太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)材料及其在海水淡化中的應(yīng)用

張方方 青島水務(wù)碧水源科技發(fā)展有限公司

太陽(yáng)能被公認(rèn)為在所有可再生能源中存量最為豐富的一種。每年能夠抵達(dá)地球表面的太陽(yáng)能量大約為3.4×1024J，如果能夠充分有效的把這部分太陽(yáng)能量利用起來(lái)，能夠大大的緩解石油和天然氣在全球范圍內(nèi)的供求問題，另外還能緩解石化燃料在燃燒過程中排出來(lái)的碳、氮和氣溶膠的氧化物導(dǎo)致的大氣污染和全球變暖到的問題。隨著全球范圍內(nèi)不斷膨脹的人口，淡水資源的匱乏越來(lái)越引起人們的關(guān)注。人類的生存離不開淡水資源，但是從總體上看地球的淡水資源數(shù)量少，僅占全球水資源的2.53%。而且這些淡水資源還主要集中在南北兩極這兩個(gè)人類密度最小的地區(qū)，真正能夠被人類使用的淡水僅僅占據(jù)全球淡水資源的0.3%。為了能夠有效的對(duì)全球淡水資源匱乏問題進(jìn)行解決，最直接也是最有效的方法是對(duì)海水進(jìn)行有效淡化。傳統(tǒng)使用的淡化海水的技術(shù)都是多效蒸餾（ME）、多級(jí)閃蒸（MSF）等這類能耗高、設(shè)備容易出現(xiàn)故障、設(shè)備整體需要高投資等技術(shù)。為了有效的規(guī)避這些問題，近幾年科學(xué)家提出了體積式和浮動(dòng)式利用太陽(yáng)能淡化海水的辦法。浮動(dòng)式太陽(yáng)能淡化海水方式中使用到的淡化裝備的核心部件是光熱蒸發(fā)材料，其性能對(duì)光熱轉(zhuǎn)換效率有著巨大的、直接的影響，因此為了保證光熱轉(zhuǎn)換效率，所使用的光熱蒸發(fā)材料需要具有如下特斯安：強(qiáng)吸收光性能、強(qiáng)水傳輸性能、強(qiáng)隔熱性能、高轉(zhuǎn)換能源效率等。

一、利用浮動(dòng)式太陽(yáng)能淡化海水所使用的金屬等離子體光熱蒸發(fā)材料

金屬等離子體光熱蒸發(fā)材料能夠?qū)μ?yáng)光增大吸收，加熱局部，從而達(dá)到進(jìn)一步對(duì)太陽(yáng)能光能轉(zhuǎn)換效率提升的目的。在三維多孔膜中融入鋁納米粒子，制備成了一種具有高頻帶、高效率等優(yōu)點(diǎn)的鋁基等離子體材料。該材料的離子體結(jié)構(gòu)由納米孔陽(yáng)極氧化鋁膜、緊密堆積的鋁納米粒子、鋁膜三部分構(gòu)成。這種多孔鋁基等離子體材料能夠在水面上自主漂浮，能夠吸收高達(dá)96%的200～2500nm 波長(zhǎng)的光，并把收集到的光能聚集在水面上，轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能的效率極高。還有一種新型的等離子體材料是在天然木材的三維介孔基體中均勻地沉積細(xì)小的金屬納米粒子。這種等離子體材料把金屬納米粒子所具備的等離子體效應(yīng)和木材機(jī)體中微孔通道所具有的波導(dǎo)效應(yīng)充分的發(fā)揮出來(lái)，吸收光的能力高達(dá)99%[1]。

二、利用浮動(dòng)式太陽(yáng)能淡化海水所使用的炭基光熱蒸發(fā)材料

淡化海水的過程中使用金屬等離子體材料的成本十分高，炭基光熱蒸發(fā)材料具有價(jià)格低廉、容易獲得、吸收光性能良好的優(yōu)勢(shì)，具有廣大的發(fā)展前景。在泡沫碳上負(fù)載石墨顆粒制備成雙層結(jié)構(gòu)的一種光熱蒸發(fā)材料，該材料的表面積大概320m2/g，如果光照在10kW/m2下，能夠轉(zhuǎn)化85%的太陽(yáng)能。該材料把石墨顆粒所具有的寬帶光吸收特性和泡沫碳所具有的隔熱性能充分發(fā)揮出來(lái)實(shí)現(xiàn)熱局部化，因此，海水到達(dá)材料表面的途徑是通過絕緣泡沫的親水孔道。如果光功率較低，為了對(duì)轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能的效率進(jìn)一步提升，可以采取對(duì)碳泡沫中水的流速和熱的局部化進(jìn)一步減少、對(duì)孔隙率進(jìn)一步優(yōu)化、對(duì)各層厚度進(jìn)一步優(yōu)化等措施。石墨烯之所以被公認(rèn)為最佳的炭基光熱蒸發(fā)材料的候選材料，主要是因?yàn)槠渚哂心柋葻岬?、德拜溫度高、光吸收帶寬、化學(xué)摻雜熱導(dǎo)率可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。但是，石墨烯在傳輸水方面受到自身二維平面特征和疏水性不好的影響。Ito 等在石墨烯里面摻雜氮，有效的改變了石墨烯泡沫自身的潤(rùn)濕性能。摻雜了氮的石墨烯泡沫是一種整體開孔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了熱局部化的有效提升，其轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能的效率大概為80%。Li 等在2017 年利用三維打印技術(shù)首次構(gòu)造具有凹面結(jié)構(gòu)一種的三合一蒸發(fā)器，該中太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)材料的孔隙率高達(dá)97.3%、吸收高效寬帶太陽(yáng)光的能力高達(dá)97%。3D 打印多孔蒸發(fā)器的導(dǎo)熱系數(shù)低，能夠?qū)崿F(xiàn)熱量的有效局部化，能夠?qū)ι釂栴}進(jìn)一步緩解[2]。

三、利用浮動(dòng)式太陽(yáng)能淡化海水所使用的有機(jī)——無(wú)機(jī)納米復(fù)合光熱蒸發(fā)材料

在淡化海水的過程中使用合成有機(jī)——無(wú)機(jī)納米復(fù)合光熱蒸發(fā)材料能夠?qū)ιa(chǎn)成本進(jìn)一步降低。聚氨酯海綿材料具有吸引力強(qiáng)、微孔孔隙、隔熱性能良好、擴(kuò)展容易等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用在工業(yè)上。在二甲基甲酰胺氧化石墨烯的分散體系中使用二異氰酸酯、聚醚和聚乙二醇進(jìn)行直接反應(yīng)，形成了還原的氧化石墨烯也就是聚氨酯納米復(fù)合材料，然后再經(jīng)過高溫發(fā)泡和化學(xué)還原。在制備有機(jī)－無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料的時(shí)候使用改性氧化石墨烯片材，能夠提高材料的穩(wěn)定性。有機(jī)－無(wú)機(jī)納米復(fù)合泡沫受到功率為1kW/m2和10kW/m2太陽(yáng)光輻照的時(shí)候，轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能的效率為64%和81%。如果在制備氧化石墨烯－纖維素酯膜的時(shí)候使用的交聯(lián)劑為聚乙烯亞胺，在功率為1kW/m2太陽(yáng)光輻照的時(shí)候，石墨烯氧化物－纖維素酯雙層體系轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能的下效率為52%，該材料的優(yōu)點(diǎn)為成本低、可重復(fù)使用等[3]。

四、結(jié)束語(yǔ)

浮動(dòng)式太陽(yáng)能淡化海水具有制備簡(jiǎn)單、高效、便捷等諸多的優(yōu)點(diǎn)，在淡化海水領(lǐng)域就有巨大的發(fā)展?jié)摿Α，F(xiàn)階段，在太陽(yáng)能淡化海水領(lǐng)域中使用了各種各樣的光熱轉(zhuǎn)換材料，不同的材料具有差異性的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，因此需要針對(duì)光熱轉(zhuǎn)換材料在淡化海水性能方面的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行深入的研究。另外，還需要深入的研究在淡化海水的過程所使用到的浮動(dòng)式太陽(yáng)接收器受到熱力學(xué)和傳熱學(xué)的影響，這樣才能更好的理論聯(lián)系實(shí)踐。最后，還要深入的研究利用浮動(dòng)式太陽(yáng)能淡化海水方式在使用過程中的實(shí)際耐鹽性以及在實(shí)際自然環(huán)境中的穩(wěn)定循環(huán)性。