海水淡化新技术：基于太阳还原氧化石墨烯的焦耳加热与光热协同蒸发系统

近日，韩国浦项科技大学的Sang J. Lee研究员在《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表了题为“All-Day, All-Weather Desalination Using a Contactless Evaporator with Antisalt Fouling Property”的论文（https://doi.org/10.1021/acsami.4c17002），提出了一种基于太阳还原氧化石墨烯（SRGO）涂层碳纤维的三维非接触式蒸发器，结合光热与焦耳加热协同作用，实现了高效、全天候的海水淡化。该装置通过非接触设计有效避免盐结垢，并具备高达4.27 kg/m²·h的蒸发速率，即使在无光条件下仍可通过焦耳加热维持高效蒸发性能。实验结果表明，该技术在提升能效、解决天气依赖性和盐沉积问题方面具有显著优势，展现出在淡水资源短缺和高盐废液处理领域的广阔应用前景。

研究背景

1.淡水资源短缺带来的全球性挑战：气候变化和人口增长使得淡水资源日益匮乏，传统淡水获取手段难以满足需求。高能耗、高成本的反渗透等技术在资源匮乏地区推广受限，急需新型技术解决方案。

2.界面太阳能蒸汽生成技术的潜力与不足：ISSG技术通过光热转换实现低成本海水淡化，但其实际应用受限于盐结垢、天气依赖性强以及蒸发效率不高的问题，无法稳定长期运行。

3.焦耳加热辅助技术的研究前景：焦耳加热辅助技术通过低电压电热与光热协同作用，大幅提升蒸发效率，特别适用于夜间或低光条件。这种技术为实现全天候、抗盐结垢的海水淡化提供了新思路。

研究方法

1.材料制备：采用聚焦太阳光将氧化石墨烯（GO）还原为太阳还原氧化石墨烯（SRGO），并将其涂覆于碳纤维（CF）上制成光热加热器，通过滤纸与支撑结构构建三维非接触式蒸发器。

2.性能测试：通过XRD和XPS表征材料结构与性能，使用光谱测试SRGO的光吸收能力，并利用红外热成像仪测量蒸发器的温度分布和热效率。

3.实验设计：在不同光照强度和输入电压条件下评估蒸发速率，针对3.5%和20%盐水进行淡化实验，验证其长时间运行的防盐结垢能力及效率稳定性。

图1. SRGO-CF-x非接触式蒸发器的设计示意图

图2. SRGO的制备过程及其微观结构、光学特性和SRGO-CF-x蒸发器的水传递能力

研究结果

1.高效蒸发性能：在1个太阳光照和2.5 V输入电压条件下，蒸发速率达到4.27 kg/m²·h，比传统方法高出约150%；在无光条件下，依靠焦耳加热蒸发速率仍可达2.32 kg/m²·h。

图2. SRGO-CF-x蒸发器的蒸发性能

2.防盐结垢能力：非接触设计避免了盐分沉积在光热加热器表面，盐分集中于滤纸表面并可被收集。即使在处理20%高浓度盐水时，设备性能依旧稳定。

图3. SRGO-CF-5蒸发器在不同盐水浓度和运行条件下的蒸发性能、抗盐结垢能力及离子去除效果

3.热能转换效率：太阳能蒸汽转化效率达84%，结合光热与电热协同作用进一步提升了蒸发效率，并显著降低了设备对天气条件的依赖性。

展望

1.技术应用潜力：该技术为淡水匮乏地区的海水淡化提供了经济高效的解决方案，同时适用于高盐废液处理和工业盐资源回收，具备广泛的实际应用前景。

2.设备设计优化方向：未来可通过改进设备结构减少热损失，提高焦耳加热效率，并增强材料耐久性以适应长期工业化运行需求。

3.推动可持续发展：通过实现全天候淡化和零液体排放，该技术在解决水资源危机的同时，促进盐资源的回收利用，为低碳环保和可持续发展贡献了新的可能性。