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图1 基于温盐对流的高效耐盐太阳能蒸馏
图2 溶质置换型太阳能蒸发与蒸馏
在国家自然科学基金项目（批准号：51976123、52376200）的资助下，上海交通大学徐震原副教授、王如竹教授团队在高效耐盐的太阳能蒸馏研究方面取得新进展。研究成果分别以“基于温盐对流的超耐盐多级太阳能蒸馏（Extreme salt-resisting multistage solar distillation with thermohaline convection）”和“面向真实世界应用的溶质置换型太阳能蒸发（Solar evaporation with solute replacement towards real-world applications）”为题，于2023年9月21日和9月26日在线发表于《焦耳》（Joule）期刊和《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）期刊上，其中基于温盐对流的太阳能蒸馏成果还被《焦耳》期刊选为当期的专题文章（Featured Article）。论文链接分别为：https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.08.012 和https://doi.org/10.1039/D3EE02592F。
太阳能蒸馏是一种仅依靠太阳能输入就可以实现盐水分离的技术，具有不消耗化石能源、系统简单和纯被动运行的优势，是实现离网海水淡化、零碳废水处理和低成本盐资源收集的重要技术。团队前期在国家自然科学基金的资助下提出了局部加热型多级太阳能蒸馏方法，实现了太阳能蒸馏性能的显著提升，在这种背景下提升太阳能蒸馏的稳定性变得更加重要，这也成为了领域内公认的重要问题，然而太阳能蒸馏能效提升和稳定性提升之间存在显著矛盾。为了提升蒸发效率，目前普遍采用亲水多孔介质作为蒸发器，导致热质传递均以传导为主，使局部加热需求与强化排盐需求在热质协同传输下存在显著矛盾，该矛盾在处理高浓度、低溶解度或高粘度溶液时更为凸出。
为解决高浓度溶液难以实现稳定太阳能蒸馏的问题，研究团队在海洋中温盐对流现象的启发下，提出了如图1所示的受限盐水层蒸发与温盐对流强化思路，通过太阳能加热与蒸发脱盐调控受限盐水层内的温度和盐分梯度，可以在毫米级空间中获得类似于海洋中千米级温盐对流的现象，并在强化局部传热的同时快速移除蒸发界面积累的盐分，解决了传统多孔介质蒸发中局部加热与排盐强化间的本征矛盾。通过温盐对流强化和多级冷凝热回收的耦合，研究在0~20 wt%的盐水浓度范围内实现了322~121%的蒸馏性能系数，突破了该技术的性能记录，并展示了20 wt%浓缩海水连续180小时的稳定蒸馏。由于兼顾高效率和强稳定性，基于温盐对流的太阳能蒸馏技术可以大幅降低产水成本，比前研究降低一个数量级，在实现低成本的太阳能海水淡化方面具有巨大潜力。该成果与麻省理工学院团队合作完成，还被MIT News、美国科学促进会EurekAlert等多家科技媒体以“海水淡化系统可以生产比自来水更便宜的淡水（Desalination system could produce freshwater that is cheaper than tap water）”为题进行正面报道。
为解决低溶解度、高粘度溶液难以实现稳定太阳能蒸发的问题，研究团队提出了如图2所示的溶质置换型太阳能蒸发/蒸馏策略，通过太阳能蒸发/蒸馏产生的溶液浓缩作用提升溶液工质渗透压，进一步驱动正渗透盐水分离过程，并实现两个过程的被动耦合与协同提升。这种策略可以将难以处理的低溶解度、高粘度溶液置换为易于蒸发的溶液工质，保障太阳能蒸发/蒸馏过程的高效稳定运行，在处理低溶解度CaSO4溶液时实现了不结垢蒸发，在处理粘度比水高225倍的NaAlg溶液时将蒸发/蒸馏性能提升了416~478%，可以显著拓展太阳能蒸发/蒸馏的应用场景。
上述成果为解决太阳能蒸馏难以兼顾高能效和稳定性的难题提供了解决方案，对推动技术的实际应用具有重要意义。