碳排放的快速增加和全球缺水的问题推动了水处理战略向低碳排放和可持续发展的演变。光热界面水蒸发技术，以其低碳清洁的独特优势受到科研工作者的广泛关注。随着研究的不断深入，光热水蒸发器件的水蒸发速率已经超过10 kg m-2 h-1，达到规模化应用的水平。然而蒸汽的冷凝成为制约其规模化的重要原因。传统的向上冷凝装置因其在蒸汽液化过程中产生液滴限制其光吸收，且液化放热，冷凝界面的低效传热阻碍高效的冷凝。
近日，江南大学邓炳耀教授和李昊轩研究员在《Chemical Engineering Journal》上发表了题为“Iceberg-Inspired Solar Water Generator for Enhanced Thermoelectricity–Freshwater Synergistic Production” 的研究论文。报道了一种受冰山启发的 “热电-淡水” 联产的水蒸发装置：通过对光-热-电-水转化 “光热转化-温差发电-界面蒸发-被动冷凝” 过程进行了全优化设计，从材料和结构两方面创新，设计出一种强化 “热电-淡水” 生产的向下冷凝单级水蒸发装置，通过模块化设计，有望规模化应用于海水淡化产业（图1）。
图1. 仿冰山结构水蒸发装置的设计和规模化水蒸发系统的示意图
通过这种向下冷凝的方式，解决了冷凝液滴对入射光的损耗问题。通过对纤维基供水通道的结构设计，可防止海水滴落同时保证高效地水蒸气透过。利用光热材料与纤维基供水通道间的温差发电。通过对冷凝器内部进行层级纳米亲水结构设计，强化传热传质及冷凝效果。同时，进一步将冷凝器浸渍在海水中，可加快蒸汽冷凝焓热的释放，大大提高冷凝效率。
基于上述设计思路，对装置的各组件进行了调控和设计，并逐一表征。通过在亲水粘胶非织造材料表面附着聚己内酯纳米纤维膜，制备出阻水透气的纤维基供水通道；商业化的碳纳米管材料具有高效光热转化的特点；利用化学法制备亲水层级氢氧化铜纳米线，提高冷凝效果。在一个太阳光强下，温差发电片上下表面上下温度达22.8℃，可产生125.6 mV的电压以及17.3 mA的电流，最大能量密度为0.47 W m-2，且其水蒸发速率和效率分别为1.2 kg m-2 h-1和81.8%，展现了优异的热电-淡水联产的性能（图2）。此外，利用商业化太阳能电池板代替光热层可进一步提高该装置的发电量，并利用蒸发对电池板冷却，提高太阳能电池板的光电转换效率。
图2. 无冷凝器的水蒸发组件的性能表征。a. 装置测试图。b-e. 温差发电片上下表面温差及相关发电数据。f-i. 水蒸发组件表面温度热成像图、水蒸发速率和蒸发稳定性测试图。
水蒸发装置的蒸汽收集性能直接证明其冷凝效果（图3）。通过对冷凝器内部的结构优化和材料创新将蒸汽收集速率由0.268 kg m-2 h-1提高至0.906 kg m-2 h-1。分别测试利用空气冷却和利用海水冷却的冷凝器壁面温度，发现低温海水可促进水蒸气的冷凝，进而达到被动冷却的效果。进一步地，通过软件模拟分析映证了这种仿冰山结构可利用海水被动降温促进冷凝。
图3. 水蒸发装置冷凝性能优化。a. 装置测试图。b-e. 不同的装置结构设计其蒸汽收集性能，软件模拟分析冷凝效果，冷凝效果的稳定性测试。f. 蒸汽收集效率与现有文献的对比。
为了进一步测试装置的实际应用性能，该团队使用海水进行了户外测试。一天中，装置的淡水收集速率为3.92 kg m-2 day-1且发电量为2.66×10-3 kW·h m-2，具有良好的稳定性的同时可降低海水中的盐浓度并达到了WHO和EPA的标准，且对模拟染料具有优异的分离性能（图4）。该研究为高温环境下海水或污染水净化的实际应用提供了一种有效且可行的方案，通过模块化设计有望应用于未来海水淡化产业。
图4. 装置实际应用性能测试。a-d，户外实际性能测试图，一天的室外光强温度变化，水电联产数据和稳定性测试。e-f, 处理海水/染液性能对比；
该论文的第一作者为江南大学纺织科学与工程学院硕士研究生金炳奇，江南大学纺织科学与工程学院李昊轩研究员为论文唯一通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和浙江省智能纺织品与柔性互联重点实验室等经费支持。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143906
