基于华夫格的长效太阳能海水淡化技术

能源、水、粮食等是联合国可持续发展目标的核心。目前，全球三分之二的人口每年至少有一个月面临缺水境地；紧张的淡水资源还面临污染，进一步加剧了危机。在各种水处理技术中，太阳能海水淡化的净化程度最高、碳排放最低，备受关注，亦适用于偏远地区。太阳能蒸发器上的盐析出结晶，是当前的瓶颈问题之一。

为克服结盐问题，学者们发展了多种技术，包括基于马兰戈尼效应来驱动对流以抵抗结盐。尽管取得了很多进展，但仍存在一些挑战。首先，马兰戈尼效应依赖于表面张力梯度，因此它与液气界面的面积有关。如果液体的暴露表面面积小，则马兰戈尼流亦较弱。其次，浓度差和温度差诱导的马兰戈尼流的作用力方向，有时候不一致，影响了抵抗结盐效果。

近日，南京大学王学斌教授课题组联合其合作者，制作了华夫格结构的太阳能蒸发器件（waffle-shaped solar evaporator，WSE），增强了马兰戈尼流，并实现了浓差和温差驱动马兰戈尼流的协同，最终演示了长期稳定抵抗结盐的真实海水淡化测试。

华夫格结构，包括脊骨、盆地（图1）。在华夫格结构上进行海水蒸发时，由于其结构特点，会建立浓度梯度、温度梯度：由于脊骨表面的蒸发速率高于盆地，同时热量利用率也更高，因此，脊骨表面的盐度高于盆地表面、脊骨表面的温度低于盆地表面；由此，在脊骨的侧壁上，建立了浓度梯度、温度梯度，并且两者产生了相同方向的表面张力梯度，引发了强烈的马兰戈尼流。该马兰戈尼流，从盆地流向脊骨方向，驱使较低浓度的体相海水流向脊骨，稀释了脊骨表面的盐度。换而言之，该马兰戈尼流的补偿流，驱使高浓度海水从脊骨区域流向体相，从而避免了结盐。

图1：基于马兰戈尼效应以排盐的WSE设计示意图。（A）示意在盐水蒸发过程中，传统的平面蒸发器中的盐分布；因为仅靠浓差扩散，排盐效果较弱。白色斑点表示盐的浓度，青色和橙色渐变分别指蒸汽梯度、温度梯度。（B）示意WSE中的盐分布。华夫格结构的额外设计的侧壁，引入了表面张力梯度，引发了马兰戈尼流动（红色和棕色箭头）。蓝色箭头表示盐分输运。（C）界面光热蒸汽产生装置，其中以纤维素纸和聚苯乙烯泡沫作为供水和隔热材料。