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面对淡水资源短缺和高盐废水排放带来的双重挑战，如何在降低能源消耗的同时实现海水淡化过程中的淡水生产与盐分回收，是水处理和新能源交叉领域长期关注的问题。近日，山东第一医科大学（山东省医学科学院）、浙江海洋大学和中国科学院化学研究所科研人员联合开展研究，从羽状复叶的层级输运结构中获得启发，提出一种几何调控空间结晶策略，将传统太阳能蒸发系统中难以避免的“盐结垢”，转变为可以主动调控位置的“定向结晶”，为高浓度海水稳定太阳能淡化和零液体排放提供了新的设计思路。
太阳能界面蒸发利用太阳能在水—气界面局部加热，可减少传统热法淡化过程中的整体水体加热能耗。然而，当海水不断浓缩后，尤其在含有钙、镁等多价离子的真实高盐海水中，盐晶体容易在蒸发界面形成致密沉积层，堵塞水分输运和蒸汽逸出通道，使蒸发效率迅速下降。现有研究多通过特殊材料、复杂微结构或化学阻垢剂“抑制结晶”，但对于以同时获得淡水和固体盐为目标的零液体排放过程而言，结晶本身又是不可缺少的环节。换言之，真正需要解决的问题并不是简单地“不让盐结晶”，而是让盐在合适的位置结晶。
针对这一矛盾，研究人员借鉴羽状复叶中叶轴与小叶之间的层级输运方式，构建了羽状复叶仿生蒸发器。该结构由中心“叶轴”和径向分布的“叶片”组成，可同时建立纵向供水和径向盐水输运通道。实验和多物理场模拟表明，特殊的几何结构能够在蒸发界面形成同方向的热毛细和溶质毛细 Marangoni 流，持续将浓盐水输送至叶片边缘，使盐晶体优先在预定边缘区域析出，而主体蒸发界面保持相对畅通。由此，传统意义上的随机结垢过程被转化为可空间调控的结晶过程，实现了蒸发区域与结晶区域的有效分离。
这一研究的重点并不仅是设计一种新的蒸发器形状。研究人员进一步建立了连接几何结构、界面输运和结晶行为的定量关系，提出无量纲“结晶平衡数 Ψ”，综合考虑叶片长度、叶片数量和中心叶轴尺寸等关键几何参数，用于描述径向离子输运、纵向供水和蒸汽扩散之间的整体平衡，并据此确定适合稳定脱盐和定向结晶的结构设计窗口。 这意味着研究思路由单纯追求“更高蒸发速率”，进一步转向通过几何结构设计主动调节“输运—结晶平衡”。
在高盐度真实海水条件下，该策略表现出较好的长期运行稳定性。在质量分数为23%的浓缩海水中，系统连续运行100小时，蒸发速率保持在3.59 kg·m⁻²·h⁻¹，同时实现0.20 kg·m⁻²·h⁻¹的盐收集；在21%的浓缩海水中，连续运行时间进一步达到168小时，蒸发速率为3.67 kg·m⁻²·h⁻¹。研究显示，即使边缘区域发生局部盐沉积，其余叶片及中心供水通道仍能维持水分输运和蒸发，体现出类似天然羽状复叶的局部“容错”特性。
研究团队还进行了自然光条件下的户外测试。实验中，装置获得3.28 kg·m⁻²·h⁻¹的淡水收集速率，同时实现0.16 kg·m⁻²·h⁻¹的盐收集。 水质检测显示，淡化后水样中钠、镁、钙、钾等主要离子浓度降低了3—4个数量级，所检测主要离子浓度低于世界卫生组织相关饮用水标准。装置还表现出对模拟工业废水和染料废水的处理能力，多种重金属离子的去除率超过99%。
除运行性能外，研究人员还以生产1千克淡水为功能单位开展生命周期评价。结果显示，与研究中作为对照的传统圆柱形蒸发器相比，该仿生结构在全球变暖、资源消耗、水资源消耗和淡水富营养化等多个环境影响类别中的负荷降低约76%—84%，总体降幅约80%。这一优势主要源于其无需额外化学阻垢剂、结构制备过程相对简单，并能够同时回收淡水和固体盐。
值得注意的是，该几何设计并不严格依赖某一种特定光热材料。研究人员使用不同光热体系构建相同几何结构后，均观察到相近的稳定脱盐和盐收集行为，说明发挥关键作用的并非单一材料性能提升，而是几何结构对界面输运和结晶位置的调控。
从“抑制盐结晶”转向“主动设计盐在哪里结晶”，是这项工作的核心思路。该研究为解决高浓盐水太阳能淡化过程中长期存在的结垢和运行稳定性问题提供了一种不同于传统材料改性的路径，也为未来将太阳能界面蒸发与零液体排放、盐资源回收和高盐废水处理相结合提供了进一步研究基础。
该研究由泰山学者青年专家计划、国家自然科学基金和山东省自然科学基金等项目支持。
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