重庆大学李猛/成都理工大学王佳程 Device||基于热管原理的垂直式光热界面蒸发器|device|成都理工大学|李猛(1967年)|热管原理|王佳程|蒸发器|蒸汽|重庆大学

研究背景

Research Background

在全球淡水资源日益紧张的背景下，太阳能驱动的界面蒸发脱盐（SID）技术因其低碳、高效的能量利用特性成为重要的清洁水解决方案。近年来，重庆大学李猛教授团队围绕微纳仿生固液界面的能质转换与传输问题，开展了系统性的研究探索。团队从自然界动植物中汲取灵感，通过精细化调控微纳结构、多物理场协同以及系统构型创新，致力于解决界面光热蒸发中能量利用率低、盐分结晶以及蒸发冷凝相互干扰等关键瓶颈。前期工作中，团队开展了界面光热转换材料的多尺度仿生设计与内部传质机制研究。针对薄膜材料厚度受限导致的光吸收不足问题，引入周期性脊阵列构建复合膜，利用光限域效应削弱表面反射，在超薄结构下显著提升了光吸收与光热转换效率（Nano Energy,2021,89,106443）。为进一步优化材料热管理，课题组选用生物质废料开发出具多级自相似特征的分形碳骨架，利用宏观深孔强化光热聚集，并辅以纳米孔洞抑制辐射热损，实现了跨尺度结构上的光热协同（Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2007648）。此外，团队以丝瓜络为原型创制了三维维管束蒸发器，利用微纳维度的温度梯度激发马兰戈尼对流加速水输运，并借助受限空间内的羟基活化水分子，实现了从宏观孔道结构到分子尺度传质的协同调控（Nano Energy, 2023, 114, 108631）。

在微观结构优化的基础上，研究人员进一步揭示了多物理场耦合对界面脱盐性能的提升机制。针对传统反式蒸发与电容去离子技术难以兼顾高产水量与抗结盐性能的问题，团队提出了热场与电场多物理场耦合策略，开发了多级高通量光热-电耦合淡化装置（HPED）。研究表明，电场的引入可有效调控水分子氢键结构，将蒸发焓从2453.68 kJ/kg降低至 1916.94 kJ/kg，并有效抑制了蒸发界面的盐分结晶。同时，热场加快了电解质离子的迁移速率，进一步提升了脱盐效率。测试结果表明，五级串联的 HPED 原型在1个标准太阳光下产水量可达3.25 kg m⁻² h⁻¹，能耗较传统装置降低了33.84%（Desalination, 2026, 624, 119878）。

针对光热淡化装置走向实际应用时的传热传质受限问题，团队构建了新型垂直式空间解耦光热淡化系统。传统前置式SID系统因蒸发与冷凝同处密闭空间，存在蒸汽滞留、冷凝液滴增大界面热阻以及盖板被动散热缓慢等传热传质挑战。受热管内部高效相变与热质循环机制启发，提出了蒸发与冷凝的解耦设计，通过双润湿性蒸发膜和毛细冷凝管协同优化传热传质。该装置在户外实测中产水量可达5.57 L m⁻² h⁻¹，为高效太阳能海水淡化提供了全新设计思路。相关成果以“Vertical architecture for decoupling evaporation and condensation processes in solar-driven interfacial desalination”为题发表于Cell Press期刊《Device》。论文第一作者为成都理工大学王佳程研究员。

文章亮点

Article Highlights

类热管垂直解耦构型：创新性地将蒸发单元与冷凝单元在轴向方向上空间解耦，从根本上避免了传统前置式系统中光线与蒸汽的相互干扰。

双润湿性界面传质调控：亲水碳毡（蒸发膜）与疏水PVDF纳米纤维膜（透气膜）的层叠结构，实现了液体输送与蒸汽逸出路径的分离，消除了蒸汽滞留区，传质效率显著提升。

微腔毛细强化冷凝相变：采用具有毛细内壁的铜管，利用微腔体结构降低成核能垒，并通过毛细力快速排出冷凝液，实现高效的滴状冷凝。

研究简介

Research Overview

传统的前置式（Front-side）SID系统通常将蒸发与冷凝过程置于同一密闭腔室内。这种空间上的强耦合不可避免地引发了传热传质过程中的相互制约，主要体现在以下三个方面：蒸汽滞留受限传质, 蒸汽在受限密闭空间内积聚，导致驱动水分扩散的浓度梯度显著下降，从而抑制了界面的持续蒸发动力学。冷凝液滴附加热阻, 附着在透光盖板上的冷凝液滴尽管维持了光学透明性，但形成了一层附加的热阻层。该热阻降低了高效冷凝所需的界面温差，导致传热驱动力下降。被动散热制约冷凝, 兼顾透光与冷凝双重功能的盖板（如玻璃或亚克力材质）导热系数普遍较低，且依赖与环境的被动自然对流换热。散热能力受限导致液滴临界成核半径增大，进而降低了冷凝液的形成与收集效率。

图1 传统前置式（空间耦合）与新型垂直式（空间解耦）SID装置传热传质机制对比。

受热管内部高效相变与热质循环机制的启发，团队构建了一种新型垂直式SID装置构型（图2）。该装置以“空间解耦”为核心理念，将蒸发与冷凝两大核心单元进行了空间重构。蒸发单元与冷凝单元在轴向上实现物理分离，有效消除了传统前置式装置构型中的光吸收与蒸汽输运间的相互干扰。在该装置设计中，海水于独立蒸发端吸热蒸发，生成的水蒸气在压差驱动下定向输运至冷凝端；同时，系统引入常温进料海水作为被动冷源，在无需额外能耗的条件下，实现了高效的潜热回收与淡水冷凝。

图2 垂直式SID装置的整体架构与核心组件：A垂直式SID装置整体设计概念图；B蒸发单元实物照片（含真空集热管与双润湿性蒸发膜组件）；C冷凝单元结构示意图。

蒸发单元的核心在于“双润湿性膜组件”的构建（EM@BM，图3A）。底层亲水碳毡（EM）利用毛细力将海水均匀输运至蒸发界面；顶层为静电纺丝制备的疏水PVDF纳米纤维膜（BM）。BM高达92%的孔隙率为水蒸气逸出提供了充足的通道，同时其127°的接触角形成了有效的液态水阻挡层，防止了海水的渗漏。该设计成功解耦了液态水供给与水蒸气逸出的物理路径。 COMSOL多物理场模拟进一步揭示了其在传热传质上的协同效应（图3B-C）：在传统单层膜（EM）结构中，内部易出现局部高温区，积聚的热量未能有效转化为汽化潜热，形成了传质受限区。相比之下，EM@BM双膜结构为蒸汽提供了畅通的扩散通道，实现了高度均匀的蒸汽浓度分布，显著提升了传质效率；同时温度场分布更为均匀，避免了局部过热现象。此外，顶层BM低的热导率（0.02 W m⁻¹ K⁻¹）起到了显著的隔热作用。通过温度场均化与强化隔热的协同，系统能够将热量有效局域在气液相变界面上，最大限度地降低了向环境的无效热量散失。

图3 双润湿性蒸发膜组件的传热传质分析：A 蒸发膜组件内部的热质输运机制示意图; B 基于COMSOL模拟的温度场分布；C 基于COMSOL模拟的蒸汽浓度分布。

冷凝单元采用了内壁构建有毛细结构的铜管（C-tube），其内壁分布的5-10 μm的微球不仅扩展了有效换热面积，更作为异相成核的高密度活性位点，显著降低了蒸汽冷凝所需的过饱和度。依据经典成核理论，微结构内凹液面的形成有效降低了相变的吉布斯自由能垒。同时，微结构提供的毛细力能够加速冷凝液滴的脱附与排出，避免了高热阻液膜的形成，从而维持了高效的滴状冷凝模式。

COMSOL模拟结果进一步证实了C-tube结构在强化冷凝方面的传热传质优势，其内部液相水占比显著高于传统光滑内壁管（S-tube）。理论计算表明，在管内径≥8 mm且换热温差达90 K的工况下，C-tube的冷凝效率趋近于100%，展现出优异的潜热与淡水回收性能。

图4 户外真实工况下的装置性能评价：A装置户外实地测试图；B 测试期间的环境光照强度变化；C 环境温度和相对湿度变化；D 装置的逐时产水速率；E 装置的累计产水量；F 本装置与其他典型前置式和反式SID装置的产水率及冷凝效率综合对比。

总结与展望

Summary and Outlook

户外真实环境测试（图4A-C），进一步验证了垂直式SID系统的实际工作性能。在自然动态光照条件下，该系统的峰值瞬时产水速率达 5.57 L m⁻² h⁻¹，连续9小时的累计产水量最高达 39.7 L m⁻²（图4D-E），展现出优异的实际产水效能。

综上所述，本研究提出的基于类热管空间解耦机制的垂直式太阳能界面脱盐构型，有效突破了传统前置式SID装置中蒸发与冷凝过程相互制约的瓶颈。通过双润湿性蒸发界面与毛细冷凝管的结构设计，实现了系统内部传热与传质路径的协同优化及能质输运强化。该研究不仅通过实地测试验证了其在复杂工况下的技术可行性，也为太阳能驱动的高效绿色水处理技术提供了创新的装置构型与理论支撑。