本期分享发表Chemical Engineering Journal杂志上题目为Thermoresponsive gating evaporation with self-adaptive transport regulation enables dynamic balance between solar desalination efficiency and stability的研究文章。

一块会 " 呼吸 " 的蒸发器：温度一高就开门排盐，温度一降就关门保温

——导读——

太阳能界面蒸发有一个几乎无解的矛盾：要让热量集中在界面，就得把孔做小；要让盐排得出去，就得把孔做大。可热、水、盐走的是同一条孔道——保温好的结构容易盐堵，排盐好的结构热损失大。发表于 Chemical Engineering Journal 的一项研究提出 热响应门控蒸发器：用温敏水凝胶在木基蒸发器的中心大通道里做 " 智能门 "，低温时关门保热、高温时开门排盐，首次把 " 效率 " 和 " 稳定性 " 从静态权衡变成了动态平衡。

图 1：太阳能界面蒸发的效率—抗盐权衡与热响应门控策略。微孔保温好但易盐堵，大孔排盐好但热损失大；门控策略在低温时关闭微通道保效率，高温时打开大通道快速冲盐。

一、问题的根子：热、水、盐共用一条路

太阳能界面蒸发之所以高效，是因为热量被局域在空气—水界面，不加热整池水。但实现这一点依赖多孔毛细结构——而多孔结构在吸水的同时，也把热传导和盐回流 " 绑 " 在了同一条路径上。

论文把这一矛盾讲得很清楚：蒸发持续进行，界面盐浓度不断升高，盐回流赶不上水分流失，最终结晶堵孔。宏观大孔能加速盐回流，却把热量大量漏进水体；微孔能保住热局域，却在长期运行中因盐堵而性能衰减。更关键的是，几乎所有现有蒸发器都采用静态孔结构，传输特性固定，只能针对某一窄工况优化，缺乏对动态盐度和热环境的适应能力。

图 2：孔结构调控热与盐传输的竞争机制。Peclet 数分析表明盐传输对对流远比热传输敏感；等效孔径模型把水凝胶收缩状态转化为可比较的几何参数。

作者用 Peclet 数分析指出：盐的扩散系数远小于热扩散系数，因此盐传输对对流流动更敏感。这意味着，只要在需要时主动开启一条对流通道，就能在不显著牺牲热局域的前提下把盐排走。问题在于，这条通道什么时候开、怎么开、开多大。

二、给蒸发器装一扇 " 温度门 "

研究团队的办法是：在巴尔沙木支架中心钻一个 6 mm 的大通道，把 PNIPAm-co-AAm 温敏水凝胶填充进去，上面覆盖碳布—碳纳米管（CC-CNT）光热层。水凝胶的 " 开关 " 来自其低临界溶解温度（LCST）：低于 LCST 时溶胀堵住大通道，水只能走木材本征微孔，热局域强；高于 LCST 时脱水收缩，在大通道里让出环形间隙，水和盐快速下泄。

纯 PNIPAm 的 LCST 约 32 ℃，低于蒸发界面实际工作温度（约 42 ℃），还没到高效蒸发区间就 " 开门 " 了。作者通过共聚 5 wt% 丙烯酰胺（AAm）把 LCST 调到约 42 ℃，正好匹配 CC-CNT 层在 1 个太阳下的稳态表面温度。DSC 和透射率曲线都证实了这一偏移；原位拉曼光谱进一步显示，共聚网络的主要分子重排在 40 — 50 ℃之间，与 42 ℃的 LCST 一致。

图 3：PNIPAm-co-AAm 水凝胶的制备与 LCST 调控。5 wt% AAm 把 LCST 从约 32 ℃调到约 42 ℃，与光热层工作温度匹配；水凝胶在 LCST 以上线性收缩约 20%。

CC-CNT 层在全太阳光谱吸收率约 98%，1 个太阳下表面稳定在约 42 ℃，而底层水体温升很小——说明热局域有效。水凝胶位于光热层下方，温度比表面低约 2 — 3 ℃，正好落在相变窗口附近。盐积累削弱蒸发冷却、界面温度升高，水凝胶收缩开门；排盐后温度回落，水凝胶重新溶胀关门。不需要传感器、不需要外加控制，温度本身就是信号。

三、开门之后，盐真的走了吗？

作者用静态插入件模拟不同门控状态：D6-C6 为完全关闭，D6-C5.5 为 0.25 mm 环形间隙，D6-C5 为 0.5 mm 间隙，D6-C0 为完全打开。染料示踪实验显示，打开大通道后示踪剂明显向下迁移，关闭状态几乎不传输。盐去除实验中，D6-C3 和 D6-C4.5 排盐最快，但完全打开的 D6-C0 并没有比中间开度更好——排盐能力并不随孔径单调增加，中间开度反而在补水、排盐和保热之间取得更优平衡。

多物理场模拟进一步揭示了机制：蒸发前沿产生的高密度盐水在重力作用下沿中心大通道下沉，形成稳定的对流回路。通道打开后 10 分钟内，表面盐浓度从约 4000 mol/m ³ 降到约 1800 mol/m ³。这解释了为什么 " 开门 " 不是简单地把孔做大，而是激活了重力驱动的对流排盐。

图 4：气隙厚度对三种 PV-CLE 系统温度与效率的影响。气隙增大，PV-to-water 辐射耦合减弱；STPV 因有透射光直接加热，对气隙不如 c-Si 敏感。

四、动态门控：8 小时效率 89%，固定结构做不到

最关键的验证是动态对比。在 5 wt% NaCl 溶液中连续运行 8 小时：固定关闭状态（D6-C6）前期效率高，但盐积累后效率持续下降，最终低于 80%；固定打开状态（D6-C5）一开始就因热损失大而效率偏低；动态门控蒸发器在前 2 — 3 小时保持接近关闭状态的高效率，最高约 94%；约 4 小时盐积累使温度升到 LCST，水凝胶收缩开门，进入排盐阶段；5 — 8 小时逐步接近打开状态，但补水排盐维持了稳定蒸发。8 小时整体效率约 89%，显著优于固定微孔结构。

模拟的温度和盐度场也支持这一图景：开闭状态之间表面温差仅约 2 — 3 ℃，说明开门带来的热损失有限；而盐浓度场在 4 小时前后从 " 表面累积 " 切换为 " 向下输运 "，正好对应 Stage 1 到 Stage 2 的转变。

图 5 与代表性 CLE 系统的比较。传统 CLE 多只报水汽效率；PV-CLE 把电力纳入等效评价框架。

五、启示与边界

这篇工作的真正新意，不是又做了一种温敏水凝胶，而是把孔结构的 " 静态取舍 " 变成了 " 动态切换 "。过去优化蒸发器，是在 " 孔大孔小 " 之间找折中；这篇文章说：为什么一定要折中？可以让它在不需要排盐时像微孔，在需要排盐时像大孔。温度是免费的触发信号，水凝胶是可逆的开关，重力对流是排盐的驱动力——三者耦合形成了一个自治的热—质—盐调控回路。

但也要看到边界。第一，实验主要在 5 wt% 和 20 wt% NaCl 溶液中开展，长期（数周至数月）真实海水或高浓卤水下的水凝胶疲劳、结垢和力学稳定性仍需验证；第二，水凝胶的 LCST 对批次和组分敏感，5 wt% AAm 的窗口是否适用于更大面积、不同光热层和不同气候条件，需要进一步标定；第三，动态门控的 " 开门 " 会带来约 2 — 3 ℃的表面降温，虽然在 8 小时尺度上可接受，但在低光照或高湿度条件下，热损失对效率的影响可能被放大；第四，目前是实验室小尺寸圆柱样品，放大到模块化器件时，中心大通道的均匀性和水凝胶固定方式仍是工程挑战。

这篇论文最值得记住的一句话是：太阳能蒸发器的下一场竞争，不是 " 谁孔更小、谁效率更高 "，而是 " 谁能在正确的时间，把孔变成正确的尺寸 "。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.183598

引用：X. He, X. Yang, D. Deng, Y. Zhang, Q. Liu, Z. Xu, B. Zhou, L. Yao, Y. Zhang. Thermospensive gating evaporation with self-adaptive transport regulation enables dynamic balance between solar desalination efficiency and stability. Chemical Engineering Journal ( 2026 ) .

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