太阳能蒸发因其简单的系统配置和高能效而成为一种前景广阔的海水淡化方法。近年来，人们对新型材料和结构进行了广泛的研究，以提高太阳能海水淡化的性能。在各种设计中，水凝胶因其三维亲水网络可通过与水分子的相互作用促进水的补充并加速水蒸气的生成而受到广泛关注。然而，大多数已报道的基于水凝胶的太阳能蒸发器（HSE）只能在低盐度液体（10%）中稳定运行，无法满足工业应用或长期使用的要求。由于水合聚合物网络的蒸发焓降低，水凝胶太阳能蒸发器（HSE）成为水净化的节能设计。然而，水凝胶太阳能蒸发器要想在海水淡化中实现稳定的性能仍然具有挑战性，部分原因是需要在所需的蒸发动力学和耐盐性之间进行权衡。

　　来自香港大学的学者利用具有可调自组装纳米纤维网络的复合水凝胶来设计具有高蒸发性能和抗盐积累能力的太阳能蒸发器。纳米纤维水凝胶太阳能蒸发器（NHSE）呈现出一种固有的开放式网络，孔隙率高达 90% 以上，能够形成连续的水通道，实现高效传质。理论建模通过耦合蒸发过程中的水传输、热传导和汽化焓，捕捉到了微结构与蒸发性能之间的复杂关系。通过对复合材料的机理理解和工程调整，得出了 NHSE 的最佳配置，在 20% 的盐水中连续脱盐时，NHSE 的蒸发率稳定在 2.85 kg m-2 h-1。NHSE 的出色性能和基本设计原理有助于进一步开发实用的海水淡化系统。相关文章以“Self-Assembled Nanofibrous Hydrogels with Tunable Porous Network for Highly Efficient Solar Desalination in Strong Brine”标题发表在Advanced Functional Materials。

　　图 1. a) 通过高度连续的水通道加强传质，消除盐分积累。b) 使用 NHSE 的太阳能海水淡化示意图。c) 扫描电子显微镜 (SEM) 图像显示 NHSE 的开放多孔网络。d) 混合纳米纤维网络的组成示意图，其中亲水基团用于水活化，PPy 用于光热转换。e) 微观结构与汽化性能之间的关系示意图，表明微观结构、供水、传热和汽化焓之间的耦合关系。

　　图 3. a) NHSE 的孔径分布。b) NHSE 的半膨胀时间和水传输率计算结果。c) NHSE 的半膨胀时间和水传输率与其他报道的 HSE 的比较。d,e) 模拟微通道中的水压（d）和水流速度变化（e）。f) 模拟不同孔径的 NHSE 中的平均水流速度。g) 用于测量导热系数的 NHSE 红外图像。h,i) 不同NHSE 的导热系数计算。

　　图 4.太阳能海水淡化性能工程。a) 太阳能海水淡化系统中的能量平衡和质量传输。b) 孔径、热导率和汽化焓随孔隙率变化的实验数据（封闭符号）和拟合线（虚线）。d) 不同 HSE 在 1 小时阳光照射下的蒸发水量，20% 的盐溶液不含蒸发器作为对照。e) 不同蒸发器在 1 小时阳光照射下在不同盐溶液中的蒸发率。f) NHSE 在 20% 盐溶液中的太阳能蒸发率与之前文献报道的结果的比较。基于 PVA 水凝胶的蒸发器的蒸发率明显下降。h) PVA 水凝胶和 NHSE 在20% 的盐水中连续蒸发 12 小时的照片。i) 模拟在 20% 的盐水中脱盐时盐分在 NHSE 中的稳定分布。

　　图 5. a) 净化前后各种盐溶液的电阻值。b) 净化前后酸碱溶液 pH 值的变化。c) 海水淡化前后四种主要离子（Na+、Mg2+、K+、Ca2+）的浓度。d) 受染料污染的水和净化水的紫外-可见吸收光谱。插图为净化前后的水样照片。e) 使用经 NHSEs 净化的水培养的 NIH 3T3 成纤维细胞的增殖。

　　总之，本研究开发出了适用于高盐度盐水的复合纳米纤维水凝胶太阳能海水淡化技术。混合纳米纤维网络所具有的高效传质、低热导率和低汽化焓对于太阳能海水淡化的高效稳定性能至关重要。对微观结构、热力学和动力学过程及其对蒸发性能的定量贡献的机理认识有利于其他 HSE 的工程设计。开发介观模型（如涉及晶格玻尔兹曼法的模型）将进一步加深对多孔介质中传质和传热的理解。在大多数情况下，通过引入适当的官能团来促进聚合物网络的水合作用将有助于降低蒸发焓，同时将对水转移的影响降至最低。最后，太阳能蒸发器的设备级设计将提供额外的性能提升，提高太阳能利用效率。（文：SSC）