可增強(qiáng)太陽(yáng)能蒸發(fā)器效能的纖維素基材料研究進(jìn)展

胡娜 徐永建 任光榮 王建

摘要：淡水資源緊缺是人類(lèi)面臨的最嚴(yán)峻的問(wèn)題之一，利用太陽(yáng)能蒸發(fā)器獲取淡水被認(rèn)為是緩解水資源緊缺的有效手段。纖維素基材料具有良好的生物相容性、可再生性和可持續(xù)性，可發(fā)展其在太陽(yáng)能蒸發(fā)器領(lǐng)域的應(yīng)用。本文主要介紹了近幾年纖維素基氣凝膠、纖維素紙和原生態(tài)植物作為太陽(yáng)能蒸發(fā)器基材的研究進(jìn)展，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能蒸發(fā)器;纖維素;氣凝膠;原生態(tài)植物

中圖分類(lèi)號(hào)：TS71?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??? DOI：10.11980/j. issn.0254-508X.2021.12.015

Advanced Research Progress in Cellulose-based Materials Enhancing the Efficiency of Solar Steam Generation

HU Na1?? XU Yongjian1，*?? REN Guangrong2?? WANG Jian1

（1. College ofBioresources Chemical and Materials Engineering，Shaanxi Province Key Lab ofPapermaking Technology and Specialty PaperDevelopment，National Demonstration Centerfor Experimental Light Chemistry Engineering Education，Key Lab ofPaper Based FunvtionalMaterials of China National Light Industry，Shaanxi University of Science & Technology，Xian，Shaanxi Province，710021;2. Dongguan Jintian Paper Co.，Ltd.，Dongguan，Guangdong Province，523052）

（*E-mail ：xuyongjian@sust. edu. cn）

Abstract： Fresh water scarcity is one of the most threatening issues for sustainable development . Solar steam generation，which harnesses the abundant sunlight，has been recognized as a sustainable approach to harvest fresh water . Cellulose-based materials，owing to their bio? compatibility，renewability and sustainability，are highly attractive for realizing solar steam generators . Research progress of cellulose-based aerogels，paper and native plants as substrates for solar evaporators is reviewed，and the development prospect is also discussed .

Key words ：solar steam generation;cellulose;aerogel;native plants

近年來(lái)，淡水資源緊缺已經(jīng)成為人類(lèi)面臨的最嚴(yán)重的危機(jī)之一，海水淡化技術(shù)被認(rèn)為是緩解淡水資源緊缺的有效手段[1-3]。太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)可以利用綠色清潔、豐富可持續(xù)的太陽(yáng)能獲得淡水，太陽(yáng)能蒸發(fā)器是能夠?qū)崿F(xiàn)利用太陽(yáng)能分離水和雜質(zhì)一種裝置，是目前的研究熱點(diǎn)[4-7]。纖維素是最豐富的天然高分子化合物，主要來(lái)源于陸生植物，還有一些來(lái)源于海洋生物和細(xì)菌菌落等，是一種取之不盡、用之不竭的可再生資源[8-10]。纖維素具有良好的親水性和極低的熱導(dǎo)率，作為太陽(yáng)能蒸發(fā)器基材的纖維素基材料可為水的運(yùn)輸提供足夠的親水性和通道，同時(shí)具有顯著的隔熱作用，使太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的熱能集中在蒸發(fā)面，有利于水的蒸發(fā)。因此這類(lèi)材料在太陽(yáng)能蒸發(fā)器領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[7， 11-13]。以纖維素為原材料，制備具有納米/微孔結(jié)構(gòu)材料，進(jìn)一步改善提高水運(yùn)輸能力，并且多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙可以增加光反射和散射從而增強(qiáng)光熱轉(zhuǎn)化材料的光吸收性能[14-15]。此外，某些天然纖維素本身具有連接的多孔結(jié)構(gòu)，可以提供良好的水運(yùn)輸，使其成為太陽(yáng)能蒸發(fā)器的有效支撐基質(zhì)[16-17]。綜上所述，纖維素材料的這些物理化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征，使其成為太陽(yáng)能蒸發(fā)器水運(yùn)輸基質(zhì)的理想選擇。本文綜述了纖維素氣凝膠、纖維素紙（膜）、原生態(tài)植物等在太陽(yáng)能蒸發(fā)器領(lǐng)域的應(yīng)用和研究進(jìn)展。

1太陽(yáng)能蒸發(fā)器

太陽(yáng)能蒸發(fā)器主要依靠新型的光熱轉(zhuǎn)化材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)較高的光熱轉(zhuǎn)化效率，如圖1所示，主要存在以下3種途徑[6]：①太陽(yáng)能吸收體在體相水底部，通過(guò)吸收太陽(yáng)能并將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能來(lái)加熱體相水（即整體水），從而使水蒸發(fā)[18];②太陽(yáng)能吸收體分散在體相水中，將入射的太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化成熱能，加熱體相水[19];③太陽(yáng)能吸收體在汽-熱加熱界面的水蒸發(fā)，在汽-熱界面處用于加熱蒸發(fā)水（即輸送至蒸發(fā)層的體相水）[20]。

界面加熱的太陽(yáng)能蒸發(fā)器具有加熱成本低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、效率高等特點(diǎn)，主要通過(guò)太陽(yáng)能吸收體將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能;同時(shí)，通過(guò)水通道到達(dá)吸收體表面的蒸發(fā)水吸收熱量產(chǎn)生水蒸氣[21-22]。太陽(yáng)能吸收和蒸汽產(chǎn)生都局限在汽-液界面，可以減少熱量向體相水傳導(dǎo)，避免熱損失;且太陽(yáng)能吸收體的溫度較低，可以減少吸收體表面的熱輻射和熱對(duì)流損失。界面太陽(yáng)能蒸發(fā)器蒸發(fā)效率的主要影響因素包括寬頻率的光吸收、熱管理、水運(yùn)輸和水蒸發(fā)等[23-25]。光吸收體為界面太陽(yáng)能蒸發(fā)器提供源源不斷的熱量，是其核心部件;降低材料的熱導(dǎo)率對(duì)材料表面的熱輻射和熱對(duì)流等進(jìn)行熱管理，自身通道或者復(fù)合外部材料通道的毛細(xì)管作用將體相水連續(xù)不斷的運(yùn)輸?shù)綒庖航缑妫瑢?shí)現(xiàn)水運(yùn)輸和水蒸發(fā)。近年來(lái)學(xué)者們聚焦新型光熱轉(zhuǎn)化材料的開(kāi)發(fā)以及光熱轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)調(diào)控研究，實(shí)現(xiàn)了寬頻的光吸收、高效的光熱轉(zhuǎn)化和良好的潤(rùn)濕性能等目的，促進(jìn)了界面太陽(yáng)能蒸發(fā)器的良好發(fā)展前景。界面太陽(yáng)能蒸發(fā)器的蒸發(fā)效率已高達(dá)90%左右[26-28]。

2纖維素基材料在太陽(yáng)能蒸發(fā)器中的應(yīng)用

2.1纖維素基氣凝膠

氣凝膠具有結(jié)構(gòu)多孔、導(dǎo)熱系數(shù)低、比表面積高、密度低以及親水性易調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，這引起了研究者的極大關(guān)注[29-30];纖維素氣凝膠是一種具有廣泛應(yīng)用前景的太陽(yáng)能蒸發(fā)器材料。目前制備纖維素氣凝膠的主要有細(xì)菌纖維素和纖維素納米纖維。

2.1.1細(xì)菌纖維素

細(xì)菌纖維素（ BC）具有力學(xué)性能好、比表面積大、孔隙率高等優(yōu)點(diǎn)，且 BC 的合成過(guò)程具有可調(diào)控性，光熱轉(zhuǎn)化材料可以在細(xì)菌原位生長(zhǎng)過(guò)程中和 BC形成物理交聯(lián)，因此，BC作為太陽(yáng)能蒸發(fā)器的基質(zhì)已被廣泛研究[31-33]。

Jiang 等人[32]通過(guò)在 BC合成過(guò)程中加入氧化石墨烯（ rGO）薄片實(shí)現(xiàn)原位生長(zhǎng)制得雙層復(fù)合生物質(zhì)膜，用于太陽(yáng)能蒸發(fā)器，如圖2（a）所示。雙層復(fù)合生物質(zhì)膜具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，優(yōu)異的光吸收能力和水運(yùn)輸能力，可以實(shí)現(xiàn)高效的光熱轉(zhuǎn)化和水蒸發(fā)。同時(shí)，? BC 還可以負(fù)載氧化石墨烯（ GO）、多巴胺（ PDA）、 MoS2、碳納米管（ CNTs）等光熱轉(zhuǎn)化材料。 Jiang 等人[33]通過(guò)在 BC水凝膠生成過(guò)程中加入多巴胺（ PDA）顆粒制備了雙層 BC/PDA 太陽(yáng)能蒸發(fā)器，見(jiàn)圖2（b）。雙層 BC/PDA 氣凝膠具有良好的光吸收、光熱轉(zhuǎn)化、熱隔離和水運(yùn)輸性能，在1個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下蒸發(fā)效率可達(dá)78%。

Guan 等人[34]開(kāi)發(fā)了一種基于 BC 納米復(fù)合材料的高效仿生多層結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生器（ HSSG）。如圖2（c）所示，HSSG 的分層結(jié)構(gòu)包含3個(gè)具有不同功能的連續(xù)層，包括光吸收層（ CNTs 與 BC 復(fù)合層）、隔熱層（玻璃微珠與 BC 復(fù)合層）以及支撐輸水層（木質(zhì)基材層）。在 HSSG仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和納米網(wǎng)絡(luò)中，BC 水凝膠的三維纖維素納米纖維網(wǎng)絡(luò)顯著降低了蒸發(fā)能耗并加速汽化，在1個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下，蒸發(fā)速率和效率分別可達(dá)2.9 kg/（m2·h）和80%。

BC氣凝膠可以通過(guò)簡(jiǎn)單的生物合成獲得，而且光熱材料可以通過(guò)原位生長(zhǎng)穩(wěn)定的負(fù)載在 BC上，使其具有良好的光熱效應(yīng)。因此，BC作為太陽(yáng)能蒸發(fā)器的基質(zhì)具有良好的應(yīng)用前景。

2.1.2纖維素納米纖絲

纖維素納米纖絲（ CNF）具有長(zhǎng)徑比高、比表面積大、密度低、可生物降解和易于功能化等特點(diǎn)， CNF 氣凝膠在太陽(yáng)能蒸發(fā)器領(lǐng)域的應(yīng)用受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注[35-37]。

2017年首次報(bào)道了 CNF 在太陽(yáng)能蒸發(fā)器領(lǐng)域的應(yīng)用，Jiang 等人[38]在 CNF 氣凝膠上沉積 CNTs 后得到雙層 CNF/CNTs 基太陽(yáng)能蒸發(fā)器，如圖2（d）所示。該雙層太陽(yáng)能蒸發(fā)器的密度低，僅0.0096 g/cm3，可以漂浮在水-空氣界面處實(shí)現(xiàn)界面太陽(yáng)能水蒸發(fā);CNTs 光吸收層的光吸收率達(dá)97.5%;高孔隙結(jié)構(gòu)的 CNF 氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.06 W/（m ·K ），可以減少向體相水傳遞的熱量，避免熱損失。在1個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下，? CNF/CNTs 基太陽(yáng)能蒸發(fā)器的蒸發(fā)效率達(dá)到76.3%。

Hu 等人[39]將六甲基二硅烷改性的 SiO2疏水涂層噴涂在定向冷凍的親水性 CNF/CNT 雜化氣凝膠表面，得到了具有一面疏水一面親水的 Janus 太陽(yáng)能蒸發(fā)器，如圖2（e）所示。Janus 結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)潤(rùn)濕性實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能蒸發(fā)器在水面的自漂浮，疏水層保證了良好的熱隔離性能，親水層保證了快速連續(xù)的水供應(yīng)。定向冷凍冰模板法制備的氣凝膠內(nèi)部具有低曲折度的孔隙結(jié)構(gòu)，使 Janus 太陽(yáng)能蒸發(fā)器在運(yùn)行過(guò)程中可以將鹽粒子迅速排出，避免鹽結(jié)晶問(wèn)題，保證太陽(yáng)能蒸發(fā)器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。在高濃度鹽水（質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%）中， Janus 太陽(yáng)能蒸發(fā)器也具備優(yōu)異的排鹽能力和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，適用于高鹽廢水的處理。

纖維素氣凝膠的低密度、高親水性、易于功能化且結(jié)構(gòu)可控等特點(diǎn)，為太陽(yáng)能蒸發(fā)器提供了新的設(shè)計(jì)思路。

2.2? 纖維素紙（膜）

纖維素紙具有微孔結(jié)構(gòu)、親水性、機(jī)械強(qiáng)度高、柔韌性好、導(dǎo)熱系數(shù)低、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，可以作為太陽(yáng)能蒸發(fā)器的基材[40-42]。纖維素紙主要作為光吸收層或者水運(yùn)輸通道來(lái)提高太陽(yáng)能蒸發(fā)器的能效。

2.2.1? 紙（膜）基光吸收層

紙可以通過(guò)簡(jiǎn)單的碳化形成碳化膜用于太陽(yáng)能蒸發(fā)器。Lin 等人[43]將商品化的纖維素纖維無(wú)塵紙、纖維素紙、纖維素纖維無(wú)塵布等商用纖維產(chǎn)品進(jìn)行碳化后得到碳化膜（ CM ）太陽(yáng)能蒸發(fā)器，具有良好的光吸收性能、隔熱性能和多孔結(jié)構(gòu)。尤其碳化纖維素紙（ CCP ）表現(xiàn)出了最佳的性能，具有光吸收率高（92.2%）、導(dǎo)熱系數(shù)低（0.031 W/（m ·K ））和水分輸送快等的特點(diǎn)，在1個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下，水蒸發(fā)速率和效率分別為0.959 kg/（m2·h）和65.8% （見(jiàn)表1）。 Chen 等人[44]將碳化面巾紙用于太陽(yáng)能蒸發(fā)器（見(jiàn)表1），碳化面巾紙具有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)和超親水性，并可以在水面上自漂浮，實(shí)現(xiàn)界面太陽(yáng)能水蒸發(fā)。碳化面巾紙具有良好的穩(wěn)定性，在3個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下可實(shí)現(xiàn)95%的能量轉(zhuǎn)化效率。

除了進(jìn)行碳化，紙還可以作為支撐層來(lái)負(fù)載光熱轉(zhuǎn)化材料，如金納米顆粒、氧化石墨烯、炭黑、碳粒子、聚吡咯等，實(shí)現(xiàn)高效太陽(yáng)能水蒸發(fā)。Liu 等人[45]以纖維素纖維無(wú)塵紙作為金納米粒子（ AuNP ）薄膜的支撐層，合成了無(wú)塵紙基 AuNP 薄膜（ PGF ）作為太陽(yáng)能蒸發(fā)器?？諝饧埍砻娴拇植诮Y(jié)構(gòu)可以多次散射太陽(yáng)光保證高效光吸收;紙的多孔結(jié)構(gòu)和高比表面積可以保證充足迅速的水供應(yīng)和水蒸發(fā)面積;紙的低導(dǎo)熱系數(shù)可以限制熱擴(kuò)散、減少熱損失。因此，在1個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下，? PGF 的蒸發(fā)效率可達(dá)77.8%（4.5 kW/m2），遠(yuǎn)高于純 AuNP 膜。Liu 等人[46]將碳黑涂層紙（ CP ）附著在聚苯乙烯泡沫（ EPS ）上制備了 CP-foam 太陽(yáng)能蒸發(fā)器。CP 優(yōu)異的光吸收性能和水運(yùn)輸能力，以及 EPS 良好的熱隔離性能使得 CP-foam 在1個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下可以實(shí)現(xiàn)88%的能量轉(zhuǎn)化效率（見(jiàn)表1）。Seunghyun等人[47]利用紙張的柔韌性和可折疊性開(kāi)發(fā)了一種可展開(kāi)的、Miura-ori的折紙結(jié)構(gòu)的3D 太陽(yáng)能蒸發(fā)器，能夠有效地恢復(fù)輻射和對(duì)流的熱量損失，并通過(guò)周期性的凹面模式捕獲太陽(yáng)能。3D 折紙可以進(jìn)行大量的折疊和展開(kāi)循環(huán)，且不影響太陽(yáng)能蒸發(fā)效率，經(jīng)過(guò)高度折疊后的3D 太陽(yáng)能蒸發(fā)器，在1個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下產(chǎn)生了接近100%的能量轉(zhuǎn)化效率（見(jiàn)表1）。

碳化紙（膜）的低成本、可回收性和高效蒸發(fā)等性能;紙（膜）作為光熱轉(zhuǎn)化材料的支撐層，具有可重復(fù)使用、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、便于攜帶、可折疊等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使其在太陽(yáng)能蒸發(fā)器領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

2.2.2? 紙（膜）基水通道

纖維素紙的親水性可以提供毛細(xì)管力將水供應(yīng)給吸收體，可以保證有效的水運(yùn)輸，確保充足的水分蒸發(fā)[48];PS 泡沫的低熱導(dǎo)率則可以避免吸收體的熱量向體相水?dāng)U散。Li 等人[49-50]制備了光吸收率高達(dá)94%的 GO 薄膜，并且將 GO 薄膜、紙以及 PS 泡沫作為元素設(shè)計(jì)了2D 水通道結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能蒸發(fā)器和3D 空心錐形結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能蒸發(fā)器。從結(jié)構(gòu)角度講，2D 結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能蒸發(fā)器是將親水的纖維素紙包裹在 PS 泡沫表面，GO 薄膜作為光吸收體鋪在水通道上實(shí)現(xiàn)高效水蒸發(fā);3D 結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器則是以商業(yè)棉棒作為供水通道插入到聚苯乙烯泡沫中，棉棒兩端分別連接水體和內(nèi)壁貼有親水纖維素紙的空心錐形 GO 薄膜，通過(guò)棉棒和纖維素紙的共同作用保證充足的水供應(yīng)實(shí)現(xiàn)高效水蒸發(fā)。這兩種結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能蒸發(fā)器解決了水運(yùn)輸和熱損耗的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了高效供水，避免了熱損失。與2D 結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能蒸發(fā)器相比，3D 結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能蒸發(fā)器可以進(jìn)一步減少吸收體對(duì)環(huán)境的熱輻射和熱對(duì)流。前者在1個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下，能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)80%;后者在1個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下，可實(shí)現(xiàn)85%的能量轉(zhuǎn)化效率（見(jiàn)表1）。

除了纖維素紙，無(wú)塵紙也被用做有效的水通道。 Gong 等人[51-52]將無(wú)塵紙分別和煅燒后的三聚氰胺海綿（ AMS ）、球磨石墨（ BG ）和廢紙纖維素纖維（ WCF ）復(fù)合氣凝膠（ BGCAs ）相結(jié)合，設(shè)計(jì)了高效太陽(yáng)能蒸發(fā)器。以無(wú)塵紙作為水通道，避免了 AMS 和 BGGAs 與體相水直接接觸，有效減少了熱損失。在1個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下，? AMS 和 BGGAs 分別實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1.98 kg/（m2·h）和1.61 kg/（m2·h）的水蒸發(fā)速率，且光熱轉(zhuǎn)化效率都在90%以上（見(jiàn)表1）。

紙（膜）作為太陽(yáng)能蒸發(fā)器的水通道，可以保證充足的水供應(yīng)和良好的熱管理，實(shí)現(xiàn)高效太陽(yáng)能水蒸發(fā)，為太陽(yáng)能蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)提供新的視角。

2.3? 原生態(tài)植物

天然植物具有良好的親水性和隔熱性能，有助于太陽(yáng)能蒸發(fā)器的水運(yùn)輸和熱隔離，對(duì)天然植物進(jìn)行改性，可實(shí)現(xiàn)集光吸收、熱隔離和水運(yùn)輸為一體的高效太陽(yáng)能水蒸發(fā)[53]。目前，已經(jīng)有大量研究報(bào)道了天然植物在太陽(yáng)能蒸發(fā)器方面的應(yīng)用。

2.3.1? 天然木材

樹(shù)木依靠?jī)?nèi)部介孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行蒸騰作用，從土壤中吸收水分，并將水分從底部向頂部運(yùn)輸蒸發(fā)釋放到大氣中，可以看出，樹(shù)木具有良好的水運(yùn)輸能力[7， 54]。同時(shí)，木材還具備良好的可加工性和可生物降解性，因此，經(jīng)常被用作太陽(yáng)能蒸發(fā)器的基材。

Zhu 等人[55]受樹(shù)木蒸騰作用的啟發(fā)，將天然木材沿著管腔方向切割后，對(duì)頂部進(jìn)行可控碳化，創(chuàng)造了獨(dú)特的雙層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高效水蒸發(fā)。如圖3（a）所示，上層結(jié)構(gòu)用于光吸收（≈99%），下層結(jié)構(gòu)則是天然的水運(yùn)輸通道，且木材的導(dǎo)熱率低可以避免熱損失。在10 kW/m2的太陽(yáng)光照強(qiáng)度下，實(shí)現(xiàn)了87%的能量轉(zhuǎn)化效率。除了對(duì)木材進(jìn)行碳化處理，也有研究通過(guò)表面涂層工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的蒸發(fā)效率，如將碳納米管、聚多巴胺、石墨、金屬納米粒子等光吸收材料涂覆在木材表面。如圖3（b）所示，Wu 等人[56]在木材表面沉積聚多巴胺（ PDA ），開(kāi)發(fā)了基于木材-聚多巴胺（wood-PDA ）的太陽(yáng)能蒸發(fā)器。PDA 具有良好的親水性和光吸收性能，而導(dǎo)熱率低的木材阻止了熱損失，實(shí)現(xiàn)了木材表面的熱管理。同時(shí)，低密度的木材可以在水面上自漂浮，通過(guò)毛細(xì)作用將水運(yùn)輸?shù)浇缑娌⑺畬颖┞对诳諝庵?，?shí)現(xiàn)迅速加熱和蒸發(fā)。因此， wood-PDA 材料在陽(yáng)光照射5 s 后就可以產(chǎn)生蒸汽，在1個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下，可實(shí)現(xiàn)87%的蒸發(fā)效率。

基于木材優(yōu)異的可加工性能，Kuang等人[57]通過(guò)對(duì)天然木材進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)人工孔道陣列，制備出具有優(yōu)異的防阻塞性能的自清潔太陽(yáng)能蒸發(fā)器，見(jiàn)圖3（c）。在水蒸發(fā)時(shí)，人工孔道和天然木材孔道之間鹽的濃度差可以促使通道間自發(fā)的鹽交換，實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器的實(shí)時(shí)自再生。這種太陽(yáng)能蒸發(fā)器置于高濃度鹽溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)20% NaCl）中，在 1個(gè)太陽(yáng)光照射下，100 h 連續(xù)太陽(yáng)能水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)表明其具有優(yōu)異的防污性能和高效穩(wěn)定的蒸汽轉(zhuǎn)化性能（75%）。 Chao 等人[58]利用表面修飾光熱涂層的天然木材氣凝膠設(shè)計(jì)了一種“非直接接觸式”的懸掛式太陽(yáng)能海水蒸發(fā)器，見(jiàn)圖3（d）。將可彎折的木材氣凝膠作為“連接橋”式的結(jié)構(gòu)，懸掛在海水水槽之間，避免了直接接觸造成的熱損失?！斑B接橋”式的太陽(yáng)能蒸發(fā)器在1個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)度下實(shí)現(xiàn)了1.351 kg/（m2·h）的蒸發(fā)速率和90.89%的蒸發(fā)效率，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的“緊密接觸”式太陽(yáng)能蒸發(fā)器。

天然木材良好的親水性、低的熱導(dǎo)率、可加工性等優(yōu)勢(shì)，為廉價(jià)、防阻塞、可規(guī)模化的太陽(yáng)能蒸發(fā)器提供了設(shè)計(jì)思路，有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

2.3.2? 農(nóng)業(yè)廢棄物

農(nóng)業(yè)廢棄物是重要的生物質(zhì)資源和可再生資源，對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行高值化利用一直是研究熱點(diǎn)。目前，農(nóng)業(yè)廢棄物在太陽(yáng)能蒸發(fā)器領(lǐng)域也有大量研究報(bào)道。

玉米秸稈是一種低成本的農(nóng)業(yè)廢棄物，具有孔隙豐富、密度低等特點(diǎn)，其內(nèi)部具有復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)，可以在高效輸水的同時(shí)保持良好的隔熱。Zhang 等人[59]對(duì)玉米秸稈進(jìn)行表面碳化處理后制備了一種生物質(zhì)蒸發(fā)體（見(jiàn)圖3（d）），其光吸收率達(dá)到了91%;導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.042 W/（m ·K ），隔熱性能與聚合物泡沫等商用隔熱材料相當(dāng)。因此，在 1個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下，玉米秸稈蒸發(fā)器的蒸汽轉(zhuǎn)化率達(dá)到了86%，高于大部分已報(bào)道的生物質(zhì)蒸發(fā)器。水稻秸稈內(nèi)部有獨(dú)特的毛細(xì)內(nèi)腔和微納結(jié)構(gòu)。Fang 等人[53]受此啟發(fā)，將水稻的葉片碳化后與細(xì)菌纖維素復(fù)合制成一張高穩(wěn)定性、高機(jī)械強(qiáng)度的多孔光熱蒸發(fā)膜，其光吸收率達(dá)到89.4%;水稻秸稈則直接作為水通道和支撐體，組裝為1個(gè)全生物質(zhì)界面太陽(yáng)能蒸發(fā)器，如圖3（e）所示。在1個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下，水蒸發(fā)量和光熱轉(zhuǎn)化效率分別為1.27 kg/（m2·h）和75.8%。

農(nóng)業(yè)廢棄物具有低成本、可生物降解和可再生等特點(diǎn)，將農(nóng)業(yè)廢棄物用于太陽(yáng)能蒸發(fā)器，不僅可以實(shí)現(xiàn)其高值化利用，而且為低成本、可生物降解和可規(guī)?；奶?yáng)能蒸發(fā)器提供了新思路。

2.3.3? 其他原生態(tài)植物

除了上述原生態(tài)植物，還有農(nóng)業(yè)廢棄物柚子皮[60]、可食用生物體香菇[61]、蘿卜[62]、土豆[63]、蓮蓬[64]等也可作為太陽(yáng)能蒸發(fā)器的基材，這些原材料大都經(jīng)過(guò)碳化后實(shí)現(xiàn)高效的太陽(yáng)光吸收，且內(nèi)部具有多孔結(jié)構(gòu)可保證快速的水運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)高效太陽(yáng)能水蒸發(fā)。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

由于來(lái)源廣、成本低、綠色可持續(xù)和優(yōu)異的物理化學(xué)性能，纖維素在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。快速的水運(yùn)輸、優(yōu)異的熱管理、與光熱材料易于復(fù)合、生物相容性和可再生等性能使纖維素基材料在太陽(yáng)能蒸發(fā)器領(lǐng)域具有可觀的應(yīng)用潛力。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，仍有一些突出的問(wèn)題需要解決，如氣凝膠制備過(guò)程中涉及冷凍干燥等技術(shù)，其成本高，且難以規(guī)?；瘧?yīng)用;纖維素具有可降解性，可能會(huì)導(dǎo)致纖維素基太陽(yáng)能蒸發(fā)器的劣化，影響其使用穩(wěn)定性;纖維素基太陽(yáng)能蒸發(fā)器在使用過(guò)程中的防污性能也需要進(jìn)一步研究，以克服鹽結(jié)晶導(dǎo)致的太陽(yáng)能蒸發(fā)器蒸發(fā)效率降低的瓶頸。因此，需要繼續(xù)探索和優(yōu)化太陽(yáng)能蒸發(fā)器的性能、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以期實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。

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（責(zé)任編輯：董鳳霞）