东华大学陈志钢/李昊轩团队：仿生树叶向上悬挂蒸发器实现零液排放

研究背景

全球淡水短缺问题日益严峻，海水淡化成为关键解决方案之一。然而，传统海水淡化技术产生的高浓度卤水排放会引发严重生态问题。零液排放技术是将水与溶质进行完全分离的一种策略，能确保废水不会排放到环境当中并实现盐资源的回收和淡水资源的循环利用，然而该技术的广泛部署面临操作复杂、成本高昂等挑战。近期，太阳能界面蒸发技术因其高效的光热转换效率和绿色低成本的特性备受关注，然而蒸发过程中的盐结晶与累积会限制太阳能蒸发器的性能和使用寿命。因此，开发一种高效、连续处理高浓度卤水且实现零液排放的太阳能蒸发器，对促进可持续海水淡化技术发展有着重大意义。

Nature-Inspired Upward Hanging Evaporator with Photothermal 3D Spacer Fabric for Zero-Liquid-Discharge Desalination

Ye Peng, Yang Shao, Longqing Zheng, Haoxuan Li*, Meifang Zhu, Zhigang Chen*

Nano-Micro Letters (2026)18: 22

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01868-0

本文亮点

1. 成功研制新型光热材料：开发出具有优异水传输能力和高太阳能吸收效率的光热三维间隔涤纶织物(PPSF)。2. 创新蒸发结构设计：采用受红树林叶片启发的向上悬挂式、反向供水设计，当PPSF倾斜角度为52°时，有效避免了流动的卤水带走热量，使该系统的热损失最小化(0.366 W)，蒸发器展现出2.81 kg m⁻2 h⁻1的蒸发速率。3. 蒸发区与结晶区的分离：独特的向上悬挂设计将蒸发区与结晶区物理隔离，实现零液排放的同时有效缓解长期运行过程中盐结晶对蒸发器性能和寿命的影响。

内容简介

为解决传统太阳能界面蒸发技术在处理高浓度卤水性能衰减快的问题，以及发展具有零液排放特性的太阳能蒸发器。东华大学陈志钢/李昊轩团队受红树叶片启发，提出“反向供水”的向上悬挂蒸发器。研究团队以低成本三维间隔涤纶织物为基底，通过两步原位聚合依次引入聚多巴胺(PDA)与聚吡咯(PPy)，制备得到PPSF光热材料。PPSF独特的“叶脉”式多级孔道结构赋予其优异的水传输、光捕获能力和更大的蒸发面积。

向上悬挂蒸发器由两只不同高度的水槽及折叠悬挂的PPSF组成。通过优化PPSF倾角θ至52°时，PPSF的毛细效应与水的重力达到最佳平衡——水分持续输送至向上倾斜的蒸发区，而盐分因浓度梯度迁移并在向下倾斜的结晶区析出，实现“蒸发-结晶”功能区的自动分离。该状态下蒸发器不仅避免了卤水排放带来的环境污染和热损失，还有效缓解了结晶盐对蒸发的负面影响。

长期室内测试表明，向上悬挂蒸发器在7 wt%卤水中连续运行三天，光蒸发速率稳定在2.71 kg m⁻2 h⁻1，累计回收盐晶体7.28 g；经14天使用后，PPSF仍保持93%的太阳能吸收效率和5.2 MPa的机械强度。户外实测进一步验证，在0.41–0.95 kW m⁻2自然光照下，向上悬挂蒸发器的蒸发总量为21.4 kg m⁻2，收集到的冷凝水水中Na⁺浓度降至<10 mg L⁻1，符合WHO饮用水标准。

图文导读

I 仿红树叶的向上悬挂蒸发器的设计

太阳能驱动的界面蒸发在零液排放技术中具有发展潜力，但快速蒸发易导致盐结晶和积累(图1a)。为解决上述问题，该研究团队提出了以光热织物为核心的悬挂蒸发器(图1b)。运行时，卤水通过毛细效应和虹吸效应沿织物流动，大部分卤水从织物表面蒸发，剩余浓缩卤水滴入收集槽，防止盐在蒸发区积累。然而，悬挂蒸发器每蒸发1 kg水时，会产生约0.2 kg高浓度卤水，可能造成潜在的环境污染风险。此外，水的固有热导率(≈0.6 W m⁻1 K⁻1)导致卤水在传输过程中会带来大量的热损耗，从而导致蒸发器的效率降低。受红树叶通过气孔蒸腾和盐腺分泌的启发(图1c)，该团队开发了向上悬挂蒸发器。光热织物悬挂在不同高度的水槽之间，形成折叠结构(图1d)。通过调整向上倾斜角度(θ)，卤水通过毛细效应沿光热织物向上流动，使水从上倾斜织物表面快速蒸发，而盐离子则在指定的下倾斜织物中迁移并结晶，有效分离了蒸发区和结晶区。

图1. a-b 传统漂浮与悬挂蒸发器的局限；c 红树叶蒸腾-泌盐机制；d仿红树叶的向上悬挂蒸发器。

II PPSF的制备及其与光的相互作用

三维编织间隔涤纶织物(SF)由半自动编织机制得(图2a)，其结构由两个独立编织基底组成，通过间隔纱保持分离(图2b)。编织基底的纤维束表面光滑(图2c、d)。中间间隔由直径约50 μm、长度约1.5 mm的光滑纤维组成(图2e)。为提升SF的润湿能力和光热转换效果，采用多巴胺和吡咯的两步自聚合法制备PPSF(图2a)。PPSF呈黑色，其基底的纤维束表面粗糙(图2f-h)。经过聚合反应后，PPSF仍然保留了编织间隔结构(图2i)。初始SF太阳能吸收效率仅为12.5%(图2j)，而PPSF在280-2500 nm波长范围内，太阳能吸收效率高达97.8%(图2k)，这归因于PPSF纤维粗糙表面和复杂结构延长了光折射路径(图2l)。在模拟太阳光照(1 kW m⁻2)下，干态SF温度上升缓慢，从22℃升至39.0℃需300 s，而干态PPSF在50 s内温度快速上升，300 s时平衡温度达81.2℃(图2l)。这表明PPSF具有卓越的光热转换性能，显著提升了太阳能驱动的蒸发性能。

图2. aPPSF制备的示意图；b-e SF 的数码照片和SEM图像；f -iPPSF的数码照片和SEM图像；j 织物在 280 至 2500 nm 波长范围内的紫外-可见-近红外光谱；k 基于PPSF粗糙表面和间隔结构的高效光吸收示意图；l 在模拟太阳光照(1 kW m⁻2)下干燥织物的温度曲线。

III PPSF的水的相互作用

光热材料表面的官能团显著影响水合动力学和蒸发热力学。改性后的PPSF因含有大量亲水基团(-OH和-NH₂)，展现出优异的亲水性和水传输性能，可将水的蒸发焓降低至1819.72 kJ kg⁻1(图3a-c)。这些基团与水分子建立了更强的氢键和静电相互作用。这些强界面相互作用反过来导致在PPSF表面附近生成了束缚水(BW)层，在BW的外层，水分子与其他水分子的配位数少于四个，形成了中间水(IW)层(图3d)。IW 层与打破水分子之间的氢键所需的能量有关，IW比例越大水的蒸发焓越低。为了定量分析 IW 的比例，对纯水水和浸湿的PPSF进行了LF-NMR分析。纯水在谱图的2492 ms 处显示出一个单一的FW峰。而浸湿PPSF显示三个峰：1693.3 ms处的FW峰(峰面积比例67.5%)、91.6 ms处的IW峰(峰面积比例33.2%)和3.9 ms处的残留BW信号(峰面积比例0.3%)(图3e)，表明亲水基团显著提高了IW比例，减少了水从液态转变为气态所需的能量。此外，纳米计算机断层扫描(Nano-CT)观察到湿润后的PPSF在顶部和底部基底上形成薄水膜，而中间间隔区域保留大量空气(图3f、g)。这种独特的水/气区域化分布使基底上下表面均与空气接触，进一步扩大了PPSF的蒸发面积，从而提高蒸发速率。

图3. a SF 和PPSF得到截面润湿性；b SF 和PPSF的浸水行为；c 纯水、PSF 和PPSF中水的蒸发焓；dPPSF内部水状态的示意图；e本体水和PPSF内水的低场核磁共振(LF-NMR)；f、gPPSF从干燥状态到湿润状态转变过程中水和空气的分布。

IV PPSF倾斜角度对向上悬挂蒸发器性能的影响

传统悬挂蒸发器中，快速流动的卤水会将热量从织物表面带走，从而降低蒸发速率。为了提高热能利用效率，合理调控水传输至关重要。这可以通过调整两个水槽之间的高度差来改变织物的倾斜角度(θ)实现(图4a)。当θ为52°时，毛细效应主导水的供应，没有水被转移到空收集槽中，实现了零液排放，避免了卤水排放带来的环境威胁(图4b和图4i)。随着倾斜角度从0°增加到60°，蒸发界面的平衡温度从约39.5℃升高到约42.5℃(图4c)，这些结果表明，增加倾斜角度会导致蒸发界面温度升高，这归因于织物内水传输的减缓。这种效应可能会增强水的蒸发。为了进一步分析热传递行为，使用COMSOL构建了具有不同水流速率的蒸发界面模型(包括流动水膜和PPSF)(图4d)，结果显示：当水流速率为~10⁻⁵ m s⁻1时，流动水膜的温度梯度从20℃升高到39℃；当水流速率从~10⁻⁷降低到~10⁻⁹ m s⁻1时，流动水膜的最高温度从40℃升高到42℃(图4e)。

图4. a向上悬挂式模型的示意图，展示了随着倾斜角度的增加，水分传输减少和热损失降低；b、c 在不同倾斜角度下，PPSF 的卤水收集速率、蒸发界面和供应槽中卤水的平衡温度；d-f 流动水导致热损失和 COMSOL 模拟结果；g、h 在不同倾斜角度下的质量损失和蒸发速率；i 在不同倾斜角度下收集的卤水中的Na⁺浓度，表明在较高角度下浓度更高，且在 52° 时实现零液体排放。

在当织物水平放置(θ = 0°)时，由于水传输速度最快，热损失最大。此时卤水流动导致的热损失为0.461 W，占总热损失(0.698 W)的66.0%。随着倾斜角度增加至15°、30°和50°，卤水流动导致的热损失分别降低至0.370 W、0.178 W和0.05 W，分别占总热损失的约59.8%、38.7%和5.3%(图4f)。这些结果主要归因于随着倾斜角度增大，卤水收集速率降低。值得注意的是，当织物倾斜至52°时，由于没有卤水被转移到空槽中，没有因水流导致的热损失，总热损最小仅为0.366 W，蒸发速率达到了最大值2.81 kg m⁻2 h⁻1，比0°时(1.93 kg m⁻2 h⁻1)高出1.46倍(图4g、h)。然而，当θ为60°时，蒸发速率略有下降至2.79 kg m⁻2 h⁻1。这是由于热对流的增强，导致总热损失升高至0.416 W。上述结果证实，调整织物倾斜角度可以有效减少热损失，提升悬挂蒸发器的性能。

V 向上悬挂蒸发器的耐久性和盐结晶行为

在长时间运行中，漂浮蒸发器的蒸发速率显著衰减(图5a)，而悬挂蒸发器(θ = 0°)表现出稳定的光/暗蒸发速率，分别为1.90和0.35 kg m⁻2 h⁻1，且织物表面无结晶盐生成(图5b)。向上悬挂蒸发器(θ = 52°)的光/暗蒸发速率进一步提升并稳定在2.71和0.62 kg m⁻2 h⁻1(图5c)。值得注意的是，盐逐渐积累并被限制在PPSF的下部形成固定的结晶区，这确保了蒸发区的有效面积，保证了蒸发器稳定且高效的蒸发(图5d)。测试后，向上悬挂蒸发器(θ = 52°)显示出最佳蒸发性能，总质量损失为121.68 kg m⁻2，是漂浮蒸发器(39.24 kg m⁻2)的3.10倍(图5e)。结晶区积累的盐因重力落入收集槽，织物上残留的盐可轻松清除并收集。COMSOL模拟(图5f、g)通过预测向下倾斜表面的高离子浓度和向上倾斜表面的低离子浓度，证实了这一机制，确认蒸发和结晶发生在空间上不同的区域。

图5. a-c 使用 7 wt% 的卤水溶液，在连续三天内对漂浮式、悬挂式(θ = 0°)和向上悬挂式(θ = 52°)模型进行长期蒸发；d 在长期蒸发过程中，向上悬挂式模型(θ = 52°)的照片，说明盐在下部区域积累，而蒸发区未受影响；e 在连续三天后，蒸发模型的总蒸发质量；f-g 在蒸发过程中，向上悬挂式模型(θ = 52°)上盐离子浓度分布的 COMSOL 模拟结果。

VI 向上悬蒸发器的实际应用

蒸发器在自然阳光下的蒸发行为对于评估其在实际应用中的性能至关重要。在户外测试中，将大面积的向上悬挂蒸发器(投影面积：200 cm2，θ = 52°)，放置在冷凝器中(图 6a)。产生的蒸汽在透明倾斜装置的顶部区域发生冷凝，并被引导流入装置底部(图 6b)。为了进行比较，还测试卤水(7 wt%)的户外蒸发情况。随着太阳强度从 8:00 的 0.41 kW m⁻2 逐渐增加到 13:00 的 0.95 kW m⁻2，室外温度从 30.6℃ 上升到 35.4℃。当太阳强度在 18:00 进一步下降到 0.1 kW m⁻2 时，室外温度也下降到 30.0℃(图 6d)。卤水的蒸发速率从 9:00 的 0.15 kg m⁻2 h⁻1 逐渐增加到 13:00 的 0.5 kg m⁻2 h⁻1，然后在 18:00 下降到 0.1 kg m⁻2 h⁻1(图 6e)。蒸发器的蒸发速率也从 9:00 的 1.4 kg m⁻2 h⁻1 变化到 13:00 的 2.8 kg m⁻2 h⁻1，然后在 18:00 降至 1.3 kg m⁻2 h⁻1。经过 10 小时的蒸发后，蒸发器的累积质量变化达到 21.4 kg m⁻2，是卤水(2.9 kg m⁻2)的 7.4 倍(图 6f)。PPSF 表面上的蒸发区和结晶区显示出空间分离(图 6c)，表明向上悬挂蒸发器在自然条件下大规模生产水和盐方面具有显著潜力。

该蒸发器在可持续卤水管理方面实现了双重功能：在执行高效的无卤水排放处理的同时，通过集成的蒸汽冷凝模块同时实现淡水生产。如图6g所示，收集的淡水中Na⁺浓度(< 10 mg L⁻1)显著低于不同浓度的原始卤水溶液中的浓度，且低于世界卫生组织(WHO)标准。向上悬挂蒸发器还被用于处理酸性和碱性液体。净化后的水样显示出接近中性的 pH 值(图 6h)。此外，还对含有亚甲蓝的液体样本进行了净化。如图6i所示，通过太阳能蒸发获得的净化水无色透明，且不存在亚甲蓝的特征吸收峰(667 nm)。这些结果表明，使用向上悬挂蒸发器能有效去除盐离子和染料污染物，收集的蒸发水可用于制备纯水。

图6. a、b 运行前后用于淡水收集的装置照片；c 一天运行后PPSF表面的照片；d太阳强度和室外温度变化；e、f 向上悬挂式模型(θ = 52°)和卤水(7 wt%)在不同时间段的蒸发速率和累积质量变化；g 处理前后卤水中的离子浓度；h 酸性和碱性溶液净化前后的 pH 值变化；i 净化前后亚甲蓝溶液的照片和光吸收光谱。

VII 总结

本研究提出了一种受自然启发的蒸发器，专为零液排放而设计。具有三维间隔结构的PPSF展现出97.8% 的高太阳能吸收效率，该结构通过多次内部反射延长光的捕获路径。受红树叶启发，该团队设计了一种向上悬挂的蒸发系统，其中折叠的PPSF织物连接两个不同高度的水槽。这种配置建立了不同的功能区域：在织物的向上倾斜区域持续产生蒸汽，而在向下倾斜的区域浓缩卤水进行定向盐结晶，实现了零液排放。在优化条件下(52° 倾斜角度)，该系统在处理 7 wt% 的卤水时达到2.81 kg m⁻2 h⁻1 的蒸发速率，并展现出较好的热管理能力(热损失仅为0.366 W)。值得注意的是，在长时间运行中蒸发性能无明显衰减，且可以高效的回收盐(1.62 kg m⁻2 day⁻1)。这种双重功能的设计同时解决了淡水生产和盐回收的挑战，为实现高效节能的零液排放系统的实际应用提供可行方案。

撰稿：原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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