淡水资源短缺日益成为一个世界性的严重问题。传统的淡水生产技术拥有诸多缺陷，比如海水淡化需要消耗大量能源，而大气集水产量受到限制。太阳能驱动的咸水蒸发制备淡水技术因其绿色环保的特性，成为解决淡水危机的潜在方案。然而，蒸发器表面的盐分积累始终是提高蒸发效率的严重困扰。未解决这个问题，研究盐分在蒸发过程中的输运机制至关重要。通常情况下，蒸发器内部的离子输运过程很难被方便地显现，而等待盐分在蒸发器表面结晶又十分耗费时间。
日前，香港科技大学李桂君教授课题组提出了一种基于电阻抗成像（EIT）方法的原位监测策略，以表征太阳能蒸发器内部的盐分流动过程。利用纳晶纤维素-二氧化锰-激光诱导石墨烯（NCC-MnO2-LIG）制备的复合蒸发器，实现了在1个太阳辐射强度下1.51 kgm-2h-1的蒸发效率。由激光调控的具有不一样润湿性的LIG涂层表明，疏水性结构能抑制蒸发过程中的盐分积累。从被细菌污染的盐水收集得到的冷凝水验证为清洁无菌。该项研究为抗盐蒸发器的设计与研究提供了重要依据，相关工作以“Electrical Impedance Tomography Monitoring of Salt Transportation in Cellulose Hydrogel for Solar-Driven Evaporative Desalination via Laser Defined Wettability”为题发表在《Advanced Functional Materials》，第一作者为课题组博士生徐扬。
研究提出的水蒸发器以来源于木浆的纳晶纤维素（NCC）水凝胶为基底，表层添加了二氧化锰（MnO2）和激光诱导石墨烯（LIG）复合层作为吸光材料。通过光热效应，将太阳光转化为热能，蒸发界面处的水。水蒸发器下部使用吸水纸将盐水向蒸发器内持续输送。研究团队首次将EIT技术应用于太阳能蒸发过程中，将32针EIT电极以环形方式排布于蒸发器的边缘，并通过自主开发的电路板实现数据采集和传输，在电脑段接收信号并解析得到蒸发器内部的电导率分布。如图1所示。
蒸发器的下部为NCC水凝胶，上部有一薄层NCC-MnO2复合层，表面为激光沉积的LIG涂层。通过冷冻干燥技术，能够得到更加多孔的结构，增强了光热吸收和水分传输能力。研究者注意到选择性激光二次涂写能轻松实现LIG涂层亲/疏水性质的翻转。扫描电子显微镜（SEM）表征结果揭示激光二次涂写对LIG涂层的微观结构可以进行修饰，进而改变其润湿性。如图2所示。
研究团队开发了一种具有32电极的环形EIT监测设备，并通过蓝牙实时传输数据到电脑做处理与记录。该EIT设备通过释放电流激励以探测电压信号，通过后期的重构算法还原出蒸发器区域内部的电导率分布。研究者进行了两种初步实验，分别研究了该EIT设备对NaCl溶液的导致的电导率分布的空间响应与时间响应。研究之后发现，该EIT监测设备能识别低至1 wt%的浓度，以及反映NaCl溶液在纤维素水凝胶基底中的扩散现象。如图3所示。
图3：EIT监测设备及初步测试结果，表明其对盐溶液诱导的电导率分布的空间和时间分布具有监测能力
研究团队进一步将EIT设备与表面润湿性结合，探究润湿性对盐分输运过程的影响。通过激光二次涂写在超疏水（接触角151.8°）的LIG涂层上打开一个较小的亲水（接触角7.1°）窗口并将蒸发器置于太阳模拟器下进行蒸发，研究者在EIT图像的相应位置观察到了明显的高电导率信号，以及其随时间的扩散和演化过程，证明亲水窗口诱导了水凝胶基底中的离子流动。亲水区域促进水分蒸发，而超疏水区域则有效抑制盐分结晶，明显提高了蒸发效率。经过8小时连续光照，仅在亲水窗口区域内观察到盐结晶。如图4所示。
图4：在超疏水LIG涂层上由激光制造的亲水窗口揭示了蒸发器内部的盐分流动受到亲水界面的诱导
最后，研究团队制作了一个收集冷凝水的原型装置，并选取了两种常见的革兰氏阴性和阳性菌种（大肠杆菌和金黄色葡萄球菌）用来模拟被细菌污染的盐水。实验证明，此蒸发器不仅仅可以高效、抗盐蒸发，还能在蒸发过程中完全去除水中的细菌污染。经过细菌培养测试，蒸发后的冷凝水中未检测到任何细菌，确保了冷凝水是清洁、安全、无菌的。如图5所示。
此项研究工作为太阳能蒸发淡化技术提供了新的监测手段，指出通过激光调控表面润湿性，可以明显提升蒸发器的抗盐能力与蒸发性能，增加耐久程度。通过实时监测盐分运输和调控表面润湿性，希望设计出更高效的抗盐蒸发器，解决盐分积累问题，提升蒸发效率。未来，这项技术有望应用于海水淡化、废水净化处理、锂盐提取等领域，为全球水资源短缺和可持续发展提供新的希望和解决方案。
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