能源、水、粮食等是联合国可持续发展目标的核心。目前，全球三分之二的人口每年至少有一个月面临缺水境地；紧张的淡水资源还面临污染，进一步加剧了危机。在各种水处理技术中，太阳能海水淡化的净化程度最高、碳排放最低，备受关注，亦适用于偏远地区。太阳能蒸发器上的盐析出结晶，是当前的瓶颈问题之一。

为克服结盐问题，学者们发展了多种技术，包括基于马兰戈尼效应来驱动对流以抵抗结盐。尽管取得了很多进展，但仍存在一些挑战。首先，马兰戈尼效应依赖于表面张力梯度，因此它与液气界面的面积有关。如果液体的暴露表面面积小，则马兰戈尼流亦较弱。其次，浓度差和温度差诱导的马兰戈尼流的作用力方向，有时候不一致，影响了抵抗结盐效果。

近日，37000cm威尼斯王学斌教授课题组联合其合作者，制作了华夫格结构的太阳能蒸发器件（waffle-shaped solar evaporator，WSE），增强了马兰戈尼流，并实现了浓差和温差驱动马兰戈尼流的协同，最终演示了长期稳定抵抗结盐的真实海水淡化测试。

华夫格结构，包括脊骨、盆地（图1）。在华夫格结构上进行海水蒸发时，由于其结构特点，会建立浓度梯度、温度梯度：由于脊骨表面的蒸发速率高于盆地，同时热量利用率也更高，因此，脊骨表面的盐度高于盆地表面、脊骨表面的温度低于盆地表面；由此，在脊骨的侧壁上，建立了浓度梯度、温度梯度，并且两者产生了相同方向的表面张力梯度，引发了强烈的马兰戈尼流。该马兰戈尼流，从盆地流向脊骨方向，驱使较低浓度的体相海水流向脊骨，稀释了脊骨表面的盐度。换而言之，该马兰戈尼流的补偿流，驱使高浓度海水从脊骨区域流向体相，从而避免了结盐。

图1. 基于马兰戈尼效应以排盐的WSE设计示意图。（A）示意在盐水蒸发过程中，传统的平面蒸发器中的盐分布；因为仅靠浓差扩散，排盐效果较弱。白色斑点表示盐的浓度，青色和橙色渐变分别指蒸汽梯度、温度梯度。（B）示意WSE中的盐分布。华夫格结构的额外设计的侧壁，引入了表面张力梯度，引发了马兰戈尼流动（红色和棕色箭头）。蓝色箭头表示盐分输运。（C）界面光热蒸汽产生装置，其中以纤维素纸和聚苯乙烯泡沫作为供水和隔热材料。

王学斌教授课题组首先立足其长期从事的热裂解制碳技术，基于锌辅助热裂解方法，采用低成本生物质碳源，制备了WSE（图2）。在进一步的光热蒸发测试中，由于马兰戈尼流可以输运盐分，使体系的最大盐度维持在饱和值以下，避免了盐结晶。甚至，在设计的验证试验中，若人为地将盐晶体撒在该蒸发器上，这些盐晶体亦可被输运至海水体相。在处理5 wt%的NaCl溶液时，WSE可连续运行50 h以上。在处理10 wt%的NaCl溶液时，WSE可连续运行11天以上，没有任何盐结晶（图3）。总之，WSE具有高的太阳光吸收率（98.5%）、蒸发速率（1.40 kg m^-2 h^-1）、持久性，体现了一种有前途的设计方案（图4）。

图2. 华夫格结构的碳材料。（A）制备方案。（B）接触角测试显示其亲水性。（C）SEM图像显示其互连多孔结构。（D）吸收光谱。

图3. WSE在1太阳辐照强度下的抗结盐性能。（A）处理5 wt%盐溶液时，WSE蒸发器保持清洁，而平面蒸发器被盐晶体覆盖。（B）WSE和平面蒸发器处理5 wt%盐溶液的蒸发性能。（C）在WSE上人为地添加2.5g盐晶体，甚至这些盐晶体亦可被输运至海水体相。（D）WSE处理10 wt%盐溶液的11天长期性能。（E）马兰戈尼效应驱动了WSE内的对流，降低了整个体系的最高盐度。（F）平面蒸发器体系的最高盐度，超过了饱和值。

图4. WSE原型器件。（A）用于室外盐水处理的淡水生产。（B）2022年1月18日测得的WSE的淡水生产速率、太阳辐照强度、环境温度和湿度。（C）由胡萝卜、土豆、纤维素等生物质制作的WSE。（D）多种太阳能蒸发器的性能对比图。

该工作为稳定、高效、清洁的太阳能海水淡化和淡水生产提供了一种新方案。该研究成果以“Quasi-waffle solar distiller for durable desalination of seawater”为题于2024年5月29日发表于综合性学术期刊《Science Advances》。37000cm威尼斯为该论文第一单位，37000cm威尼斯王学斌教授、中国石油大学（华东）代鹏程副教授、南京邮电大学赵进教授为论文的共同通讯作者。37000cm威尼斯博士研究生王彦军和魏天骐为共同第一作者。该工作还得到了胡征教授、朱嘉教授等细致指导。

文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk1113