一、研究背景
21世纪，淡水短缺正威胁着全球三分之二的人口。利用清洁能源（如太阳能）进行废水回用技术被认为是获取清洁水的有效方法之一。其中，盐水淡化技术通过将高盐废水或海水中溶质溶剂分离来获得洁净水的过程，同时，为了提高资源利用效率，人们还设计了零排放(Zero Liquid Discharge, Z LD)工艺，不仅能回收淡水，还能回收固体盐，是含盐水处理的最理想方法。目前，大多数报道的太阳能脱盐装置，淡水在它们的上表面蒸发，盐会在光热材料表面结晶并覆盖大部分光热材料。这些积累的盐严重影响了光热材料对太阳光的吸收，并阻碍了水蒸气的逸散，降低了含盐水淡化的效率。后续一些方案虽然解决了盐的堆积和堵塞问题，但这些蒸发器通常表现出相对较低的海水淡化速率，并且盐扩散回水溶液中没有被收集，无法实现ZLD技术。
二、文章简介
基于以上科学问题，华中科技大学新金属材料研究中心姚永刚教授团队和兰州大学化学化工学院的陈凤娟教授团队和开展联合攻关，开发了一种具有各向异性的T型结构的光热蒸发器，同时实现高性能淡水获取和盐回收，即实现了零液体排放过程。相关成果近日已在Small上发表（2021， 2100969，DOI: 10.1002/smll.202100969）。作者将沿木材生长方向切下的木片(L-wood)表面浸渍FeCl3并进行低温快速碳化制得制得碳化纵向木片（C-L-wood）光热材料，然后与另一L-wood垂直连接，以形成具有各向异性(宏观的T形和微观的木片上定向排列孔道)的T型蒸发器。T型设计提供了一个设计导流的输水路线，在太阳能驱动的蒸发过程中，盐水沿微观孔道被诱导致光热材料表面并继续向边缘输运，随着水分蒸发，光热材料内盐浓度呈现出梯度分布并使盐首先在光热材料两端达到饱和，并最终在边缘沉淀析出并收集。该蒸发器实现了同时获得干净的水和盐的功能，并在1 kW·m-2的光照强度照射下达到了2.43 kg·m−2 h−1的高蒸发率，太阳能利用效率达到83.6%。利用3.5 wt% NaCl溶液进行了60 h的稳定性实验，实验结果表明，盐可以56.6 g·m-2·h-1的速率析出并回收。
这一研究通过各向异性设计，实现了水的导流输运、热隔绝、以及盐收集，使蒸发器的性能和长期稳定性都得到了显著提高，有望应用于海水淡化、废水零排放处理、盐回收等各个领域。
图1. a)太阳能驱动的传统蒸发器示意图。盐在蒸发器表面沉积，导致太阳能吸收率降低。又由于蒸发器直接浮在水面上，热量容易扩散到水体。b)太阳能驱动ZLD的T型蒸发器。C-L-wood与另一块L-wood原木组装成T型结构。盐水从L-wood(“│”)的孔道输送到C-L-wood(“─”)的中线处，然后向光热材料两端输送，在此过程中，水被蒸发，盐在边缘达到饱和析出。该T型装置具有良好的热管理性能，可确保热量限域于材料上表面，从而确保长时间、高速率的淡化过程。
姚永刚，华中科技大学新金属材料研究中心教授，博士生导师。长期从事材料超高温合成和非平衡制造，特别是包括高熵合金和金属玻璃在内的亚稳态材料的研究，相关新材料主要应用于清洁能源与环境应用。同时致力于材料的智能化开发与处理，利用高通量实验和机器学习，大大加速新材料和新工艺的智能化升级。在《Science》(封面)、《Nature Nanotechnology》、《Science Advances》等学术期刊发表论文90余篇，论文总被引用9000余次。申请美国专利8项，其中3项已授权，其工作获得美国“2020 R&D 100 award”。担任“Metals”、“Frontiers in Energy Research”编委会成员，以及“Nano Research”的客座编辑。
课题组网站：http://faculty.hust.edu.cn/YAOYONGGANG/zh_CN/index.htm
