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重慶大學李猛/成都理工大學王佳程 Device||基于熱管原理的垂直式光熱界面蒸發器

2026-04-07 09:02:45　來源: 熱質納能

四川舉報

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研究背景

Research Background

在全球淡水資源日益緊張的背景下，太陽能驅動的界面蒸發脫鹽（SID）技術因其低碳、高效的能量利用特性成為重要的清潔水解決方案。近年來，重慶大學李猛教授團隊圍繞微納仿生固液界面的能質轉換與傳輸問題，開展了系統性的研究探索。團隊從自然界動植物中汲取靈感，通過精細化調控微納結構、多物理場協同以及系統構型創新，致力于解決界面光熱蒸發中能量利用率低、鹽分結晶以及蒸發冷凝相互干擾等關鍵瓶頸。前期工作中，團隊開展了界面光熱轉換材料的多尺度仿生設計與內部傳質機制研究。針對薄膜材料厚度受限導致的光吸收不足問題，引入周期性脊陣列構建復合膜，利用光限域效應削弱表面反射，在超薄結構下顯著提升了光吸收與光熱轉換效率（Nano Energy,2021,89,106443）。為進一步優化材料熱管理，課題組選用生物質廢料開發出具多級自相似特征的分形碳骨架，利用宏觀深孔強化光熱聚集，并輔以納米孔洞抑制輻射熱損，實現了跨尺度結構上的光熱協同（Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2007648）。此外，團隊以絲瓜絡為原型創制了三維維管束蒸發器，利用微納維度的溫度梯度激發馬蘭戈尼對流加速水輸運，并借助受限空間內的羥基活化水分子，實現了從宏觀孔道結構到分子尺度傳質的協同調控（Nano Energy, 2023, 114, 108631）。

在微觀結構優化的基礎上，研究人員進一步揭示了多物理場耦合對界面脫鹽性能的提升機制。針對傳統反式蒸發與電容去離子技術難以兼顧高產水量與抗結鹽性能的問題，團隊提出了熱場與電場多物理場耦合策略，開發了多級高通量光熱-電耦合淡化裝置（HPED）。研究表明，電場的引入可有效調控水分子氫鍵結構，將蒸發焓從2453.68 kJ/kg降低至 1916.94 kJ/kg，并有效抑制了蒸發界面的鹽分結晶。同時，熱場加快了電解質離子的遷移速率，進一步提升了脫鹽效率。測試結果表明，五級串聯的 HPED 原型在1個標準太陽光下產水量可達3.25 kg m?2 h?1，能耗較傳統裝置降低了33.84%（Desalination, 2026, 624, 119878）。

針對光熱淡化裝置走向實際應用時的傳熱傳質受限問題，團隊構建了新型垂直式空間解耦光熱淡化系統。傳統前置式SID系統因蒸發與冷凝同處密閉空間，存在蒸汽滯留、冷凝液滴增大界面熱阻以及蓋板被動散熱緩慢等傳熱傳質挑戰。受熱管內部高效相變與熱質循環機制啟發，提出了蒸發與冷凝的解耦設計，通過雙潤濕性蒸發膜和毛細冷凝管協同優化傳熱傳質。該裝置在戶外實測中產水量可達5.57 L m?2 h?1，為高效太陽能海水淡化提供了全新設計思路。相關成果以“Vertical architecture for decoupling evaporation and condensation processes in solar-driven interfacial desalination”為題發表于Cell Press期刊《Device》。論文第一作者為成都理工大學王佳程研究員。

文章亮點

Article Highlights

類熱管垂直解耦構型：創新性地將蒸發單元與冷凝單元在軸向方向上空間解耦，從根本上避免了傳統前置式系統中光線與蒸汽的相互干擾。

雙潤濕性界面傳質調控：親水碳氈（蒸發膜）與疏水PVDF納米纖維膜（透氣膜）的層疊結構，實現了液體輸送與蒸汽逸出路徑的分離，消除了蒸汽滯留區，傳質效率顯著提升。

微腔毛細強化冷凝相變：采用具有毛細內壁的銅管，利用微腔體結構降低成核能壘，并通過毛細力快速排出冷凝液，實現高效的滴狀冷凝。

研究簡介

Research Overview

傳統的前置式（Front-side）SID系統通常將蒸發與冷凝過程置于同一密閉腔室內。這種空間上的強耦合不可避免地引發了傳熱傳質過程中的相互制約，主要體現在以下三個方面：蒸汽滯留受限傳質, 蒸汽在受限密閉空間內積聚，導致驅動水分擴散的濃度梯度顯著下降，從而抑制了界面的持續蒸發動力學。冷凝液滴附加熱阻, 附著在透光蓋板上的冷凝液滴盡管維持了光學透明性，但形成了一層附加的熱阻層。該熱阻降低了高效冷凝所需的界面溫差，導致傳熱驅動力下降。被動散熱制約冷凝, 兼顧透光與冷凝雙重功能的蓋板（如玻璃或亞克力材質）導熱系數普遍較低，且依賴與環境的被動自然對流換熱。散熱能力受限導致液滴臨界成核半徑增大，進而降低了冷凝液的形成與收集效率。

圖1 傳統前置式（空間耦合）與新型垂直式（空間解耦）SID裝置傳熱傳質機制對比。

受熱管內部高效相變與熱質循環機制的啟發，團隊構建了一種新型垂直式SID裝置構型（圖2）。該裝置以“空間解耦”為核心理念，將蒸發與冷凝兩大核心單元進行了空間重構。蒸發單元與冷凝單元在軸向上實現物理分離，有效消除了傳統前置式裝置構型中的光吸收與蒸汽輸運間的相互干擾。在該裝置設計中，海水于獨立蒸發端吸熱蒸發，生成的水蒸氣在壓差驅動下定向輸運至冷凝端；同時，系統引入常溫進料海水作為被動冷源，在無需額外能耗的條件下，實現了高效的潛熱回收與淡水冷凝。

圖2 垂直式SID裝置的整體架構與核心組件：A垂直式SID裝置整體設計概念圖；B蒸發單元實物照片（含真空集熱管與雙潤濕性蒸發膜組件）；C冷凝單元結構示意圖。

蒸發單元的核心在于“雙潤濕性膜組件”的構建（EM@BM，圖3A）。底層親水碳氈（EM）利用毛細力將海水均勻輸運至蒸發界面；頂層為靜電紡絲制備的疏水PVDF納米纖維膜（BM）。BM高達92%的孔隙率為水蒸氣逸出提供了充足的通道，同時其127°的接觸角形成了有效的液態水阻擋層，防止了海水的滲漏。該設計成功解耦了液態水供給與水蒸氣逸出的物理路徑。 COMSOL多物理場模擬進一步揭示了其在傳熱傳質上的協同效應（圖3B-C）：在傳統單層膜（EM）結構中，內部易出現局部高溫區，積聚的熱量未能有效轉化為汽化潛熱，形成了傳質受限區。相比之下，EM@BM雙膜結構為蒸汽提供了暢通的擴散通道，實現了高度均勻的蒸汽濃度分布，顯著提升了傳質效率；同時溫度場分布更為均勻，避免了局部過熱現象。此外，頂層BM低的熱導率（0.02 W m?1 K?1）起到了顯著的隔熱作用。通過溫度場均化與強化隔熱的協同，系統能夠將熱量有效局域在氣液相變界面上，最大限度地降低了向環境的無效熱量散失。

圖3 雙潤濕性蒸發膜組件的傳熱傳質分析：A 蒸發膜組件內部的熱質輸運機制示意圖; B 基于COMSOL模擬的溫度場分布；C 基于COMSOL模擬的蒸汽濃度分布。

冷凝單元采用了內壁構建有毛細結構的銅管（C-tube），其內壁分布的5-10 μm的微球不僅擴展了有效換熱面積，更作為異相成核的高密度活性位點，顯著降低了蒸汽冷凝所需的過飽和度。依據經典成核理論，微結構內凹液面的形成有效降低了相變的吉布斯自由能壘。同時，微結構提供的毛細力能夠加速冷凝液滴的脫附與排出，避免了高熱阻液膜的形成，從而維持了高效的滴狀冷凝模式。

COMSOL模擬結果進一步證實了C-tube結構在強化冷凝方面的傳熱傳質優勢，其內部液相水占比顯著高于傳統光滑內壁管（S-tube）。理論計算表明，在管內徑≥8 mm且換熱溫差達90 K的工況下，C-tube的冷凝效率趨近于100%，展現出優異的潛熱與淡水回收性能。

圖4 戶外真實工況下的裝置性能評價：A裝置戶外實地測試圖；B 測試期間的環境光照強度變化；C 環境溫度和相對濕度變化；D 裝置的逐時產水速率；E 裝置的累計產水量；F 本裝置與其他典型前置式和反式SID裝置的產水率及冷凝效率綜合對比。

總結與展望

Summary and Outlook

戶外真實環境測試（圖4A-C），進一步驗證了垂直式SID系統的實際工作性能。在自然動態光照條件下，該系統的峰值瞬時產水速率達 5.57 L m?2 h?1，連續9小時的累計產水量最高達 39.7 L m?2（圖4D-E），展現出優異的實際產水效能。

綜上所述，本研究提出的基于類熱管空間解耦機制的垂直式太陽能界面脫鹽構型，有效突破了傳統前置式SID裝置中蒸發與冷凝過程相互制約的瓶頸。通過雙潤濕性蒸發界面與毛細冷凝管的結構設計，實現了系統內部傳熱與傳質路徑的協同優化及能質輸運強化。該研究不僅通過實地測試驗證了其在復雜工況下的技術可行性，也為太陽能驅動的高效綠色水處理技術提供了創新的裝置構型與理論支撐。