本研究由武汉大学资源与环境科学学院的Xiangyang Dong、Hao Li、Lingfei Gao、Chaoji Chen、Xiaowen Shi、Yumin Du和Hongbing Deng等人完成，发表于 Small 期刊2022年第18卷，文章编号2107156。该研究聚焦于太阳能海水淡化领域，针对界面蒸发过程中盐结晶导致蒸发器失效以及高浓度盐水直接排放造成的生态问题，提出了一种基于Janus纤维膜（Janus Fibrous Mats, JFMs）的悬浮式蒸发器（Suspended-Type Evaporator, STEs），实现了抗盐、零液体排放（Zero Liquid Discharge, ZLD）以及盐资源回收的多重目标。

太阳能海水淡化被广泛认为是一种缓解全球淡水危机的绿色技术。界面蒸发因其高效的热管理而受到关注，其基本原理是光热顶层吸收太阳光并转化为热量，底层隔热并持续输送盐水至蒸发层。然而，快速蒸发会导致蒸发界面局部盐浓度升高，最终在光热界面发生盐结晶。盐结晶一方面会阻碍光热转换，另一方面会堵塞水传输通道，导致蒸发器失效甚至损坏。传统抗盐策略主要包括两类：一是构建低曲折度通道结构以加快高浓度盐水从蒸发层向主体水体的回流，如钻孔木材或定向冷冻气凝胶；二是采用疏水或部分疏水蒸发器，使盐仅在亲水底层结晶而不影响光热层。尽管这些方法在一定程度上缓解了盐积累问题，但高浓度盐水直接排放到环境中仍会造成生态破坏，同时浪费了其中富含的钠、钾、镁等有价值的矿物资源。因此，开发一种既能抗盐又能实现零液体排放和矿物回收的太阳能蒸发器具有重要意义。

该研究的总体思路是制造一种三层结构的Janus纤维膜，并将其悬浮于两个水槽之间，使蒸发层与主体水体分离。首先，通过静电纺丝制备醋酸纤维素（Cellulose Acetate, CA）纤维膜作为基底。然后，将碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）通过过滤或涂覆的方式沉积在CA纤维膜表面形成光热层，CNTs负载量为0.2 mg cm⁻²。接着，将负载CNTs的膜浸泡在1%聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）溶液中进行疏水改性，使光热层获得抗盐能力。最后，在CA纤维膜的另一侧静电纺丝聚丙烯腈（Polyacrylonitrile, PAN）纤维作为亲水蒸发层，最终得到由CNT层、CA纤维层和PAN纤维层组成的三层Janus纤维膜。在蒸发器组装时，JFMs自然悬挂在两个装满水的比色皿之间，PAN层两端浸入水中，通过毛细作用持续将水输送至蒸发层。由于蒸发层不与主体水体直接接触，盐结晶不会重新溶解回水体，从而实现了零液体排放和盐的回收。

在材料表征方面，扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）显示CNTs主要附着在CA纤维膜表面而非渗透到内部，这归因于CA纤维膜较小的孔径。CNT层表面存在颗粒状团聚体，这些缺陷结构有利于光的多次散射和吸收。接触角测试表明，JFMs顶层具有138°的疏水接触角，证明PDMS改性成功；底层接触角为0°，表现为完全亲水。此外，经过氧等离子体氧化损伤后，材料仍保持疏水性，且在60 °C加热7分钟后接触角恢复至135°，展示了疏水性的自恢复能力，这源于PDMS分子向材料表面的自发迁移。

在光热性能方面，当CNTs负载量超过0.2 mg cm⁻²时，JFMs在可见光和近红外光谱范围内的平均吸收率超过95%。在干燥状态下，1个太阳光照下JFMs温度在1分钟内从室温迅速升至68 °C。在蒸发过程中，悬浮式设计使热量被限制在蒸发层内，仅加热少量水，减少了不必要的热损失，从而实现了高效的能量利用。在1至6个太阳光照下，蒸发器温度从31 °C升至54 °C，而对照组温度变化很小。

在蒸发性能方面，STEs在1个太阳光照下实现了1.94 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率，光热转换效率为92.7%。与传统浮动式Janus蒸发器相比，悬浮式设计提供了额外的蒸汽逃逸路径：蒸汽不仅可以通过光热层向上逃逸，还可以直接从底部蒸发层逃逸到大气中。通过对比实验发现，浮动蒸发器仅具有上层疏水层的蒸汽逃逸路径，其蒸发速率为0.6 kg m⁻² h⁻¹，而STEs底部蒸发层贡献了1.34 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率，表明底部蒸发层是高速蒸发的主要来源。在100小时长期运行测试中，蒸发速率保持在1.92至2.10 kg m⁻² h⁻¹范围内，表现出优异的稳定性。在不同光强下，蒸发速率与光强呈线性关系，在6个太阳下达到8.65 kg m⁻² h⁻¹。户外自然光测试中，中午12时蒸发速率最高达到4.29 kg m⁻² h⁻¹，高于室内1个太阳下的结果，这归因于户外光照强度可能超过1个太阳、环境温度较高以及风的促进作用。净化实验表明，人工模拟海水经STEs处理后溶质浓度降低了近两个数量级，符合世界卫生组织和美国环境保护署的饮用水标准。污水中重金属浓度降至检测限以下，有机污染物的吸收峰几乎消失。

在抗盐和盐回收方面，使用接近海水浓度的氯化钠溶液在6个太阳下进行加速测试。具有疏水光热层的STEs在6小时内蒸发速率保持稳定，而对照组（PAN纤维膜负载CNTs）的蒸发速率逐渐下降，最终仅为初始值的78%，这是因为盐在光热层结晶降低了光吸收。STEs中盐结晶仅发生在底部亲水蒸发层，且集中在JFMs中部而非两端，这减少了对水传输通道的堵塞，维持了稳定的水输送和蒸发。通过蒸发不同盐溶液，成功从蒸发层回收了NaCl、KCl、NiCl₂和CuCl₂晶体，验证了STEs从海水中回收矿物资源以及从污水中回收重金属的潜力。此外，研究者还构建了STEs阵列和太阳能淡化原型装置，在自然光照射下观察到冷凝水珠和盐结晶，证明了其规模化应用的可行性。

本研究的核心结论是，基于静电纺丝Janus纤维膜的悬浮式蒸发器通过将蒸发层与主体水体分离，实现了高效、抗盐、零液体排放的太阳能海水淡化，并能够回收盐水中的矿物资源。该设计的三个主要特征包括：一是零液体排放的抗盐性能，盐水在蒸发层浓缩后不会重新溶解回主体水体，而是积累在蒸发层中；二是双蒸汽逃逸路径，蒸汽既可通过光热层逃逸，也可直接从底部蒸发层逃逸，显著提高了蒸发速率；三是抗盐与盐回收，盐结晶仅发生在亲水蒸发层，便于连续收集矿物资源。该研究为海水淡化、光热发电、零液体排放污水处理以及高价值矿物回收等领域提供了一种有前景的结构设计思路。

本研究的亮点在于：首次将悬浮式蒸发器结构与Janus浸润性纤维膜相结合，同时解决了盐结晶导致的蒸发器失效和浓盐水排放造成的生态问题；通过引入额外的底部蒸汽逃逸路径，显著提升了蒸发速率；利用PDMS的自迁移特性实现了疏水性的自恢复，增强了蒸发器在恶劣环境下的耐久性；并通过实际盐结晶实验证明了从海水中回收钠、钾以及从污水中回收重金属的可行性。这些创新为太阳能界面蒸发技术的实际应用提供了新的策略。