【研究背景】

碳排放的问题和全球水资源短缺问题推动了水处理战略向低碳和可持续发展方向演变。光热界面蒸发以其独特优势受科研界追捧。随着研究深入，水蒸发速率已达到规模化应用水平（>10 kg m-2h-1）。然而蒸汽的冷凝收集是制约其发展的重要原因。传统的向上冷凝装置因其在蒸汽液化过程中产生液滴限制其光吸收，冷凝相变使得冷凝界面的低效传热阻碍高效的冷凝。

江南大学研究团队报道了一种受冰山启发的水-电联产的海水淡化装置：通过全过程优化设计，从材料和结构两方面创新，设计出一种强化“热电-淡水”倒置式单级光热海水淡化装置（ISWG），通过模块化设计，有望规模化应用于海水淡化产业。该文以“Iceberg-Inspired Solar Water Generator for Enhanced Thermoelectricity–Freshwater Synergistic Production”为题在《Chemical Engineering Journal》（JCR：Q1, IF=15.1, Top）上发表。该文唯一通讯作者为江南大学纺织学院李昊轩研究员。

【文章解读】

图1. ISWG原理和规模化蓝图

通过倒置冷凝的方式，解决了冷凝液滴对入射光的损耗问题。通过在亲水粘胶非织造材料表面附着聚己内酯纳米纤维膜，制备出阻水透气的纤维基供水通道，选用碳纳米管材料作为高效光热转化材料。为了提高冷凝效果，利用化学法制备亲水层级氢氧化铜纳米线。利用光热材料与纤维水通道之间的温差发电。

图2. ISWG中蒸发器的构建和表征

1.0 sun下温差发电片上下表面温差为22.8℃，产生125.6 mV电压及17.3 mA电流，最大能量密度为0.47 W m-2，且其水蒸发速率和效率分别为1.2 kg m-2 h-1和81.8%，展现了一定的热电-淡水联产的性能。

图3. ISWG中蒸发器的水电联产性能

通过对冷凝器内部的结构优化和材料创新将蒸汽收集速率由0.268 kg m-2 h-1提高至0.906 kg m-2 h-1。分别测试利用空气冷却和利用海水冷却的冷凝器壁面温度，发现低温海水可促进水蒸气的冷凝，进而达到被动冷却的效果。进一步地，通过COMSOL软件模拟证明了仿冰山结构可利用海水被动降温。

图4. ISWG的蒸汽冷凝性能

实际户外测试中ISWG的淡水收集速率为3.92 kg m-2 day-1且发电量为2.66×10-3 kW·h m-2，具有良好稳定性，淡化海水并达到了WHO和EPA的标准，且对模拟染料具有优异的分离性能。

图5. ISWG阵列的户外水收集性能

【文章总结】

该文通过全结构优化设计制备倒置光热海水淡化器，克服了光热界面蒸发领域存在只讲蒸发不谈收集的困局。

1. 通过纤维结构设计制备Janus结构双层纤维材料，防止倒置蒸发过程海水滴落。

2. 巧妙地运用热电材料将蒸发和温差发电耦合。

3. 通过海水被动制冷和微纳结构优化构建超高效冷凝体系，真正实现光热界面蒸发用于海水淡化过程。

4. 通过模块化设计，通过模块化设计有望应用于未来海水淡化产业。

但是，该系统实际应用与海水淡化应考虑长时间工况下材料的耗损和折旧。如何提高倒置蒸发的蒸发速率是加速产业化的关键。且该漂浮式装置的提出给海浪发电、盐差发电、海水淡化、温差发电、湿气发电等带来新的思考。

【文献来源】

B. Jin, Y. Lu, X. Zhang, et al. Iceberg-inspired solar water generator for enhanced thermoelectricity–freshwater synergistic production, Chem. Eng. J., 2023, 469,143906.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143906.

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