太陽(yáng)能界面蒸發(fā)的應(yīng)用綜述

凌 童，段慧玲，閆煜杰，王一丁

(河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇省 南京市 211100)

0 引言

從世界能源署2020年發(fā)布的“世界能源展望”對(duì)世界能源需求與結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)可以看出，在未來(lái)，太陽(yáng)能或?qū)⒊蔀閼?yīng)對(duì)世界能源危機(jī)的最好方式[1]。近年來(lái)，有關(guān)太陽(yáng)能的研究層出不窮。太陽(yáng)能的利用方式，主要有光熱利用、光電利用和光化學(xué)利用。其中，光熱利用作為太陽(yáng)能最簡(jiǎn)單、最直接的利用方式，而受到廣泛關(guān)注。太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能以后，應(yīng)用廣泛，可以直接加以利用，或者熱能進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電能，或者利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的熱能將水分蒸發(fā)，促進(jìn)海水淡化。太陽(yáng)能取之不盡、用之不竭，以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)的海水淡化方法，不消耗化石能源，為綠色解決水資源短缺問(wèn)題提供了新的途徑。

利用太陽(yáng)能熱蒸餾方法促進(jìn)水分蒸發(fā)，是常見(jiàn)的海水淡化方法。傳統(tǒng)的太陽(yáng)能熱蒸餾海水淡化裝置，系統(tǒng)龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作成本高，難以在偏遠(yuǎn)的離散海島地區(qū)推廣應(yīng)用。將高吸收性的材料分散于水中，利用材料吸收的太陽(yáng)能加熱水分，也可以達(dá)到促進(jìn)水分蒸發(fā)的目的，是太陽(yáng)能海水淡化的另一種方法。與傳統(tǒng)的熱蒸餾海水淡化方法相比，此種方法裝置簡(jiǎn)單，無(wú)復(fù)雜部件，小巧便攜，適合在偏遠(yuǎn)地區(qū)使用。對(duì)太陽(yáng)光具有高吸收率的結(jié)構(gòu)是蒸發(fā)裝置的關(guān)鍵部件，其材料屬性、結(jié)構(gòu)特征直接影響水分蒸發(fā)效率。除此之外，光熱轉(zhuǎn)換材料在水體中的分散位置對(duì)蒸發(fā)效率也有重要影響。

光熱轉(zhuǎn)換材料在水體中的位置，主要有水體底部、水體內(nèi)部或水體表面。當(dāng)光熱轉(zhuǎn)換材料位于水體底部和水體內(nèi)部時(shí)，材料與水體直接接觸，材料吸收轉(zhuǎn)換的熱能，不可避免地向整個(gè)水體傳遞，由于需要加熱整個(gè)水體，能量損失增加，導(dǎo)致能量的有效利用率降低[2-3]。將光熱轉(zhuǎn)換材料分散于水體表面，通過(guò)絕熱材料將光熱轉(zhuǎn)換材料和水體隔開(kāi)，可以避免熱量向水體內(nèi)部的傳遞，熱量?jī)H需加熱表面的水分，有效降低熱損失，提高能量利用效率。因此，蒸發(fā)結(jié)構(gòu)位于液體表面的蒸發(fā)方法，即太陽(yáng)能界面蒸發(fā)方法，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為研究熱點(diǎn)。

目前，對(duì)太陽(yáng)能界面蒸發(fā)的原理已經(jīng)有了較為深入的認(rèn)識(shí)，廣大學(xué)者對(duì)太陽(yáng)能界面蒸發(fā)材料、太陽(yáng)能界面蒸發(fā)結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了廣泛而細(xì)致的研究，近年來(lái)在光熱材料，蒸發(fā)形式，熱能管理方面取得了許多成果[4-9]。盡管目前有關(guān)太陽(yáng)能界面蒸發(fā)方法的研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段，但是，仍然能夠預(yù)見(jiàn)太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。因此，本文簡(jiǎn)要介紹了太陽(yáng)能界面蒸發(fā)原理，重點(diǎn)從太陽(yáng)能界面蒸發(fā)方法的應(yīng)用出發(fā)，綜述太陽(yáng)能界面蒸發(fā)方法在水資源管理、能源供給、醫(yī)療等方面的潛在應(yīng)用，這對(duì)于豐富太陽(yáng)能界面蒸發(fā)的研究范疇，推動(dòng)太陽(yáng)能界面蒸發(fā)方法在應(yīng)用層面的發(fā)展，探索太陽(yáng)能界面蒸發(fā)在多領(lǐng)域的聯(lián)合應(yīng)用具有重要意義。

1 太陽(yáng)能界面蒸發(fā)原理

太陽(yáng)能界面蒸發(fā)方法，即蒸發(fā)過(guò)程發(fā)生在液體和氣體的分界面上。太陽(yáng)能界面蒸發(fā)結(jié)構(gòu)主要由光吸收層、輸水層、隔熱層組成。光吸收層將吸收的太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換為熱量，輸水層由一些多孔結(jié)構(gòu)組成，水分依靠毛細(xì)作用被泵送至光吸收層，隔熱層將光熱轉(zhuǎn)換層和水體隔開(kāi)，熱量?jī)H需加熱被泵送至表面的水分，避免了熱量向整個(gè)水體的傳遞。因此，相比于蒸發(fā)部件在水體內(nèi)部的裝置來(lái)說(shuō)，將熱量局限在蒸發(fā)界面，有助于蒸發(fā)效率的提高，這也是太陽(yáng)能界面蒸發(fā)的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)。

太陽(yáng)能界面蒸發(fā)原理簡(jiǎn)單，關(guān)鍵部件就是表面的蒸發(fā)結(jié)構(gòu)，圍繞該蒸發(fā)結(jié)構(gòu)，以提升界面蒸發(fā)效率為目標(biāo)，廣大學(xué)者從材料制備、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、表面改性等方面出發(fā)，開(kāi)展了豐富研究。碳基材料和金屬納米材料是常用的光熱轉(zhuǎn)換材料，將碳基材料(如炭黑、石墨烯等)和其他材料(如復(fù)合纖維[10-11]、金屬納米材料[12])相結(jié)合，可以制備出一些高吸收性的復(fù)合材料，吸收率可達(dá)到95%以上。此外，從光吸收體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)[13]，利用入射光在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的多次散射，也可以實(shí)現(xiàn)光吸收性能的提高。蒸發(fā)部件的結(jié)構(gòu)也是影響蒸發(fā)效率的重要因素。GHASEMI等人[14]設(shè)計(jì)的雙層碳結(jié)構(gòu)，頂層為高導(dǎo)熱率的玻璃碳，下層為低導(dǎo)熱率的泡沫碳，集蒸發(fā)結(jié)構(gòu)和隔熱結(jié)構(gòu)于一體，將熱量局限在蒸發(fā)界面，非聚光條件下蒸發(fā)效率達(dá)到64%。

2 太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)的應(yīng)用

太陽(yáng)能界面蒸發(fā)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，下面主要從水資源管理、能源供給、醫(yī)療等三個(gè)方面進(jìn)行歸納和總結(jié)。

2.1 水資源管理

太陽(yáng)能界面蒸發(fā)系統(tǒng)，依靠清潔的、近乎無(wú)窮的太陽(yáng)能作為驅(qū)動(dòng)能源，可以源源不斷地產(chǎn)出潔凈水，在減輕環(huán)境污染，保障清潔水資源安全供給方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

2.1.1 海水淡化

地球蘊(yùn)含著大量的水資源，但其中可直接飲用的淡水資源僅占0.3%，且由于這部分淡水資源分布極不均勻，導(dǎo)致約25%的世界人口無(wú)法獲得規(guī)定數(shù)量和質(zhì)量的淡水，80多個(gè)國(guó)家正面臨嚴(yán)重的水資源問(wèn)題。為解決日益嚴(yán)重的淡水資源短缺問(wèn)題，學(xué)者們提出了許多海水淡化的方式，如多級(jí)閃蒸法、低溫多效蒸餾法、反滲透法、電滲析法、壓滲析法等。以上方法，或是需要投入化石燃料作為驅(qū)動(dòng)，環(huán)境不友好且耗能較大；或是需要完備的電網(wǎng)系統(tǒng)，設(shè)備投資大，在偏遠(yuǎn)缺水地區(qū)難以推廣；或是會(huì)直接排放大量廢水，對(duì)海洋生態(tài)造成破壞，加劇水資源安全問(wèn)題。太陽(yáng)能界面蒸發(fā)系統(tǒng)以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由，裝置簡(jiǎn)單便攜，更加適合在太陽(yáng)能充足的偏遠(yuǎn)海島地區(qū)推廣，解決當(dāng)?shù)厝嗣竦挠盟畣?wèn)題[15-19]。

學(xué)者們從提高光吸收體的吸收性能、改善結(jié)構(gòu)的隔熱性能等方面設(shè)計(jì)了不同的太陽(yáng)能界面蒸發(fā)結(jié)構(gòu)，并測(cè)試了該結(jié)構(gòu)對(duì)海水的除鹽率。XU等人[20]使用靜電紡絲的方式制備了具備雙向性質(zhì)的Janus吸收體，利用Janus膜特有的雙層膜特性，將疏水性的納米炭黑涂層有機(jī)玻璃作為光吸收層，低親水性的聚丙烯腈涂層作為輸水及隔熱層。該結(jié)構(gòu)在模擬海水的蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)中，各項(xiàng)陽(yáng)離子(Na+、Mg2+、Ca2+、K+和B3+)的濃度均降低到1.4 mg/L以下，且水中的細(xì)菌數(shù)量大大降低，完全滿(mǎn)足世界衛(wèi)生組織和我國(guó)國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)對(duì)飲用水的品質(zhì)要求。LIU等人[21]利用聚醚酰亞胺改性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂和聚3,4-乙烯二氧噻吩導(dǎo)電油墨制備了一種新型太陽(yáng)能蒸發(fā)器，在一個(gè)太陽(yáng)光照能量下，其蒸發(fā)速率達(dá)到1.42 kg/(m2·h)，對(duì)水體中鹽和重金屬離子的去除率達(dá)到99.9%。熊輝等人[22]使用化學(xué)氣相沉積法在不銹鋼網(wǎng)狀骨架上生長(zhǎng)碳納米管，在一個(gè)太陽(yáng)的光照條件下，吸收體表面溫度穩(wěn)定達(dá)到84.37 ℃，對(duì)鹽水的脫鹽率達(dá)到99.92%(圖1)，這對(duì)于未來(lái)多孔太陽(yáng)能界面蒸發(fā)裝置在海水淡化領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用具有重要的參考價(jià)值。

圖1 不銹鋼網(wǎng)狀骨架生長(zhǎng)碳納米管Fig.1 Carbon nanotubes grown in stainless steel mesh framework

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，界面蒸發(fā)方式下，太陽(yáng)能蒸餾產(chǎn)出淡水的能力大大上升，且能夠有效去除海水中的鹽分[20-22]，但令人擔(dān)憂(yōu)的是，隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，鹽分會(huì)在吸收體上富集，影響蒸發(fā)效率，縮短吸收體的使用壽命。就此，研究者們提出了能夠自我清潔、消除鹽分的吸收體結(jié)構(gòu)。NI的團(tuán)隊(duì)[23]利用柳條式的界面結(jié)構(gòu)，對(duì)吸收體表面富集的鹽分進(jìn)行排放和消解，并且，在陽(yáng)光照射的條件下，該結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)燈芯溶解、排斥的方式對(duì)鹽分進(jìn)行抵抗，很大程度上保持了吸收體的穩(wěn)定工作性能。此外，還有模仿睡蓮結(jié)構(gòu)的吸收體[24]，在該設(shè)計(jì)中吸收體的上層光吸收膜與下層支撐輸水膜結(jié)構(gòu)具備不同的親鹽性能，這種在鹽分吸收上的相異特性使得該吸收體能夠引導(dǎo)鹽分在下層膜內(nèi)部吸附，降低蒸發(fā)區(qū)域鹽分堆積。相似的設(shè)計(jì)還有很多[25-27]，聚焦于吸收體的抗鹽性能，提高了界面蒸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)出凈水的能力。然而，在推廣并應(yīng)用于海水淡化的過(guò)程中，依然有許多問(wèn)題有待解決，海水中除去鹽分還有大量微生物，這些生物的存在會(huì)一定程度上影響蒸餾裝置的運(yùn)行。CHIAVAZZO等人[28]通過(guò)多層級(jí)可堆疊的結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)的蒸發(fā)潛熱可以回收利用，如圖2所示，親水膜與疏水膜的耦合疊加使冷凝水的傳輸方向固定，該系統(tǒng)可達(dá)到72%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化率，并且，所采用的輸水方式有效避免了生物對(duì)蒸餾裝置的影響。

圖2 多層級(jí)界面蒸發(fā)Fig.2 Multi-level interface evaporation

太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)用于海水淡化，為淡水資源的獲取提供了新的方法。目前，太陽(yáng)能界面蒸發(fā)研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)在海水淡化領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用，還有若干問(wèn)題，如大面積蒸發(fā)結(jié)構(gòu)的工業(yè)化生產(chǎn)，非聚光條件下，淡水的高效持續(xù)產(chǎn)出，蒸發(fā)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性等問(wèn)題需要解決。隨著研究的深入，以及新材料、新結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，未來(lái)太陽(yáng)能界面蒸發(fā)方法將成為離散偏遠(yuǎn)海島獲取淡水資源的有效途徑。

2.1.2 廢水處理

隨著城市化和工業(yè)化發(fā)展，生活污水、工業(yè)廢水排放量不斷增加。目前，廢水處理推廣效果不太理想的一個(gè)重要因素在于廢水處理設(shè)備的成本較高。為了實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，低耗能、低成本、低污染的廢水處理技術(shù)成為必然需求。太陽(yáng)能界面蒸發(fā)在諸多實(shí)驗(yàn)中證明了高效蒸發(fā)產(chǎn)水能力以及幾乎零污染排放的綠色清潔屬性，在污水處理方面也表現(xiàn)出了巨大的潛力。

太陽(yáng)能界面蒸發(fā)吸收體的材料主要有碳基材料、金屬納米材料等，其中，碳基材料由于自身具備的吸附能力，可以進(jìn)一步輔助蒸發(fā)系統(tǒng)除去廢水中的污染物質(zhì)。LOU及其團(tuán)隊(duì)[29]制備了紙基還原氧化石墨烯，吸附在無(wú)塵紙上的紙基還原氧化石墨烯在進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換的同時(shí)，能夠作為良好的吸附劑，物理吸附部分雜質(zhì)。此外，隨著溫度的提升與蒸汽的逸散，因壓差導(dǎo)致的水分流動(dòng)加快了污染物在吸收體內(nèi)部的吸附行為，而光熱轉(zhuǎn)換帶來(lái)的高溫則為污染粒子的擴(kuò)散提供動(dòng)能，這都進(jìn)一步強(qiáng)化了凈水能力。在凈水能力的測(cè)試中，模擬污染水中加入有羅丹明作為模擬污染物物質(zhì)，蒸發(fā)完成后，冷凝水中的污染物含量顯著降低(如圖3)。張政[30]將二氧化錳納米線引入氧化還原石墨烯氣凝膠中，制備了具有超浸潤(rùn)特性的碳?xì)饽z吸收體，在對(duì)含有20 mg/L甲基藍(lán)和羅丹明B的模擬廢水溶液進(jìn)行光熱蒸發(fā)后，幾乎可以完全除去污染物質(zhì)。此外，通過(guò)對(duì)金屬納米粒子微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)整，也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水體雜質(zhì)的清除。例如HUANG等人[31]制備的雙相CuxS復(fù)合納米棒三維分層結(jié)構(gòu)泡沫可以有效吸附水體中的有色染料，并對(duì)油水混合物進(jìn)行油水分離，在污水處理方面表現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

圖3 紙基還原氧化石墨烯的凈水能力Fig.3 Water purification capacity of paper-based reduced graphene oxide

此外，在放射性廢料處理方面，界面蒸發(fā)系統(tǒng)也表現(xiàn)出了優(yōu)秀的潛力。耿藝耘[32]制備的三維石墨烯塊體材料，不僅具有良好的蒸發(fā)性能，在一個(gè)太陽(yáng)光照下蒸發(fā)速率達(dá)到1.42 kg/(m2·h)，而且在酸性輻射環(huán)境中依舊保持良好的化學(xué)性能，三維石墨烯塊體材料對(duì)放射性廢液具有優(yōu)異的凈化功能，同時(shí)能夠有效緩解傳統(tǒng)蒸發(fā)中因酸度增加而引起的設(shè)備腐蝕問(wèn)題。

與傳統(tǒng)的活性污泥法、膜生物反應(yīng)器、生物轉(zhuǎn)盤(pán)法等污水處理系統(tǒng)相比，太陽(yáng)能界面蒸發(fā)系統(tǒng)，以分布廣泛且廉價(jià)易得的太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)，以簡(jiǎn)單便攜的光熱蒸發(fā)結(jié)構(gòu)為核心部件，不僅具有良好的蒸發(fā)性能，而且具有良好的污水處理功能，有著在更多地區(qū)推廣的適用性和經(jīng)濟(jì)性，具有重要的研究?jī)r(jià)值。

太陽(yáng)光能充足的地區(qū)不止海邊地區(qū)，荒漠地區(qū)在擁有豐沛太陽(yáng)光資源的同時(shí)也面臨著水源不足的問(wèn)題。因此，利用溫差在荒漠地區(qū)進(jìn)行空氣取水具有廣闊應(yīng)用前景。近些年興起的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的吸附-脫附式空氣取水系統(tǒng)，在價(jià)格、結(jié)構(gòu)等方面相比傳統(tǒng)空氣取水方式有著顯著的優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)利用吸附劑從空氣中捕獲水分子，然后在太陽(yáng)光的加熱下使得吸附劑中的水分子重新脫出，產(chǎn)生的水蒸氣會(huì)被冷凝后收集，被加熱的吸附劑重新冷卻用于下一次的水蒸氣捕獲。文獻(xiàn)[33]將太陽(yáng)能界面蒸發(fā)系統(tǒng)與空氣取水技術(shù)相耦合，實(shí)現(xiàn)了干燥環(huán)境中清潔水的獲取。王雪旸[34]測(cè)試了在取水系統(tǒng)加入界面蒸發(fā)技術(shù)后的產(chǎn)水能力，太陽(yáng)能界面加熱輔助的空氣取水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了液體吸附劑領(lǐng)域的最高日產(chǎn)量，日產(chǎn)量達(dá)到了2.89 kg/m2。

干燥地區(qū)的用水問(wèn)題往往難以解決，太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)的引入妥善解決了高濃度吸附劑下水分脫附的問(wèn)題，提高了空氣取水技術(shù)的應(yīng)用能力。太陽(yáng)能蒸發(fā)與空氣取水的耦合技術(shù)，可以進(jìn)一步優(yōu)化界面蒸發(fā)的微觀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)系統(tǒng)間的耦合，減少吸附-脫附之間的能量損耗，從而提高產(chǎn)水效率。未來(lái)，這種太陽(yáng)能界面蒸發(fā)與空氣取水相耦合的技術(shù)將為干燥地區(qū)淡水的可靠供應(yīng)提供支撐。

2.2 能源供給

太陽(yáng)能界面蒸汽生成方法屬于太陽(yáng)能光熱利用的一種，在清潔能源轉(zhuǎn)換供給方面有著令人期待的應(yīng)用潛力。

2.2.1 水電聯(lián)產(chǎn)

利用太陽(yáng)能界面蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行水電聯(lián)產(chǎn)，以嘗試解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的能源問(wèn)題，是近些年在能源領(lǐng)域興起的一項(xiàng)新興研究。常見(jiàn)的水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)有2種，一種是將產(chǎn)電裝置與產(chǎn)水裝置分開(kāi)設(shè)置，利用界面蒸發(fā)系統(tǒng)蒸發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的蒸汽，與諸如摩擦、高溫、壓電熱電或鹽度感應(yīng)裝置等能源發(fā)生器相結(jié)合，以產(chǎn)生電勢(shì)。例如，LI Xiuqiang及其團(tuán)隊(duì)提出的一種水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)[35]，該系統(tǒng)以高溫水蒸氣的蒸發(fā)焓為基礎(chǔ)，使用具備儲(chǔ)熱能力的冷凝腔將蒸汽冷凝產(chǎn)生的蒸發(fā)潛熱收集儲(chǔ)存，并利用熱電轉(zhuǎn)換模塊將熱能轉(zhuǎn)化為電能(圖4)。在30倍太陽(yáng)光照強(qiáng)度下，產(chǎn)水效率達(dá)到31.6 kg/(m2·h)，發(fā)電效率0.98%。對(duì)蒸汽進(jìn)行過(guò)熱處理，開(kāi)路電壓和短路電流可達(dá)到4.15 V和0.61 A，可以滿(mǎn)足部分小型家用電器的用電需求。在非聚光條件下如何保障高溫蒸汽的穩(wěn)定產(chǎn)生，同時(shí)提高發(fā)電能力是需要研究的內(nèi)容。ZHU等人嘗試?yán)谜羝麛_動(dòng)來(lái)誘發(fā)電勢(shì)[36]，使用一種含氟鐵電聚合物聚氟乙烯用以收集蒸汽當(dāng)中的熱機(jī)械響應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)，電壓、電流等電路信號(hào)的變化與含氟鐵電聚合物聚氟乙烯膜所感應(yīng)到的溫度變化息息相關(guān)，為蒸汽能量回收提供了新的思路。

圖4 界面蒸發(fā)水電聯(lián)產(chǎn)示意圖Fig.4 Schematic diagram of interface evaporation and hydropower cogeneration

除了利用蒸汽的潛熱進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電勢(shì)外，界面蒸發(fā)行為在水體中引起的離子運(yùn)動(dòng)與溫度差異也可用于發(fā)電。ZHU[37]等人設(shè)計(jì)了一種3D有機(jī)布基海綿，在海綿吸收體下層設(shè)置熱電轉(zhuǎn)換模塊，利用吸收體與塊體水之間的溫差產(chǎn)生電能(圖5)。YANG等人[38]將全氟磺酸膜與碳納米管涂層濾紙相耦合，通過(guò)全氟磺酸膜來(lái)控制引導(dǎo)界面蒸發(fā)過(guò)程中液體離子濃度差引起的離子移動(dòng)，再利用2片Ag/AgCl電極片感應(yīng)吸收體與海水中的離子濃度差異來(lái)產(chǎn)生電勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)了蒸汽和電能的同步輸出。

圖5 利用水體溫差發(fā)電示意圖Fig.5 Thermal power generation

在水電聯(lián)產(chǎn)實(shí)驗(yàn)中，另一種受到關(guān)注的方法是將蒸發(fā)系統(tǒng)與發(fā)電系統(tǒng)耦合至同一個(gè)部件中。依據(jù)流動(dòng)電勢(shì)理論，在外力作用下，當(dāng)水流在狹小管道中從較高壓力區(qū)流動(dòng)至較低壓力區(qū)時(shí)，如果管道內(nèi)部帶有負(fù)電荷基團(tuán)，則會(huì)誘導(dǎo)水流中產(chǎn)生正電荷。水流的流動(dòng)會(huì)帶著這部分電荷移動(dòng)聚集，不同濃度的正電荷在管道進(jìn)出口處形成較強(qiáng)的電場(chǎng)力，而當(dāng)作用于水流的外力與電場(chǎng)力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，流體就能夠在管道中持續(xù)流動(dòng)且產(chǎn)出穩(wěn)定的電流電壓信號(hào)。利用滲透壓的作用，水流在微小管道中的流動(dòng)，即可依據(jù)該原理實(shí)現(xiàn)從水流動(dòng)能到電能的轉(zhuǎn)換，這類(lèi)方式也被研究者稱(chēng)為水伏發(fā)電。

礦區(qū)及周邊主要出露三疊紀(jì)火山巖，侏羅系及白堊系、古近系。下侏羅統(tǒng)漾江組(J1y)主要為灰紫色中細(xì)粒巖屑砂巖、粉砂質(zhì)泥巖碎屑巖和橄欖玄武巖、安山玄武巖等火山巖；中侏羅統(tǒng)花開(kāi)左組(J2h)主要為為紫紅色泥質(zhì)粉砂巖夾暗紫紅色巖屑石英砂巖。上侏羅統(tǒng)壩注路組(J3b)為紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾紫紅色細(xì)砂巖。

早在2017年時(shí)，研究者們發(fā)現(xiàn)，將蒸發(fā)器件進(jìn)行碳化修飾后，能夠僅依靠自身蒸發(fā)通過(guò)水伏發(fā)電的原理產(chǎn)生穩(wěn)定持續(xù)的電壓。文獻(xiàn)[39]嘗試使用炭黑作為發(fā)電材料，在自然蒸發(fā)的條件下，能夠持續(xù)產(chǎn)生約1 V的電壓100多 h。文獻(xiàn)[40]將棉布與炭黑和氯化鈣結(jié)合，通過(guò)器件自身的蒸發(fā)，以及氯化鈣中Ca2+降低電阻的效果，能夠持續(xù)產(chǎn)生0.74 V的電壓和22.5 μA電流。周小兵[41]將木頭作為發(fā)電的關(guān)鍵部件，通過(guò)檸檬酸對(duì)木材改性后，木材表現(xiàn)出極強(qiáng)的親水性，5個(gè)器件串聯(lián)可以為1個(gè)計(jì)算器供電。利用界面蒸發(fā)引起的誘導(dǎo)發(fā)電效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)水電聯(lián)產(chǎn)。當(dāng)然，為實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的廣泛應(yīng)用，還需對(duì)各類(lèi)材料的物理化學(xué)性能以及誘發(fā)電勢(shì)的產(chǎn)生原理進(jìn)行更加深入的研究。

2.2.2 太陽(yáng)能催化燃料

以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)清潔燃料是解決能源和環(huán)境問(wèn)題的重要途徑。傳統(tǒng)的光催化燃料生產(chǎn)方式由于其有限的光吸收能力及電荷遷移等問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模推廣。引入太陽(yáng)能界面蒸發(fā)系統(tǒng)，光能熱能的同時(shí)驅(qū)動(dòng)，可以加快光催化反應(yīng)的進(jìn)程，提升該技術(shù)的實(shí)用性。

將光照能量定位并局限于太陽(yáng)能界面蒸發(fā)系統(tǒng)中的吸收體界面，并利用蒸發(fā)材料的化學(xué)特性，可以同時(shí)產(chǎn)生光催化燃料和淡水。GAO等人[42]利用TiO2/Ag混合納米纖維和吸水脫乙酰殼聚糖聚合物，制備的3D光熱催化凝膠，具有良好的熱管理能力，并且，氧化還原劑與光催化劑被集成固定在一起，使得光催化過(guò)程可以更加穩(wěn)定高效地進(jìn)行。在一個(gè)太陽(yáng)強(qiáng)度下，蒸汽生成速率達(dá)到1.49 kg/(m2·h)，同時(shí)，氫氣生成速率達(dá)到了3 260 μmol/(m2·h)。此外，此外，還可利用界面蒸發(fā)過(guò)程中的溫差產(chǎn)生電能，再通過(guò)電催化水解制氫[43]。

除去催化水制氫以外，利用水蒸氣與含碳材料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，也可以生成乙醇、甲烷等碳?xì)浠瘜W(xué)燃料(圖6)。文獻(xiàn)[44]利用界面蒸發(fā)產(chǎn)生的大量蒸汽將纖維素原料水解為糖，進(jìn)而通過(guò)化學(xué)提純產(chǎn)生乙醇。文獻(xiàn)[45]則是利用二氧化碳與界面蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣進(jìn)行反應(yīng)，生成甲烷等碳?xì)浠衔锶剂?。界面蒸發(fā)技術(shù)輔助的太陽(yáng)能燃料的制備方法，為能源社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展提供了新的途徑。

圖6 光催化化學(xué)燃料合成Fig.6 Photocatalytic chemical fuel synthesis

2.3 醫(yī)療應(yīng)用

在醫(yī)療領(lǐng)域中，高溫蒸汽殺菌是一種常用的滅菌手段。HALAS課題組[46]發(fā)現(xiàn)，在水中分散高吸收性的納米顆粒，可以在太陽(yáng)光照下產(chǎn)生蒸汽，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了2種基于納米顆粒的太陽(yáng)能滅菌鍋。一種是便攜式的閉環(huán)太陽(yáng)能滅菌鍋，能夠?yàn)樗幬铩⑿⌒歪t(yī)療器具提供滅菌服務(wù)；另一種是太陽(yáng)碟式滅菌鍋，可以作為離網(wǎng)的獨(dú)立蒸汽源，產(chǎn)出的高溫蒸汽量較大，能夠滿(mǎn)足更高的滅菌需求。然而，將光吸收粒子分散在水中，不可避免的導(dǎo)致蒸發(fā)效率下降，滅菌響應(yīng)的時(shí)間較長(zhǎng)，整個(gè)循環(huán)的效率相對(duì)較低。

采用界面蒸發(fā)技術(shù)的滅菌鍋具有更快的升溫速率，更低的能量消耗以及更集中的熱量傳遞。ZHANG等人[47]設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能界面蒸發(fā)裝置，光熱轉(zhuǎn)換率84%，在特定光照條件下可以產(chǎn)生132 ℃的高溫蒸汽，并快速完成滅菌響應(yīng)。與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能高壓蒸汽滅菌器相比，在相同條件下，太陽(yáng)能界面蒸發(fā)滅菌器可以達(dá)到更高的光熱轉(zhuǎn)換率，直接產(chǎn)生高溫蒸汽，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于在陽(yáng)光充沛的欠發(fā)達(dá)地區(qū)使用。李金磊[48]設(shè)計(jì)了一種基于太陽(yáng)能界面加熱的快速響應(yīng)蒸汽滅菌系統(tǒng)，基于偏遠(yuǎn)地區(qū)環(huán)境考慮，選擇了更易收集制備的生物質(zhì)碳材料作為太陽(yáng)光吸收體，在122 s內(nèi)，蒸汽溫度達(dá)到121 ℃，該過(guò)程僅需消耗能量100 J/mL，無(wú)論是升溫速率還是能量消耗，均優(yōu)于傳統(tǒng)的太陽(yáng)能高溫蒸汽生成方法。在滅菌實(shí)驗(yàn)中，該裝置可以在8.4 min內(nèi)完成1次消毒循環(huán)，響應(yīng)速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的太陽(yáng)能滅菌鍋，且加熱滅菌效率可達(dá)到99.9%。CHANG Chao和PENG Tao等人[49]將太陽(yáng)能界面蒸發(fā)裝置集成于太陽(yáng)能真空管內(nèi)，通過(guò)布置在管內(nèi)的銅網(wǎng)，完成蒸汽的過(guò)熱反應(yīng)。無(wú)需聚光裝置，在低太陽(yáng)光通量下可以保持高溫蒸汽的穩(wěn)定輸出，蒸汽溫度可從102 ℃調(diào)節(jié)至165 ℃。GENG等人[50]制備了雙相CuxS復(fù)合納米棒三維分層泡沫結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到95.4%的光熱轉(zhuǎn)換效率，由于材料的特殊性能，可以在產(chǎn)水的同時(shí)，完成對(duì)周邊環(huán)境消毒滅菌的處理。以太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)為支撐的高溫滅菌設(shè)備，擺脫了對(duì)電力輸入的依賴(lài)，減少了二氧化碳的排放，裝置更加靈活，具有在偏遠(yuǎn)欠發(fā)達(dá)地區(qū)推廣的優(yōu)勢(shì)。

3 前景展望

目前，太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)還處于初步研究階段，還有許多實(shí)際問(wèn)題需要解決。太陽(yáng)能界面蒸發(fā)效率與入射光照強(qiáng)度有很大關(guān)系，目前的研究多是在高聚光條件下進(jìn)行的，無(wú)疑會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。因此，提升非聚光條件下太陽(yáng)能界面蒸發(fā)性能，對(duì)于太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重要意義。一方面，需要提高光吸收體的吸收性能，另一方面，需要進(jìn)一步減少不必要的能量損失。并且，考慮到太陽(yáng)輻射的間歇性，在蒸發(fā)系統(tǒng)中加入儲(chǔ)能部件，有利于蒸發(fā)過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行。此外，自然界中的一些生物材料，可為太陽(yáng)能蒸發(fā)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，例如通過(guò)模仿黑色蝴蝶翅膀特有的規(guī)律排列的納米級(jí)多孔結(jié)構(gòu)以降低光吸收體的反射率，變相提高蒸發(fā)速率[50]。因此，蒸發(fā)結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)，也會(huì)成為未來(lái)太陽(yáng)能界面蒸發(fā)的一個(gè)發(fā)展方向。

太陽(yáng)能界面蒸發(fā)系統(tǒng)，以其便攜性和簡(jiǎn)易性，將會(huì)成為偏遠(yuǎn)的離散海島地區(qū)獲取淡水和能源的重要設(shè)備，為解決偏遠(yuǎn)地區(qū)能源供給問(wèn)題提供了新的途徑。