王潔冰，高金彤，徐震原

（上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

引 言

自高效空氣/水界面局部加熱蒸發(fā)的概念[1-4]被提出以來，太陽能界面蒸發(fā)成為了領(lǐng)域的研究熱點。自然界中太陽能作為一種取之不盡用之不竭的清潔能源，將太陽能和界面蒸發(fā)兩者結(jié)合起來用于海水淡化[5-7]、蒸汽產(chǎn)生[8-10]和污水處理[11-13]可以實現(xiàn)高效、清潔和分布式運行。

太陽能驅(qū)動的界面蒸發(fā)的研究主要集中在兩個方面。一方面是提高系統(tǒng)的蒸汽產(chǎn)生速率。蒸發(fā)速率（evaporation rate, ER）是衡量蒸發(fā)系統(tǒng)的一個重要指標，定義為單位時間內(nèi)單位面積產(chǎn)生的蒸汽量(kg/(m2·h))，可以由式（1）來表示[6,14-15]：

其中，E是太陽輻照度，kW/m2；hfg是蒸發(fā)潛熱，kJ/kg；太陽能吸收率ηab描述太陽輻照轉(zhuǎn)化為熱能的效率；蒸發(fā)過程熱效率ηt描述熱能輸入轉(zhuǎn)化為有效蒸發(fā)焓的效率。式(1)表明，提高系統(tǒng)的蒸汽產(chǎn)生率主要是提高太陽能吸收率ηab和蒸發(fā)過程熱效率ηt。主要通過采用光熱轉(zhuǎn)化性能優(yōu)異的光熱材料和優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。另一方面是抗結(jié)鹽研究，隨著蒸發(fā)的進行，鹽水溶液被不斷輸送至蒸發(fā)表面，水分通過蒸發(fā)分離，而鹽分則會在蒸發(fā)器表面不斷積累。一旦超過鹽的飽和溶解度，就會產(chǎn)生結(jié)鹽。蒸發(fā)器結(jié)鹽會堵塞毛細吸水的輸送通道，還會降低蒸發(fā)表面的光吸收能力，最終導致蒸發(fā)效率降低[16-18]，因此抗結(jié)鹽能力是實現(xiàn)穩(wěn)定蒸發(fā)的基礎(chǔ)。

針對以上兩個方面，國內(nèi)外學者進行了大量的研究。Shan 等[18]將rGO 涂覆在泡沫鎳上，制備了多孔還原氧化石墨烯泡沫材料。該結(jié)構(gòu)的粗糙表面可以通過散射效應(yīng)提高光的吸收，多孔結(jié)構(gòu)保證了蒸汽在蒸發(fā)過程中的流動，此系統(tǒng)在1 個太陽光照下（1 kW/m2）能達到83.4%的蒸發(fā)效率。Chen等[2]提出了一種雙層結(jié)構(gòu)，其底層的碳泡沫作為隔熱層,用纖維素對絕熱材料進行包裹，采用石墨烯薄膜作為吸收器，這種雙層結(jié)構(gòu)由于提高了能源效率和機械穩(wěn)定性而被廣泛使用，蒸發(fā)速率較單層結(jié)構(gòu)提升了1.2 倍。Shi 等[19]制作了一種三維圓柱杯狀容器結(jié)構(gòu)的混合金屬氧化物作為太陽能蒸發(fā)器，入射光多次反射在圓柱腔內(nèi)，有助于增強光的吸收。在1 個太陽光照下，其能效接近100%。且這種三維結(jié)構(gòu)可以從環(huán)境空氣中獲得額外的熱量，使蒸發(fā)速率達到2.04 kg/(m2·h)。Ni 等[20]設(shè)計了一種多層結(jié)構(gòu)的耐鹽太陽能蒸發(fā)器，該結(jié)構(gòu)由黑色纖維素織物（用于吸光）、復合白色織物（吸水、排鹽）和聚苯乙烯泡沫材料組成，實驗測試表明在1 個太陽光照下蒸發(fā)器可以在3.5%的NaCl 溶液中運行30 h 不會有結(jié)垢現(xiàn)象。Xia 等[21]設(shè)計了1 種蒸發(fā)結(jié)構(gòu)，鹽水首先通過棉線從溶液輸送到蒸發(fā)器中心，隨后通過濾紙從中心向邊緣輸送。在蒸發(fā)過程中，由于蒸發(fā)器邊緣擴散阻力小，因此蒸發(fā)最快，導致蒸發(fā)器邊緣鹽結(jié)晶。受重力的作用，蒸發(fā)器邊緣的鹽結(jié)晶容易脫落。實驗測試該蒸發(fā)器在沒有人工干涉的情況下可以連續(xù)運行600 h而蒸發(fā)效率不發(fā)生變化。Wu等[22]提出了一種基于仿生圓維結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器，在該蒸發(fā)器表面上自發(fā)形成的水膜具有厚度不均勻性和溫度梯度，由于Marangoni效應(yīng)，鹽晶體會在頂端局部析出。實驗測試該裝置的蒸發(fā)速率為2.63 kg/(m2·h)，在1個光照和高鹽度條件下能量效率為96%。Cooper等[23]提出了一種不接觸式蒸發(fā)結(jié)構(gòu)。吸收器接受太陽輻射并重新輻射紅外光子，這些光子直接被穿透深度小于100μm的水吸收，然后產(chǎn)生蒸汽。由于蒸發(fā)器與水的物理空間分離，完全避免了結(jié)垢。但這種不接觸式蒸發(fā)由于熱分離，蒸發(fā)器表面的溫度相對較高，因此熱損失會不可避免地增大，導致系統(tǒng)蒸發(fā)效率較低。

以上的研究絕大多數(shù)都是集中于NaCl 溶液或純水，即便是廢水處理或者海水淡化，溶質(zhì)大多也是用一些普通的無機鹽來代替[24-25]。實際脫鹽或廢水處理中溶質(zhì)種類繁多[26-27]，導致溶液蒸氣壓的變化并影響蒸發(fā)性能。此外，相較于傳統(tǒng)的體積加熱或底部加熱，采用界面加熱的蒸發(fā)器表面會出現(xiàn)濃度極化現(xiàn)象，即溶液濃度會隨著蒸發(fā)的進行快速上升，遠高于溶液本身的濃度。以上幾個因素均會導致表面蒸氣壓和蒸發(fā)速率的變化，因此探究溶液的蒸發(fā)性能與上述因素的關(guān)系非常必要。

本文分析溶液表面蒸氣壓隨濃度變化曲線的類型，并針對這幾種類型的蒸氣壓曲線[28-30]進一步選取[EMIM][OTf]水溶液、[EMIM][Ac]水溶液和NaCl水溶液作為代表性溶液，在不同輻照強度和濃度工況下進行實驗研究，并與純水的蒸發(fā)進行對比。在實際的水處理應(yīng)用中，不僅有海水淡化等包含冷凝過程的閉式系統(tǒng)，也有蒸發(fā)式污水處理等無冷凝過程的開式系統(tǒng)。相較開式系統(tǒng)，閉式系統(tǒng)的濕度較高，導致蒸發(fā)表面溫度也較高，但各類型的蒸氣壓曲線趨勢不會有明顯變化。因此本文所做的實驗研究對包含冷凝過程的閉式系統(tǒng)和不包含冷凝過程的開式蒸發(fā)都可以起到指導作用，為太陽能界面蒸發(fā)用于海水淡化和蒸發(fā)式污水處理提供更加深入的理解。

1 實驗裝置和方法

1.1 工質(zhì)的選取

工質(zhì)是按照其表面蒸氣壓曲線的類型選取的。如圖1 所示，根據(jù)表面蒸氣壓隨質(zhì)量分數(shù)變化的趨勢不同，將其分為三種類型：上凸型（部分離子液體）、下凹型（吸濕性溶液）和斜直線型（近似理想溶液），虛線代表的是25℃的環(huán)境溫度下純水的蒸氣壓。其中，下凹型工質(zhì)的典型特點是其表面蒸氣壓隨濃度呈指數(shù)型衰減，表現(xiàn)為具有吸濕性，當超過一定濃度時，其表面蒸氣壓顯著低于環(huán)境空氣中水蒸氣的分壓力，因此利用環(huán)境空氣中的水蒸氣分壓與工質(zhì)表面蒸氣壓的壓差作為吸濕動力來進行吸濕，這種類型工質(zhì)的典型代表有LiCl溶液、LiBr溶液和[EMIM][Ac]水溶液等。上凸型溶液的典型特征是在低濃度情況下，其表面蒸氣壓隨濃度增大降低較緩慢，但超過某一濃度，表面蒸氣壓隨濃度呈指數(shù)型衰減。符合這種類型蒸氣壓曲線的工質(zhì)較少，部分離子液體符合這種類型，典型代表有[HMIM][Cl]水溶液和[EMIM][OTf]水溶液等。斜直線型工質(zhì)的典型特點是其表面蒸氣壓隨濃度增加呈現(xiàn)線性降低，變化趨勢滿足某一次函數(shù)。符合這種蒸氣壓曲線類型的工質(zhì)范圍很廣，一般是無機鹽溶液，典型代表有NaCl 溶液、Na2SO4溶液和MgSO4溶液等。針對這三種類型的蒸氣壓曲線，本文選取[EMIM][OTf]溶液、[EMIM][Ac]溶液和NaCl 溶液作為典型的代表性溶液，進行了一系列的蒸發(fā)測試實驗，并與純水的蒸發(fā)進行對比，實驗探究蒸發(fā)速率和蒸氣壓曲線、光照強度和濃度的關(guān)系。

圖1 不同溶液表面蒸氣壓隨質(zhì)量分數(shù)的變化（25℃）Fig.1 Variation of surface vapor pressure of different solutions with mass fraction(25℃)

1.2 蒸發(fā)原理和蒸發(fā)器的制備

本文所采用的蒸發(fā)形式是區(qū)別于傳統(tǒng)底部加熱和體積加熱的太陽能界面蒸發(fā)[8]。太陽能作為一種清潔無污染的可再生能源，一直以來都備受青睞。因此本文利用太陽能模擬器模擬的太陽光，對蒸發(fā)表面進行加熱。如圖2(a)所示，相較于傳統(tǒng)的底部加熱和體積加熱，界面蒸發(fā)是利用光熱材料和供水通道，在光熱材料的表面將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能從而進行蒸發(fā)，同時利用隔熱材料可以減少蒸發(fā)表面向底部水體的熱傳導，本文中使用的隔熱材料是聚苯乙烯泡沫(熱導率約為0.04 W/(m·K))，蒸發(fā)實物圖如圖2(b)所示。與直接加熱整個水域相比，利用太陽能局部加熱蒸發(fā)表面，可以減少因加熱整個水體導致的熱損失，從而促進蒸發(fā)過程的高效進行。

圖2 太陽能界面蒸發(fā)原理圖和實物圖Fig.2 Schematic diagram and physical diagram of solar interfacial evaporation

如圖3 所示，蒸發(fā)器主要是由棉柔巾負載炭黑溶液制備而成。具體步驟為：將導電炭黑、十二烷基苯磺酸鈉和去離子水按照1∶2∶200的比例混合均勻并攪拌，放入超聲波細胞粉碎機中振蕩30 min，得到由導電炭黑制成的炭黑溶液。將所選用的棉柔巾浸泡至炭黑溶液中取出，放入70℃的干燥烘箱中進行負載干燥5～10 min，重復3 次，就得到了太陽能吸光表面。對有無負載炭黑的棉柔巾利用紫外可見近紅外分光光度計分別測量其平均透光率及反射率，測試波長范圍為300～2500 nm，得到的光譜吸收率如圖4 所示?？梢钥吹?，無炭黑負載的棉柔巾的平均吸光率只有4.3%，負載炭黑的棉柔巾平均吸光率可以達到96.7%，說明利用該方法制備的蒸發(fā)器具有良好的吸光性能。

圖3 炭黑負載前（a）和后（b）的棉柔巾對比Fig.3 Cotton fabric before(a)and after(b)loaded with carbon black

圖4 有無負載炭黑的太陽能吸收頻譜和標準太陽光譜Fig.4 Solar absorption spectrum with and without loading carbon black

1.3 實驗裝置和性能指標

如圖5 所示，蒸發(fā)實驗總裝置由模擬日光氙燈光源系統(tǒng)1（中教金源，型號：CEL-S500R3）、蒸發(fā)表面2、K 型熱電偶3（開普森，型號：QB-K-0.1）、不同類型工質(zhì)4、電子天平5（賽多利斯，型號：GL2202l-1SCN）、數(shù)據(jù)采集儀6（安捷倫，型號：34970A）和計算機7 構(gòu)成。其他實驗材料和儀器包括吸水棉柔巾、聚苯乙烯泡沫、十二烷基苯磺酸鈉、超聲波細胞粉碎機（寧波新芝，型號：JY92-IIDN）、電熱鼓風干燥箱（上海力辰邦西，型號：101-005）等。

圖5 蒸發(fā)實驗總裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of the total evaporation experiment device

蒸發(fā)速率mv和能量效率η是衡量蒸發(fā)性能的兩項關(guān)鍵指標，分別由式(2)、式(3)計算：

其中，Δm為質(zhì)量變化量，kg；t為蒸發(fā)時間，h；A為蒸發(fā)面積，m2；hfg為水的汽化潛熱，為2256 kJ/kg；qsolar為太陽輻照強度，W/m2。

蒸發(fā)表面的溫度也會影響蒸發(fā)速率和能量效率。這是因為在相同的能量輸入條件下，假設(shè)周圍環(huán)境條件相同，用于蒸發(fā)表面與水體溫度升高的能量（顯熱）越多，能量損失也越大，則用于蒸發(fā)帶走的能量（潛熱）就越少。因此在動態(tài)監(jiān)測蒸發(fā)速率外，本實驗還監(jiān)測了蒸發(fā)器氣液界面的溫度隨時間變化，來更加全面地探究蒸發(fā)性能。

1.4 不確定性分析

實驗中溫度反映蒸發(fā)表面隨時間的動態(tài)變化趨勢，因此，此誤差在本文圖中不予顯示。對于蒸發(fā)速率這一導出量而言，由于最終結(jié)果取的是穩(wěn)態(tài)過程中的平均值，而在實際的蒸發(fā)過程中，蒸發(fā)速率隨時間是一直變化的，因此本文計算了蒸發(fā)速率的誤差，并在圖中標示出來。

不確定性[31]主要來源三方面：測量不確定度、時間測量標準偏差和校準不確定度的誤差。本文中獨立參數(shù)質(zhì)量m、溫度T的不確定度由式（4）、式（5）得出：

其中，w是用于描述任何參數(shù)測量中不確定度的變量，下角標UNC、STD、DAQ 分別代表測量不確定度、時間測量標準偏差和校準不確定度的誤差。表1列出了每個測量物理量的名義不確定度。

表1 儀器（UNC）和數(shù)據(jù)采集（DAQ）的測量不確定度Table 1 Measurement uncertainty from sensor（UNC）and data acquisition（DAQ）

本實驗中達到穩(wěn)態(tài)運行的時間通常為10～12 min，在達到穩(wěn)態(tài)后記錄數(shù)據(jù)的時間約為20 min，因此選取20 min 測量數(shù)據(jù)計算值的平均值進行數(shù)據(jù)分析。質(zhì)量變化和不確定度分別為：

2 實驗結(jié)果與分析

本文利用控制變量法分別進行三種影響因素（不同類型工質(zhì)、光照強度、工質(zhì)質(zhì)量分數(shù)）對蒸發(fā)速率的影響實驗并分析其結(jié)果。實驗環(huán)境溫度為室溫（22～28℃），濕度（RH）為50%～60%，初始溶液的質(zhì)量為100 g，蒸發(fā)器表面直徑為4 cm。

2.1 蒸氣壓對蒸發(fā)特性的影響

圖6 是1 個太陽光照強度下質(zhì)量分數(shù)為5%的不同工質(zhì)的蒸發(fā)速率和穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)器表面溫度。由圖6（a）可以看出，純水的蒸發(fā)速率最快，其次是[EMIM][OTf]水溶液、NaCl 水溶液和[EMIM][Ac]水溶液，這和圖1 的蒸氣壓排序體現(xiàn)了較好的一致性。（1）純水的蒸氣壓最高，因此蒸發(fā)速率也是最快。（2）[EMIM][OTf]水溶液的蒸發(fā)速率次之，這是因為在實驗初期，蒸發(fā)器表面的溶質(zhì)積累較少，蒸發(fā)表面濃度仍然維持在較低水平并處于蒸氣壓上凸區(qū)間，因此其蒸氣壓和蒸發(fā)率均僅次于純水。（3）[EMIM][Ac]水溶液具有一定的吸濕性，因此其蒸氣壓最低，所以它的蒸發(fā)速率也是最低的。（4）NaCl 作為海水中含量最多的鹽，它的蒸發(fā)速率直接決定了海水淡化的效率。由圖1 可以看到，一定溫度下NaCl 水溶液的表面蒸氣壓隨溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的變化是一條直線，在低濃度條件下其蒸氣壓低于上凸型溶液，因此它的蒸發(fā)速率低于[EMIM][OTf]水溶液。在1 個光照條件下，[EMIM][OTf]水溶液的蒸發(fā)速率可以達到1.37 kg/m2。此外，穩(wěn)態(tài)時蒸發(fā)表面的溫度也和蒸發(fā)速率相匹配：純水的溫度最低，然后依次是[EMIM][OTf]水溶液、NaCl 水溶液和[EMIM][Ac]水溶液。

圖6 1個光照強度下質(zhì)量分數(shù)為5%的不同工質(zhì)蒸發(fā)速率和蒸發(fā)器表面溫度Fig.6 The evaporation rate and temperature of different working fluids with a mass fraction of 5%under a sunlight intensity

2.2 光照強度對蒸發(fā)特性的影響

光照強度對蒸發(fā)速率有著直接的影響。光照強度越高，蒸發(fā)速率越快，這是因為光照強度越高能量輸入越大。在界面蒸發(fā)中，光照強度還會影響蒸發(fā)器表面的工質(zhì)濃度，即光照強度越高，蒸發(fā)器表面的溶質(zhì)積累速度越快。一方面，工質(zhì)表面的蒸氣壓隨著濃度的增大而減??；另一方面，濃度增大會導致黏度增大，溶質(zhì)無法及時擴散回去，導致供水通路堵塞和供水不足。這兩個因素都會導致蒸發(fā)速率的下降，因此光照強度和蒸發(fā)速率并不是呈線性正比的關(guān)系。圖7（a）、（c）表明，1 個光照下蒸發(fā)速率最高，其次是0.75 個光照和0.5 個光照，且不符合線性關(guān)系。這兩幅圖也表明，光照強度越大，[EMIM][OTf]水溶液蒸發(fā)速率較NaCl 水溶液的漲幅越小。這是由于在蒸發(fā)過程中濃度極化導致氣液界面處的[EMIM][OTf]水溶液濃度升高，對應(yīng)蒸氣壓曲線的蒸氣壓相差減小。此外圖7（b）表明，光照強度越高，蒸發(fā)器表面溫度也越高，這是因為能量輸入增加，蒸發(fā)表面的溫度也相應(yīng)提高。0.75 個光照下蒸發(fā)表面溫度升高較1個光照強度蒸發(fā)表面溫度提升較大，這是因為光照強度越大，蒸發(fā)表面溫度越高，相應(yīng)熱損也越大。

圖7 不同光照強度下質(zhì)量分數(shù)為5%的不同工質(zhì)的質(zhì)量變化、蒸發(fā)器表面溫度和蒸發(fā)速率Fig.7 The mass change,temperature of the evaporator surface and evaporation rate of different working fluids with a mass fraction of 5%under different sunlight intensities

2.3 濃度對蒸發(fā)特性的影響

為了探究工質(zhì)濃度對蒸發(fā)性能的影響，本文分別選取了質(zhì)量分數(shù)為5%和10%的不同工質(zhì)進行實驗探究。圖8 是1 個光照強度下質(zhì)量分數(shù)為5%和10%的不同工質(zhì)穩(wěn)態(tài)時蒸發(fā)器表面溫度和蒸發(fā)速率。圖8（a）表明，同一工質(zhì)，質(zhì)量分數(shù)越高，穩(wěn)態(tài)時蒸發(fā)器表面溫度越高。這是因為工質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)越高，其蒸氣壓越低，低蒸氣壓進一步導致高蒸發(fā)溫度。圖8（b）表明，隨著工質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的增加，其蒸發(fā)速率在降低，但降低趨勢并不顯著。這是因為，從蒸氣壓曲線圖來看，5%和10%的蒸氣壓差別不大，初始濃度對蒸發(fā)器表面的濃度貢獻度較低；另一方面實驗只進行了2000 s 的測試，蒸發(fā)器表面的溶質(zhì)積累比較緩慢，工質(zhì)在濃度梯度下比較容易擴散回溶液中，因此蒸發(fā)速率區(qū)別不明顯。此外，圖8進一步通過濃度反映了不同特性的蒸氣壓曲線對蒸發(fā)性能的關(guān)鍵影響。

圖8 1個光照強度下質(zhì)量分數(shù)為5%和10%的不同工質(zhì)的蒸發(fā)器表面溫度與蒸發(fā)速率Fig.8 The temperature of the evaporator surface and evaporation rate of different working fluids with a mass fraction of 5%and 10%under one sunlight intensity

2.4 蒸發(fā)器表面溶質(zhì)積累對蒸發(fā)特性的影響

為了進一步探究上凸型蒸氣壓曲線和斜直線型蒸氣壓曲線的蒸發(fā)速率特性，本文又對NaCl水溶液和[EMIM][OTf]水溶液進行了長時間的蒸發(fā)測試。圖9是質(zhì)量分數(shù)為3.5%的NaCl水溶液和[EMIM][OTf]水溶液長時間蒸發(fā)的質(zhì)量變化、蒸發(fā)器表面溫度變化、蒸發(fā)速率變化和3.5 h后的蒸發(fā)器表面圖。實驗結(jié)果表明，NaCl 水溶液的蒸發(fā)速率隨時間變化較小，展現(xiàn)出了相對穩(wěn)定的蒸發(fā)性能。[EMIM][OTf]水溶液的初始蒸發(fā)率較高，但隨著蒸發(fā)的進行，蒸發(fā)器表面的溶質(zhì)不斷積累，濃度升高，導致蒸發(fā)速率急劇下降，伴隨著蒸發(fā)器表面的溫度急劇升高。經(jīng)過3.5 h，蒸發(fā)速率從初始的1.4 kg/(m2·h)降低到0.6 kg/(m2·h)，相比初始時刻下降了57%，蒸發(fā)器表面的溫度升高到了60℃。NaCl 水溶液在經(jīng)過3.5 h 的蒸發(fā)后，蒸發(fā)速率以及蒸發(fā)器表面溫度均沒有明顯變化。由圖9（c）可見3.5 h后，[EMIM][OTf]水溶液的蒸發(fā)表面出現(xiàn)了明顯的顏色分層，這是濃度梯度的一個表現(xiàn)形式，NaCl 水溶液的蒸發(fā)表面也出現(xiàn)了輕微結(jié)鹽現(xiàn)象。上述結(jié)果主要是由蒸氣壓曲線特性和黏度共同決定的：一方面，NaCl 為一種無機鹽，黏度較低，因此蒸發(fā)表面的高濃度NaCl較易擴散回主體溶液；[EMIM][OTf]為一種離子液體，黏度較大，因此蒸發(fā)表面的[EMIM][OTf]較難擴散回主體溶液。另一方面，結(jié)合蒸氣壓曲線，NaCl 水溶液的蒸氣壓曲線為一條直線，隨濃度增加蒸氣壓減小較為平緩，因此雖然圖9（c）中NaCl 水溶液的蒸發(fā)器邊緣產(chǎn)生了結(jié)鹽的現(xiàn)象，但在蒸發(fā)過程中蒸發(fā)速率沒有明顯變化；[EMIM][OTf]水溶液的蒸氣壓曲線屬于上凸型曲線，其初始蒸氣壓較高，隨著蒸發(fā)的進行，一旦表面蒸氣壓跨過上凸區(qū)間進入下凹區(qū)間，其蒸氣壓呈指數(shù)型下降，再結(jié)合黏度帶來的溶質(zhì)擴散難的問題，將進一步加速曲線向右移動，導致蒸氣壓降低，進而蒸發(fā)速率下降。

圖9 質(zhì)量分數(shù)為3.5%的NaCl溶液和[EMIM][OTf]溶液長時間蒸發(fā)的質(zhì)量變化、蒸發(fā)器表面溫度變化、蒸發(fā)速率變化和3.5 h后蒸發(fā)器表面圖Fig.9 The mass change，the change of evaporator surface temperature,the change of evaporation rate,of 3.5%NaCl solution and[EMIM][OTf]solution for long-term evaporation,and the surface map of the evaporator after 3.5 h

3 結(jié) 論

本文針對實際應(yīng)用中蒸發(fā)溶質(zhì)的不同，分析了溶液表面蒸氣壓隨濃度的變化類型，并選取[EMIM][OTf]、[EMIM][Ac]和NaCl 水溶液作為三種蒸氣壓曲線類型的典型代表，通過蒸發(fā)實驗測試了不同工質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、不同光照強度下的蒸發(fā)性能，得到以下結(jié)論。

（1）低濃度下[EMIM][OTf]水溶液展現(xiàn)出了良好的蒸發(fā)性能，其蒸發(fā)速率甚至比NaCl 水溶液高，主要原因是溶液蒸氣壓處于其蒸氣壓曲線的上凸區(qū)間。隨著蒸發(fā)的進行，蒸發(fā)表面溶質(zhì)積累導致溶液濃度上升，[EMIM][OTf]水溶液的蒸發(fā)速率迅速降低，主要原因是溶液蒸氣壓跨過了上凸區(qū)間，進入了下凹區(qū)間。因此對于這種溶液，在實際應(yīng)用中應(yīng)當避免蒸發(fā)器表面溶質(zhì)快速積累，在蒸發(fā)器表面維持較低的溶質(zhì)濃度，從而防止其蒸氣壓跨過上凸區(qū)間對能量轉(zhuǎn)換效率造成損失。該過程可以通過設(shè)計表面溶質(zhì)積累速度緩慢或溶質(zhì)擴散性能好的蒸發(fā)器來實現(xiàn)，具體的措施包括距離水體更近的蒸發(fā)面、更豐富的溶質(zhì)擴散通道和減少溶質(zhì)擴散迂回程度等。

（2）溶液濃度升高或輻照強度提升時，[EMIM][OTf]水溶液的蒸發(fā)速率較NaCl 水溶液的提升減小，其主要原因在于蒸發(fā)過程的濃度極化導致氣液界面處的[EMIM][OTf]濃度升高，蒸氣壓差減小。并且在長周期的測試下，NaCl 水溶液展現(xiàn)出了相對穩(wěn)定的蒸發(fā)性能。

（3）在不同濃度以及光照強度下[EMIM][Ac]水溶液的蒸發(fā)速率均較慢，而純水的蒸發(fā)速率最快，體現(xiàn)了蒸氣壓對蒸發(fā)性能的關(guān)鍵影響，其原因是低蒸氣壓導致高蒸發(fā)溫度，高蒸發(fā)溫度進一步帶來更多傳導向環(huán)境的能量損失。面對這種低蒸氣壓的水溶液，其快速蒸發(fā)依賴于高蒸發(fā)溫度，因此需要更好的局部加熱設(shè)計來維持蒸發(fā)表面的高溫，從而促使其快速蒸發(fā)；此外為了維持高蒸發(fā)溫度下的能量效率，需要抑制導熱、對流和輻射熱損失。具體的措施包括距離水體更遠的蒸發(fā)面、導熱率更低的蒸發(fā)器材料和增加抑制對流熱損的結(jié)構(gòu)。值得注意的是，水溶液本身具有高紅外發(fā)射特性，因此蒸發(fā)面和吸熱面在一側(cè)的設(shè)置很難實現(xiàn)輻射熱損的抑制，而采用雙面式的設(shè)計將吸熱面和蒸發(fā)面置于兩側(cè)則有望對這種溶液的高效蒸發(fā)起到關(guān)鍵作用。