电气与电子工程学院赵龙教授团队最新研究成果“Biomimetic salt-excreting 2D evaporator enables spatially decoupled evaporation, salt harvesting, and energy recovery for sustainable brine treatment”（仿生排盐二维蒸发器实现空间解耦的淡水收集、盐分收集与能量回收）在能源领域国际顶级期刊Energy & Environmental Science（IF: 31）杂志刊发。
我校电气学院为该研究工作的通讯单位，电气学院赵龙教授为本文的通讯作者。赵龙课题组博士研究生周海峰（化学与化工学院）为第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金的支持。
研究成果介绍如下：
在高盐废水在海水淡化和工业生产中每日海量产生，因其盐分高、易结垢、处理贵而常被视为“棘手难题”，但本质上却是水、盐与能量共存的资源，理想的光热联产系统旨在实现淡水获取、盐分收集与废热发电的“一石三鸟”，然而太阳能界面蒸发技术在高盐环境下遭遇蒸发越快盐越堵、堵塞光吸收和水通道的窘境，若再叠加热电发电模块，有限热量在蒸发和发电间争夺，导致两者效果皆差，背后正是传质限制与热力学惩罚两大物理瓶颈，蒸发、结晶与热管理的强耦合关系让同步优化举步维艰；针对这一困局，团队利用电离辐射技术研制出具备空间解构结构的聚离子液体2D水凝胶蒸发器（PVIL），借助Donnan排斥效应抵御多价离子入侵，并利用Marangoni对流将浓缩盐水定向输送至边缘，避免中心区结垢，在10 wt% NaCl条件下稳定运行超5个月，累计处理盐水8.2 t m⁻²、收集固体盐0.86 t m⁻²，更在3倍浓缩海水中经历14天昼夜循环仍将盐分限制于侧边缘，展现零液体排放能力；攻克盐垢后，研究团队进一步采用潜热辅助蒸发冷却策略优化热力学分配，摒弃传统“TEG+散热器”模式。该旧模式牺牲近28%蒸发量仅产出1.01 W m⁻²电功率。新架构极大抑制寄生热耗散，使电功率输出跃升至2.55 W m⁻²，同时蒸发速率仅下降约7%，从而将长期存在的内在权衡降至最低，实现了高功率发电与高效产水的完美平衡。
受红树林双重盐管理机制启发，该系统利用聚离子液体（PIL）的Donnan效应（模拟根部阻盐）与定向供水诱导的Marangoni对流（模拟叶片排盐），构建了“排斥-传输”协同架构。这不仅在空间上解耦了核心淡水蒸发区与边缘产盐区，还通过底部集成热电模块（TEG）并引入潜热辅助冷却策略，成功打破了传统的热力学制约，为实现高盐卤水的“水-盐-电”协同联产奠定了坚实的器件基础。
图1 | 电离辐射技术制备具备聚离子液体2D水凝胶（PVIL）
图2 |仿生太阳能蒸发装置
在抗盐污性能方面，多组分验证与多物理场仿真揭示了其卓越的排盐表现。即使在10 wt%的高盐度下连续运行12小时，PVIL表面仍保持无盐析状态。对内部离子的精准追踪与COMSOL数值模拟共同证实，固定阳离子基团建立的Donnan平衡极大地抑制了内部Na⁺浓度的上升。这种从分子层面建立的静电排斥壁垒，有效打破了传统多孔材料易发生内部盐分淤积的致命弱点。
图 3 | 二维仿生水凝胶的抗盐作用机制
流场调控与结晶动力学分析证实了该系统对盐分轨迹的精准控制能力。通过设计三种不同模式的定向供水通道，系统展现出完全可编程的盐结晶分布规律。特别是单侧供水不仅实现了最高的盐回收效率，还确保了盐分沿着水流末端边缘高度富集。这种空间解耦的传质路径，证明了定向毛细作用与Marangoni流动能够有效克服高浓度下的浓差极化，避免了蒸发核心区的物理堵塞。在极端运行寿命与多离子耐受性方面，该二维蒸发器展现出了颠覆性的稳定表现。在10 wt% NaCl溶液中，器件实现了长达152天的连续无衰减运行，累计处理高盐卤水8.2 t/m²，并成功收获固态盐0.86 t/m²，各项关键指标远超同类器件。即使在真实昼夜交替工况下处理包含复杂多价离子（Mg²⁺, Ca²⁺）的3倍浓缩海水，系统依然能够将复杂结垢精准限制在边缘地带，确立了其在极端高盐环境下的应用标杆。
