随着全球人口的迅速增长，对淡水供应的压力越来越大，导致超过20亿人缺乏饮用水的现状。水资源短缺对生态系统、人类健康和社会经济发展都有重要影响。为减轻淡水供应压力，海水淡化技术正在世界各地迅速发展。目前，实践中最流行的海水淡化技术是膜渗透和热蒸馏，由于它们具有高淡化速率和水产量的优势。然而，高能耗限制了它们在某些地区的广泛应用。太阳能海水淡化技术作为一种新型的淡化方法，直接利用太阳能来净化海水，具有低能耗、独立于化石燃料和电网供电的优点，有望成为传统技术的有效补充。在这个背景下，提出了一种使用纤维材料的夹层结构蒸发器，通过对纤维材料的结构设计，实现了高蒸发率和良好的抗盐性能，为纤维材料太阳能蒸发器的实际应用打开了新的道路。
图1 详细描述了制备氧化碳黑纳米颗粒以及构建光吸收层的过程。首先，通过将15克碳黑（Carbon black, CB）粉末与300毫升的氢过氧化物混合，加热至120 ℃并搅拌5小时，进行氧化处理，以增强CB在水中的分散性。经过三次重复处理，得到水溶性良好的氧化CB。接着，制备不同浓度的碳黑水溶液，将静电清洁布浸泡在CB纳米流体中，然后清洗和干燥，形成光吸收层。最后，将光吸收层、水传输层和隔离层组装成三明治结构的蒸发器。这一过程旨在优化光热转换能力和抗污性能。
图1. 夹心式蒸发器的制备流程图。(a)CB粉体的氧化工艺。(b)用CB纳米颗粒装饰静电清洁布制备吸光层。(c)夹层式蒸发器总成。
图2展示了所设计的三明治式蒸发器的结构及其各层的特性。该蒸发器由电静电清洁布（作为光吸收层）、水传输层和隔离层组成。光吸收层的SEM图像显示，经过氧化处理的CB纳米颗粒均匀地附着在纤维上，形成了高效的光吸收表面。水传输层则含有明显的涤纶纤维和细小的絮状纤维，其表面具有超亲水性，有利于水分的快速传输。这些特性确保了蒸发器在太阳能蒸发和防污性能方面的优越表现。
图2. 三层的特征化。上层（b1）和中层（b2）的夹层式蒸发器(a) SEM图像示意图。扫描EM图像分别为上层（b3）和中层（b4）。CB纳米颗粒的扫描电镜图像（b5）。静电清洁布、吸光层和输水层与水(c)的接触角分别为。吸光层（d1）和输水层（d2）的FTIR光谱显示了相应的官能团。这里，ν、δ和w分别表示拉伸、弯曲和摆动振动。三层的热导率(e)。去离子水浸泡24 h后光吸收层的CB溶解情况(f)。吸光和输水层的拉伸应力应变和承重实验(g) 。
为了获得一个多功能蒸发器，研究的蒸发器结构采用了三种不同构象的夹层状结构。三个蒸发器的原理图和几何尺寸如图3所示，包括平面折叠、上折叠和双折叠结构。为方便起见，蒸发器分别命名为E-1（平面表面）、E-2（上折叠表面）和E-3（双折叠表面）。聚苯乙烯泡沫在所有蒸发器中都有方形板结构。对于E-1，上层和中层都是平面结构。E-2和E-3的表面结构均呈锯齿状结构，不同的是E-2的中间层为平面结构，而E-3的中间层为锯齿状结构。
图4主要展示了太阳能蒸发模拟系统的构建以及不同蒸发器在太阳能蒸发过程中的性能比较。图4a描绘了系统的基本构成，包括使用氙灯模拟阳光，红外热像仪监测光照下蒸发器的界面温度。实验条件控制在湿度40%和温度20°C。图4b-d分别给出了吸光层在不同CB浓度下的透射率、反射率和吸收率曲线，揭示了吸光性能与CB浓度的关系。图4e显示了不同时间点不同蒸发器的水质量变化，用于评估蒸发速率。图4f探讨了平面结构蒸发器中CB浓度对蒸发速率的影响。图4i汇总了不同光照时间下蒸发器的蒸发速率、汽化潜热和能源效率。此外，图4还对比了本研究与其他文献的工作在不同盐度条件下的性能（j），以及蒸发器在纯水和3.0 wt%盐溶液中的耐久性测试（k）和日间不同时间的蒸发速率与太阳强度的关系（l）。这些结果表明，采用三明治结构的蒸发器能有效提高太阳能蒸发效率和抗盐性能。
图4. 蒸发器的太阳能蒸汽产生。太阳蒸发模拟系统(a).原理图不同CB浓度下吸光层的透射率(b)、反射率(c)和吸收率(d)曲线。不同蒸发器在不同辐照时间下的水的质量变化(e)。平面结构蒸发器的蒸发速率随光吸收层中CB浓度的变化(f)。不同蒸发器的蒸发速率、蒸发焓和能量效率(g)。E-1蒸发器不同照射时间(h)界面温度变化。不同蒸发器进行1小时照明的红外热图(i)。我们的作品和文学作品在不同的理智下的比较(j)。我们的蒸发器在纯水和3.0 wt%盐溶液(k)中的耐久性试验。在纯水和3.0 wt%的盐溶液中，一天中不同时间的蒸发率和太阳强度(l)。
图5介绍了在高浓度盐溶液环境下，对夹层蒸发器的抗污性能进行了测试。实验中，将0.5克固态NaCl置于蒸发器上，该蒸发器漂浮在3.5%质量分数的NaCl溶液上。实验结果显示，盐离子从蒸发器表面逐渐转移到海水中，在3.5小时后完全消失。这证实了该蒸发器具有出色的盐离子传输能力，对提升抗污性能至关重要。此外，分析了蒸发器表面的盐结晶程度。E-1蒸发器的表面盐结晶较少，但E-3蒸发器在两层折叠时出现了更严重的盐晶体积聚，表明其表面结构设计策略无法有效抑制盐结晶。相比之下，E-2蒸发器通过将水传输层设为平面，吸光层折叠起来，显著增强了抗污性能，有效控制了盐晶体的积聚。这些研究突显了蒸发器表面结构设计对防止盐结晶和提高长期运行性能的重要性。
图5. 蒸发器的太阳能淡化性能。E-1蒸发器(a).上的盐的溶解三种不同蒸发器在初始时刻和2小时光照(b).的表面盐结晶比较三种蒸发器在纯水和浓盐溶液(c).中的蒸发率比较(d).海水淡化前后海水中四种离子浓度的比较三种蒸发器在照射1小时后存在表面盐结晶的红外热图像(e)。
该文章描述的基于纤维的夹层蒸发器旨在有效应对浓缩盐溶液中的太阳能蒸发和排盐挑战。研究介绍了一种基于纤维的三明治式蒸发器，设计用于高效太阳能蒸发和盐分排斥。研究人员首先通过氧化过程处理碳黑(Carbon Black, CB)，然后制备光吸收层，这涉及将CB纳米颗粒涂在静电清洁布上。经过特定的浸泡、清洗、磁力搅拌和热处理步骤，得到高分散性的CB粉末。接着，将氧化CB粉末组装成三明治结构的蒸发器，包括绝热层、水传输层和光吸收层。这种结构和定制表面设计促进了局部盐结晶，防止了堵塞，并允许在高盐环境中持续运行。实验表明，光吸收层具有疏水性，而水传输层则表现出超亲水性，这种Janus结构有利于实现良好的抗污性能，确保高效水分运输和表面盐结晶抑制。因此，该蒸发器能同时实现高效的水传输和抑制盐结晶，对于太阳能驱动的海水淡化具有潜力 。
