器面积(390cm)gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba)，计算日产水量为~5.0 L/mgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba．我们测量了水样中的离子含量来评估水质。与反渗透厂排放的水相比，凝结水的离子浓度至少降低了4个数量级，完全满足WHO的饮用水要求(图2)。gydF4y2Ba4摄氏度gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

我们计算了该系统的实际太阳能集水效率，gydF4y2Ba\({\埃塔}_{{进行}}\)gydF4y2Ba，使用式(gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba)：gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2Ba\ ({m} _{{电导率}}\)gydF4y2Ba为每日集水量;gydF4y2Ba\ ({h} _ {{lv}} \)gydF4y2Ba为液-气相变的总焓;gydF4y2Ba\({} _{{执行}}\)gydF4y2Ba为蒸发器面积;和gydF4y2Ba\ ({q} _{{太阳能}}\)gydF4y2Ba是随时间变化的太阳通量。得益于高效的蒸汽产生，我们系统的整体太阳能水收集效率达到了~41.6%，与之前报道的防盐太阳能蒸发系统(例如，屋顶系统的最高效率:~24%)相比，这是一个相当大的进步gydF4y2Ba^25gydF4y2Ba)。我们于2022年4月7日至4月11日进行了连续测试，以评估性能稳定性(图2)。gydF4y2Ba4 dgydF4y2Ba)。日集水量在4.7 ~ 5.2 L/m范围内波动gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba取决于当天的具体日照量。相应的太阳能集水效率为39% ~ 42%。值得注意的是，在为期5天的室外作业中，没有观察到盐积累(图2)。gydF4y2Ba4 egydF4y2Ba)。这些结果证明了该蒸发器从反渗透工厂排放的废水中提取淡水的潜力。gydF4y2Ba

浮动的测试gydF4y2Ba

在5天的屋顶实验之后，同样基于mtb的蒸发系统在红海的浮动配置中进行了测试(含盐量:~4.3%)，以证明其实际海水淡化的潜力(图2)。gydF4y2Ba4 f, ggydF4y2Ba)。试验于2022年4月17日至4月21日，每天8:00开始，17:00结束，共5天。如图所示。gydF4y2Ba4 hgydF4y2Ba，日淡水产量为5.0 ~ 5.8 L/mgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba太阳能集水效率稳定在42% ~ 45%，与屋顶试验结果一致。这一淡水产量比以前的盐排斥太阳能蒸发器(~2.5 L/m)的记录高出大约两倍gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba每一天)gydF4y2Ba^25gydF4y2Ba．现场试验展示了一种高性能太阳能蒸发器，它将有助于救灾或加强生活在船上和沿海地区的个人的恢复能力。gydF4y2Ba

综上所述，我们设计了一个太阳能蒸发器架构，同时实现了优异的除盐性和高水分蒸发，从而实现了从各种类型的盐水中稳定高效地生产淡水。该系统成功的主要因素是使用了合理设计的MTBs，不仅促进了盐和水的输送，而且还回收了导热热来蒸发水。这种设计允许水在三维空间内蒸发，而不是像传统的除盐系统那样局限于蒸发器表面;因此，整体效率得到了显著提高。该蒸发器可在太阳能光照下连续稳定工作，从污染或咸水中提取淡水，包括但不限于RO设施中的海水或浓盐水。经过精心设计的室内和室外实验表明，太阳能-水收集效率提高了40%，日产水量为~5.0 L/mgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba在自然阳光照射下。这意味着一平方米的蒸发器可以满足两个人以上的饮用需求，根据欧洲食品安全局的建议，女性和男性每天的饮水需水量分别为2.0 L/天和2.5 L/天gydF4y2Ba^33gydF4y2Ba．在10天的室外试验中，蒸发器的产水性能保持不变，证明了实际应用所需的良好稳定性。根据目前实验室规模的制造，我们的太阳能蒸发器的制造成本约为45美元/米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba(见补充说明gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)。虽然这种成本并不低，但在大规模生产中，特别是在使用低成本替代材料时，预计会大大降低。由于其高蒸发速率、抗盐能力和可扩展性，这种3D蒸发器在淡水供应方面具有相当大的前景，特别是对于那些生活在缺水的沿海地区和离网地区的人们。gydF4y2Ba

蒸发器制造gydF4y2Ba

通过在GFM上加载部分氧化的碳纳米管来制备太阳能吸收体。选择部分氧化的碳纳米管而不是原始碳纳米管的原因是它们的亲水性有助于在GFM上形成均匀的涂层。首先，将3 g碳纳米管(直径:110-170 nm，长度:5-9 μm, Sigma-Aldrich)分散在120 ml酸混合物中(90 ml HgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba所以gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba+ 30ml HNOgydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba)，在70℃下反应5h。所得产物经过滤收集并洗涤至中和。其次，通过超声波将一定量的部分氧化的CNTs分散在水中，然后通过GFM过滤。所得的太阳能吸收剂在60℃下干燥。碳纳米管负载率确定为~ 11wt .%。MTBs由GFM组成。GFM片厚0.45 mm，宽3cm。采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板材，通过激光切割和粘接制备支撑塑料框架。最终的蒸发器结构是由GFM板(宽度:3厘米，厚度:0.45毫米)、太阳能吸收器和PMMA框架组装而成的。gydF4y2Ba

结构表征gydF4y2Ba

采用SEM (Teneo VS, FEI)对GFM和碳纳米管包覆GFM的微观结构进行了表征。利用UV/Vis/NIR光谱仪(LAMBDA 950, PerkinElmer)在透射和反射模式下获得了它们的光吸收光谱。孔隙度采用汞孔隙度计(AutoPore V, Micromeritics)测定。用ICP-OES (5110 ICP-OES, Agilent)测定阳离子浓度。蒸发器的红外图像由红外相机(H16，海康威视)拍摄。gydF4y2Ba

绩效评估gydF4y2Ba

蒸发性能采用自制的太阳能蒸发系统进行，该系统配备太阳能模拟器(91160-1000,Newport)产生太阳光，并配有微天平记录重量变化。实验室相对湿度为~60%，室温为21℃。室外实验用TM-208光度计测量太阳强度，用JK808晶科多通道温度计记录温度变化。然后用视频记录了收集水的过程。gydF4y2Ba