一种基于仿生纤维束载体的高效抗盐太阳能界面水蒸发器及其海水淡化应用

本发明属于太阳能光热转换、界面蒸发水处理交叉，具体涉及一种仿生定向输水纤维束为核心载体的高效抗盐太阳能界面水蒸发器，以及该装置在海水淡化、工业高盐废水、盐碱地苦咸水净化中的应用方法。

背景技术：

1、全球淡水资源短缺问题日益严峻，传统反渗透、蒸馏淡化设备能耗高、设备维护成本大；太阳能界面蒸发技术依靠太阳能局域加热气液界面水分，无需整体加热水体，具备低碳、分布式、低成本优势，是小型化含盐水资源化利用的主流研究方向。

2、现有传统太阳能界面蒸发装置由三部分组成：多孔输水基体、表面光热涂层、简易隔热板，存在四大核心缺陷，成为产业化瓶颈：（1）输水基体结构无序、毛细输水能力差：目前主流输水载体为天然木材、蘑菇海绵、聚氨酯亲水泡沫，内部孔洞随机交错、输水路径弯曲杂乱，毛细芯吸力弱、输水速率不稳定；高盐水体长期运行时，盐分极易在杂乱孔隙内结晶堵塞，输水通道快速失效，蒸发效率5次循环后下降30%以上。（2）光热与输水载体无协同设计：现有研究仅优化光热材料吸光性能，忽略输水载体微观结构与光热局域化的匹配关系；无序多孔基体导热面积大，光热产生的热量大量向下传导至底层水体，能量损耗严重，蒸发效率普遍低于75%。（3）隔热结构设计不完善：传统隔热仅在载体底部铺设单层泡沫，侧壁无保温包裹，热量沿载体侧壁向水体、空气散失，进一步降低能量利用率。（4）淡水收集系统缺失，实用性差：多数实验室装置无配套冷凝收集结构，仅能观测蒸发失重，无法直接产出液态纯水；简易平板冷凝面无疏水改性，水珠附着滞留，冷凝回收效率低。

3、综上，现有技术缺少一种有序定向输水、三重毛细通道、全包裹隔热、一体化疏水冷凝、长效抗盐结晶的集成式太阳能界面蒸发装置，无法满足高盐废水长期稳定处理的工业化需求。

技术实现思路

1、针对现有无序多孔输水基体输水不稳定、易盐堵、热损耗高、无完整产水收集系统、长期运行性能衰减严重的缺陷，本发明提供一种仿生植物维管束定向输水的高效抗盐太阳能界面水蒸发器，通过微观纤维结构仿生、全包裹隔热、多层mxene复合光热、拱形疏水冷凝一体化协同设计，实现输水稳定、热损耗极低、抗盐结晶、高效产纯水的技术效果，解决现有技术全部痛点。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种基于仿生纤维束载体的高效抗盐太阳能界面水蒸发器，整体为分层一体化结构，自上而下依次包含：高效光热转换层、仿生纤维束水传输层、全包裹隔热保温层、疏水冷凝净水收集装置；所述高效光热转换层紧密贴合固定于仿生纤维束水传输层的顶端端面，用于捕获太阳光并将光能局域转化为汽化热能；所述仿生纤维束水传输层整体垂直竖立，下端浸没至含盐废水水体内部，依靠毛细芯吸效应持续将底层含盐水定向输送至顶端高效光热转换层，为界面蒸发持续供水；所述全包裹隔热保温层完整包覆仿生纤维束水传输层的侧壁与底部端面，仅预留下端输水浸入段，隔绝光热层产生的热能向下层废水、周边环境散失；所述疏水冷凝净水收集装置架设于高效光热转换层正上方，用于收集光热蒸发产生的水蒸气，经内壁疏水表面冷凝后汇聚液态净水；所述仿生纤维束水传输层由多根长丝纤维垂直集束形成纤维束集合体，纤维本体同时具备以下至少一种微观结构：中空内腔截面、非圆形异形横截面、纤维外壁纵向连续沟槽；纤维束集合体采用高强度芳纶长丝沿轴向螺旋缠绕束缚定型，全程维持纤维垂直有序排布，杜绝纤维倒伏、通道紊乱。

3、进一步，所述非圆形异形横截面为十字形、三叶形、锯齿形中的任意一种；单根纤维同步配置锯齿横截面+外壁纵向沟槽双重微观结构，构建多级复合毛细输水通道。

4、进一步，构成纤维束集合体的基体纤维选自涤纶长丝、丙纶长丝、粘胶长丝；优选为带锯齿横截面+纵向沟槽的亲水性粘胶长丝。

5、进一步，所述高效光热转换层为多层复合浆料涂层，均匀涂覆并渗透至纤维束顶端表层孔隙；涂层原料选自mxene、氧化石墨烯go、碳纳米管cnt、石墨烯、炭黑中的一种或多种复配；优选多层mxene分步涂覆固化涂层。

6、进一步，所述全包裹隔热保温层材料为闭孔聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫、气凝胶隔热材料中的一种；保温层与纤维束侧壁无缝贴合，完全封堵纤维间隙向水体的热传导路径。

7、进一步，所述疏水冷凝净水收集装置为拱形/倾斜式透明冷凝罩，冷凝罩内壁经过疏水改性处理；冷凝罩两侧下方设置导流槽，冷凝后的纯水沿疏水内壁滑落至侧边净水储槽单独收集。

8、进一步，所述多层mxene涂层制备工艺为：配置质量浓度10~20mg/mlmxene水分散液，分次喷淋涂覆于纤维束顶端，单次涂覆后60℃真空干燥固化，重复2~5次形成厚度均匀、渗透牢固的光热复合层。

9、进一步，所述仿生纤维束水传输层制备步骤包括：采用缕纱设备绕制连续长丝形成松散纤维束；芳纶长丝沿纤维束轴向均匀螺旋缠绕，缠绕间距0.5~2mm；切割定型为直径3~6cm、长度15~25cm垂直圆柱载体。

10、本发明还提供了一种基于仿生纤维束载体的高效抗盐太阳能界面水蒸发器的应用方法，应用场景为海水淡化、工业含盐废水、苦咸水净化；操作步骤：将仿生纤维束水传输层下端浸入待处理含盐水体，太阳光直射高效光热转换层，光热层加热界面水分汽化，水蒸气上升至疏水冷凝净水收集装置冷凝，侧边储槽持续收集纯净淡水。

11、进一步，处理3.5wt%氯化钠模拟海水工况下，标准光强2~3kwm-2连续循环运行10次，蒸发效率衰减幅度低于3%，产水电导率≤20μscm-1。

12、本发明的有益效果：

13、本发明的仿生三重毛细定向输水，供水高效稳定，模仿植物维管束垂直输水机理，纤维中空内腔、外壁沟槽、纤维间隙形成三重毛细输水网络，输水路径垂直无弯折，芯吸力强、输水阻力极低；同等光照下输水速率较海绵载体提升40%以上，持续为光热界面供给水分，从根源上提升蒸发速率。

14、本发明的多部件耦合协同，能量利用率大幅提升，mxene多层光热涂层与纤维束顶端渗透复合，无界面热阻，光能高效转化为界面汽化热；全包裹隔热层阻断侧壁、底端双重热损耗，热量仅作用于表层水分，避免整体加热大量水体；拱形冷凝罩兼具集水与二次保温作用，减少空气对流散热；多重协同作用下，最优工况蒸发效率接近89%，远超传统装置70%~75%的效率上限。

15、本发明的长效抗盐结晶，循环稳定性优异，有序独立多通道输水结构，盐晶仅附着纤维外壁，不会完全堵塞输水通道；垂直纤维水流可冲刷表层盐分，抑制盐晶堆积；10次高盐海水循环测试蒸发效率衰减不足3%；对比传统海绵载体5次循环效率暴跌20%以上，完全适配工业高盐废水、海水长期连续处理场景。

16、本发明一体化集成设计，实用性强，直接产出纯水，装置集成输水、光热、隔热、冷凝集水全部功能模块，无需额外配套设备；疏水拱形冷凝罩快速分离纯水与原含盐废水，收集淡水水质接近蒸馏水（电导率≤20μscm-1），可直接用于生活、农业灌溉。

17、本发明的原料易得、工艺简单，规模化生产成本低，核心纤维原料为市售涤纶、粘胶、丙纶化纤，mxene、泡沫、芳纶长丝均为工业化量产材料；纤维束缠绕、涂覆、组装工艺简单可控，重复性好，可批量制造；整体装置无精密机械部件，运维成本低，适合沿海村镇、矿区分布式海水/废水淡化应用。

18、本发明的结构强度高，使用寿命长，芳纶高强度纤维螺旋缠绕定型纤维束，干湿循环、长期浸泡下纤维不倒伏、载体不塌陷；化纤基体耐酸碱、抗微生物污损，对比木材、天然多孔材料，使用寿命提升数倍。