耐鹽型太陽能驅(qū)動界面光熱材料及蒸發(fā)器的研究進(jìn)展

李吉焱，景艷菊，邢郭宇，劉美辰，龍永，朱照琪

（蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

清潔淡水的缺乏是目前普遍的全球性問題，全球有超過三分之一的人口生活在淡水資源緊缺的國家或地區(qū)[1]。海水是地球上最豐富的水資源，約占地球表面積的75%，因此海水淡化被認(rèn)為是解決淡水資源緊缺問題最具發(fā)展前景的技術(shù)。目前，海水淡化技術(shù)中反滲透膜法、多效蒸發(fā)、壓氣蒸發(fā)、電滲析法、多級閃蒸法、離子交換法和太陽能蒸發(fā)等多種脫鹽方法已經(jīng)得到了很好的發(fā)展[2]。尤其是太陽能蒸發(fā)因清潔、不消耗常規(guī)能源以及成本低廉等優(yōu)勢引起了研究者們廣泛關(guān)注[3]。近年來，為了克服傳統(tǒng)太陽能蒸發(fā)過程中對整個(gè)水體進(jìn)行加熱而導(dǎo)致熱損失嚴(yán)重，學(xué)者們開發(fā)了太陽能驅(qū)動的界面蒸發(fā)技術(shù)，即利用太陽能加熱光熱材料表層的空氣-水界面實(shí)現(xiàn)局部集熱產(chǎn)生蒸汽[4-5]。該方法提高了太陽能利用效率，已成為海水淡化領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。

太陽能驅(qū)動界面蒸發(fā)技術(shù)（SDIE）的研究主要集中在強(qiáng)化光熱材料的性能，具體包括：①優(yōu)異的光捕獲性能，在全光頻范圍內(nèi)吸收太陽輻射，并轉(zhuǎn)化為熱量；②良好的孔性能，能夠快速地傳輸水分；③超低的導(dǎo)熱，有效減少熱量向水體擴(kuò)散造成的能量損失[6-7]。迄今為止，按照上述三項(xiàng)光熱材料性能的設(shè)計(jì)原則，研究者做了大量的工作來制備和改善光熱材料。主要包括生物質(zhì)材料[8-12]、碳基材料[6,13-15]、聚合物材料[16-19]、半導(dǎo)體材料[20-23]及天然礦物材料[24-26]等。生物質(zhì)光熱材料具有成本低廉、比表面積高、環(huán)保和可再生等特點(diǎn)，受到研究者的普遍關(guān)注，但材料制備的均一性較差，難以有效調(diào)控功能特性，推廣受限。半導(dǎo)體光熱材料以使用黑鈦類、銅硫化合物為主，負(fù)載在低熱導(dǎo)率的多孔基底上，但由于半導(dǎo)體自身結(jié)構(gòu)的限制，導(dǎo)致大部分半導(dǎo)體光熱材料蒸發(fā)效率不顯著，因而限制了半導(dǎo)體光熱材料的進(jìn)一步發(fā)展。貴金屬納米光熱轉(zhuǎn)換材料中，金和銀等貴金屬納米材料雖然具有較高的光熱轉(zhuǎn)化性能，但其成本較高，不利于大面積的應(yīng)用。另外，金屬離子活性較大、易于腐蝕，在陽光的長時(shí)間曝曬下不利于長期使用。聚合物光熱材料制備的調(diào)控性較強(qiáng)，尤其在制備孔隙發(fā)達(dá)的光熱材料方面，具有較強(qiáng)的優(yōu)勢。碳基光熱材料具有寬頻的光吸收特性、質(zhì)量輕、化學(xué)惰性等特點(diǎn)，尤其是石墨烯、空心碳球和氧化石墨烯等因其低廉的成本和良好的加工性能成為研究者們優(yōu)先選擇的材料。

SDIE 經(jīng)過近年來的迅速發(fā)展，已具備產(chǎn)業(yè)化條件。但鹽的積累一直被認(rèn)為是阻礙利用太陽能界面蒸發(fā)進(jìn)行海水淡化的一大障礙，是太陽能界面蒸發(fā)研究的發(fā)展瓶頸[27-28]（圖1）。在太陽能光熱蒸發(fā)過程中，水分子從液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?，并沿光熱材料的多孔通道遷移，其中的鹽容易結(jié)晶而堵塞通道，同時(shí)光熱材料表面積累的鹽會遮擋陽光，影響光熱轉(zhuǎn)換效率[29-30]。

圖1 光熱材料鹽結(jié)晶積累現(xiàn)象[31-34]

目前，解決耐鹽的主要方法是將光熱材料制備成垂向多級孔道結(jié)構(gòu)或Janus 結(jié)構(gòu)，這些策略已經(jīng)被證明是解決耐鹽問題的有效方法。對于垂向大孔材料，鹽分能夠在孔道內(nèi)回流，對于雙層結(jié)構(gòu)材料，溶液中的鹽離子無法進(jìn)入或通過材料，從而實(shí)現(xiàn)的耐鹽效果。不難看出，這些方法中耐鹽性能的提高主要是通過鹽的回流實(shí)現(xiàn)。因此，光熱材料的孔徑大小、曲度以及孔隙率等特征對于設(shè)計(jì)耐鹽型光熱材料十分重要。目前盡管不同種類、不同孔徑的耐鹽型材料已經(jīng)被報(bào)道了，但事實(shí)上并不是所有具備多級孔道結(jié)構(gòu)的光熱材料都具有良好的耐鹽特性和高效的太陽能轉(zhuǎn)化效率。本文系統(tǒng)全面地總結(jié)了近年來報(bào)道的耐鹽型光熱材料及蒸發(fā)器，并依據(jù)不同的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了分類，探討了不同耐鹽型光熱材料及蒸發(fā)器的耐鹽機(jī)理，總結(jié)了太陽能界面蒸發(fā)過程中為解決鹽結(jié)晶問題所存在的共性問題，為設(shè)計(jì)制造更高效耐鹽型光熱材料及蒸發(fā)器提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。耐鹽型光熱材料和蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)分類如圖2所示。

圖2 太陽能驅(qū)動界面蒸發(fā)的耐鹽型光熱材料及蒸發(fā)器分類圖

1 耐鹽型光熱材料的設(shè)計(jì)理念與研究現(xiàn)狀

為了克服太陽能界面蒸發(fā)過程中的鹽結(jié)晶積累問題，研究者對耐鹽光熱材料的開發(fā)進(jìn)行了研究。從光熱材料的結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計(jì)角度出發(fā)，通過調(diào)控孔結(jié)構(gòu)、親-疏水性、離子基團(tuán)等方法實(shí)現(xiàn)耐鹽，主要包括親水型垂向多級孔道結(jié)構(gòu)[8,32,35-38]、超疏水涂層[39-40]與Janus 結(jié)構(gòu)[41-45]、離子排斥效應(yīng)[46-51]等耐鹽型光熱材料。

1.1 物理消融

當(dāng)鹽結(jié)晶在吸收器表面形成時(shí)，最直接的方法是物理清洗，但外力沖洗對蒸發(fā)器會造成不同程度的損傷，更適合于柔性設(shè)備。Kou 等[52]利用碳納米管基墨水對棉織物進(jìn)行染色制得的蒸發(fā)器在經(jīng)手洗后可去除表面的鹽分，在洗滌15 次后仍能保持相對穩(wěn)定的性能。Zhu 等[53]設(shè)計(jì)的可清洗的碳納米管包覆聚丙烯腈非織造布具有1.44kg/(m2·h)的海水蒸發(fā)速率，在高濃度鹽水中蒸發(fā)后形成的鹽結(jié)晶可通過手洗去除[圖3(a)]，且洗滌過程對蒸發(fā)性能幾乎沒有影響，具有良好的耐久性。但這種清洗方法治標(biāo)不治本，在實(shí)際操作中效果不佳，還會增加成本。自消融是消除蒸發(fā)器表面鹽結(jié)晶的一種簡便方法，主要依賴于蒸發(fā)器中豐富的輸水通道和良好的親水性，使鹽結(jié)晶在間歇操作時(shí)間內(nèi)溶解在海水中，通?？梢酝ㄟ^開關(guān)燈（或白天和黑夜）的交替來實(shí)現(xiàn)。Yang等[54]使用碳纖維和藜麥糠纖維素納米片制成的多功能蒸發(fā)器具有良好的夜間鹽自動消融能力，在3.5%和7.0%NaCl 溶液中工作12h 后，樣品表面出現(xiàn)大量的鹽結(jié)晶，但在靜置一段時(shí)間后，表面鹽會自動溶解，這是因?yàn)樨S富的輸水通道和良好的吸水能力幫助鹽垢在間歇時(shí)間返回到模擬海水中。

圖3 耐鹽型光熱材料

但以上方法中鹽在蒸發(fā)器表面的逐漸沉積不但降低了其蒸發(fā)性能，而且限制了蒸發(fā)器的有效操作時(shí)間，不適用于大規(guī)模和連續(xù)生產(chǎn)。因此在高效蒸發(fā)的同時(shí)排斥鹽分的太陽能蒸發(fā)器可以節(jié)省人力和物力，更具有實(shí)用價(jià)值。

1.2 親水型垂向多級孔道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著蒸發(fā)器表面的鹽濃度不斷增高，鹽分會因?yàn)闈舛忍荻榷园l(fā)擴(kuò)散回散裝溶液中，因此增強(qiáng)鹽分的逆向擴(kuò)散是防止鹽結(jié)晶產(chǎn)生的一個(gè)有效策略[55]。在前期研究工作中，本文作者課題組曾利用微波和堿處理玉米秸稈制備了具有垂直通道結(jié)構(gòu)的超親水光熱材料[圖3(b)]。優(yōu)異的親水性能、排列有序的分層通道和大的孔徑賦予它們優(yōu)良的耐鹽性，在20%NaCl溶液中進(jìn)行連續(xù)6h的蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)中，樣品表面沒有明顯的鹽結(jié)晶析出，在室溫下繼續(xù)觀察30 天，未在其表面發(fā)現(xiàn)鹽結(jié)晶[10]。在這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上，通過離子液體輔助微晶纖維素的排列，制得具有垂直排列通道的蒸發(fā)器。由于特定的通道結(jié)構(gòu)、高孔隙率和超親水性，該蒸發(fā)器具有良好的耐鹽性（20 天無結(jié)晶）[56]。Hu 等[32]將天然木頭鉆孔，并對其表面進(jìn)行碳化，在太陽能驅(qū)動下，由于孔隙不同而引起水傳輸動力的差異，在毫米級的鉆孔通道（低鹽濃度）和微米級的天然木材通道（高鹽濃度）之間形成了鹽濃度梯度，從而產(chǎn)生鹽的交換和回流，有效地防止了光熱材料的鹽結(jié)晶積累問題。此外Hu 的團(tuán)隊(duì)[31]展示的另一雙峰多孔結(jié)構(gòu)的太陽能蒸發(fā)器依賴于大容量通道的快速毛細(xì)管抽水以及微通道之間的水?dāng)U散和對流，可以快速補(bǔ)充表面汽化的鹽水，避免了鹽分的積累，同樣具有優(yōu)異的耐鹽性。Xu 等[57]設(shè)計(jì)的多功能多孔陶瓷復(fù)合材料具有超親水性、大孔特征、三維互連多孔結(jié)構(gòu)和高孔隙等特點(diǎn)，其中大孔為海水的流動提供通道，高孔隙率保證足量的海水通量，超親水性提供了快速的水傳輸能力。基于此，蒸發(fā)過程中鹽結(jié)晶沒有足夠的時(shí)間沉積在樣品表面，使該蒸發(fā)器具有優(yōu)異的耐鹽性。

親水型垂向多級孔道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使光熱材料具有優(yōu)異的水傳輸能力，提供了高效的水供應(yīng)和離子擴(kuò)散通道，促進(jìn)鹽離子在濃度梯度的驅(qū)動下從頂部向底部水遷移，稀釋蒸發(fā)區(qū)域內(nèi)的高濃度鹽水，防止鹽結(jié)晶的產(chǎn)生。因此增強(qiáng)蒸發(fā)器的親水特性和合理設(shè)計(jì)水的運(yùn)輸通道對于提高材料的耐鹽性十分重要，但溶液在逆流擴(kuò)散的過程中會損失掉一部分熱量，這對于蒸發(fā)是不利的。

1.3 超疏水涂層設(shè)計(jì)

對吸收器表面的超疏水性設(shè)計(jì)是海水淡化過程中防止鹽結(jié)晶的一種直接策略，其核心技術(shù)是阻斷鹽離子向光吸收表面的傳輸，以避免鹽的形成。具體的設(shè)計(jì)類型又可分為獨(dú)立的超疏水膜結(jié)構(gòu)和Janus結(jié)構(gòu)。

對于疏水性膜，由于其疏水性，在蒸發(fā)器與溶液接觸的表面將形成一層氣膜，海水不能進(jìn)入其內(nèi)部，以避免鹽的形成。Zhang 等[58]制備了一種疏水和多孔的碳納米纖維（HPCNF）作為太陽能蒸發(fā)器，HPCNF 的水接觸角為145°，出色的疏水性使其具有優(yōu)異的耐鹽性能，在20%NaCl 溶液中蒸發(fā)6h 后在其表面沒有鹽結(jié)晶析出，在戶外實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行為期31 天的蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，也未有鹽結(jié)晶析出。超疏水性膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)雖然可以有效防止鹽結(jié)晶的產(chǎn)生，但薄膜直接浸泡在水中會散失熱量?；诖耍芯空唛_發(fā)了Janus蒸發(fā)器。

Janus 蒸發(fā)器具有不對稱特性結(jié)構(gòu)，由頂部超疏水層和底部親水基底組成。超疏水層用于吸收太陽能，親水層用于水傳輸。疏水表面擁有非潤濕的特點(diǎn)，可以防止鹽水的滲透，鹽離子集中和成核只發(fā)生在親水層。即使沉積的鹽晶體呈現(xiàn)在這一層，也可以通過水的對流傳輸逐漸溶解。Xu 等[42]首次證明Janus 蒸發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和高效的太陽能脫鹽，所制備的柔性Janus 蒸發(fā)器，疏水層由碳黑納米顆粒和聚甲基丙烯酸甲酯組成，碳納米顆粒的沉積并不影響其疏水性，下層的親水聚丙烯腈層用于供水，在16 天的耐鹽實(shí)驗(yàn)測試中，該蒸發(fā)器顯示出良好的穩(wěn)定性，在內(nèi)部和表面均未觀察到鹽。Hu 等[42]報(bào)道了一種基于SiO2/纖維素納米纖維/碳納米管混合網(wǎng)絡(luò)的Janus蒸發(fā)器[圖3(c)]，六甲基二硅氮烷處理的二氧化硅用作疏水涂層，疏水角為148°，在長達(dá)100h的脫鹽測試中（3.5%NaCl溶液）表現(xiàn)出穩(wěn)定的蒸發(fā)速率，太陽能轉(zhuǎn)換效率超過80%。而在12%NaCl 溶液中進(jìn)行6h 的耐鹽測試過程中，蒸發(fā)器表面也沒有明顯的鹽沉積。在近期的報(bào)道中，Alam 等[43]利用廢舊棉織物與碳納米管制備的具有Janus 結(jié)構(gòu)的復(fù)合氣凝膠具有穩(wěn)定和可控的親水/疏水層厚度，在水接觸角的時(shí)變測量過程中，親水層的水滴在10ms 內(nèi)迅速消失，而疏水層水滴停留300s 時(shí)的接觸角約為147°，表現(xiàn)出優(yōu)異的疏水性。在海水中進(jìn)行10h的蒸發(fā)測試中，蒸發(fā)器表現(xiàn)出1.7～1.75kg/(m2·h)的蒸發(fā)速率，且在蒸發(fā)器上沒有鹽顆粒產(chǎn)生。Li等[44]制備了具有光熱響應(yīng)性的自除垢Janus 納米纖維蒸發(fā)器，在白天，該蒸發(fā)器顯示出類似于傳統(tǒng)Janus 蒸發(fā)器的不對稱潤濕性，在蒸發(fā)器中具有蒸發(fā)/結(jié)垢界面，防止鹽在頂部表面積聚。到了晚上，該蒸發(fā)器變得完全親水，能夠沖洗整個(gè)蒸發(fā)器?；诖耍撜舭l(fā)器在20%NaCl 溶液中表現(xiàn)出良好的耐久性，連續(xù)運(yùn)行5 天，蒸發(fā)速率僅略有下降?；趯anus 蒸發(fā)器開發(fā)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，不難發(fā)現(xiàn)，將親水材料的表面通過簡單的、低成本的超疏水改性，使溶液中的鹽離子無法進(jìn)入或通過材料，是增強(qiáng)光熱材料耐鹽性的一種有效的策略。但同時(shí)要盡量減少不利影響，如超疏水的改性要避免降低材料的光吸收能力和堵塞孔道結(jié)構(gòu)。

疏水性表面設(shè)計(jì)雖然可以有效防止鹽結(jié)晶的產(chǎn)生，但目前的疏水設(shè)計(jì)大部分為二維材料，今后的工作可以更多地考慮設(shè)計(jì)疏水性三維太陽能蒸發(fā)器，使其具有更優(yōu)異的性能。此外，利用光電響應(yīng)設(shè)計(jì)的Janus 蒸發(fā)器是今后工作的另一研究方向，而疏水改性或多或少會增加額外的成本，因此在保證優(yōu)異性能的同時(shí)要盡可能使成本更低。

1.4 離子排斥效應(yīng)

通過基于Daonan 排斥效應(yīng)來調(diào)節(jié)材料的表面電荷也可防止蒸發(fā)器表面鹽結(jié)晶的產(chǎn)生，當(dāng)水分子通過蒸發(fā)器時(shí)，鹽溶液中的離子會被材料中與之相同電荷的離子排斥，從而抑制鹽結(jié)晶的產(chǎn)生[46-47]。例如Li 團(tuán)隊(duì)[46]基于聚(離子液體)單體和煙灰炭制備的Janus太陽能蒸發(fā)器具有優(yōu)異的耐鹽性。聚(離子液體)的咪唑基陽離子對鹽溶液中陽離子的排斥以及Janus結(jié)構(gòu)共同賦予了該蒸發(fā)器優(yōu)異的抗鹽性能，使得該蒸發(fā)器在20% NaCl 溶液中進(jìn)行6h的蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)中未有鹽結(jié)晶的產(chǎn)生。

Liu 等[48]以商用油墨和硅藻土為原料，制備的太陽能蒸發(fā)器依賴于硅藻土對溶液中陽離子的阻隔作用使鹽離子的轉(zhuǎn)運(yùn)受到抑制，蒸發(fā)器界面的鹽離子濃度長期保持較低水平，故而有效地抑制了鹽結(jié)晶的產(chǎn)生。Ge 等[49]制備的導(dǎo)電聚合物氣凝膠，由于帶正電荷的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)可以攔截氯離子，從而抑制了鹽結(jié)晶的形成。生物炭中的官能團(tuán)可以通過靜電吸引、絡(luò)合、金屬-π 相互作用和離子交換來結(jié)合鹽水中的金屬離子，提高材料的耐鹽性[50]。Zeng等[51]提出的離子泵效應(yīng)是一種可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高通量和排鹽的新液體供應(yīng)機(jī)制，為證實(shí)這一機(jī)制，他們將聚丙烯酸鈉[P(SA)]嵌入微孔基質(zhì)中制備了一種聚電解質(zhì)水凝膠泡沫（PHF），在72h 的耐鹽測試中，PHF表面沒有明顯的鹽分沉積。這主要是因?yàn)镻(SA)的高離子強(qiáng)度使得大部分鹽離子在鹽水/泡沫界面被排斥，雖然有少量鹽滲入到PHF中，但它們被P(SA)鏈中的帶電基團(tuán)（CH2CHCOO-和Na+）捕獲[圖3(d)]。這一效應(yīng)有望用于需要高通量和良好防污能力的各種化學(xué)傳輸和分離過程。

對比不同設(shè)計(jì)原理，不難發(fā)現(xiàn)，光熱材料耐鹽性能的提高主要是通過鹽的回流實(shí)現(xiàn)。因此，光熱材料的孔徑大小、曲度以及孔隙率等特征對于設(shè)計(jì)耐鹽型光熱材料具有重要的影響。目前盡管不同種類、不同孔徑的耐鹽型材料已經(jīng)被報(bào)道了，但事實(shí)上并不是所有具備上述設(shè)計(jì)要點(diǎn)的光熱材料都具有良好的耐鹽特性和高效的太陽能轉(zhuǎn)化效率。并且，制備不同材質(zhì)的耐鹽型光熱材料，需要對材料進(jìn)行多種測試并不斷擬合修正才能最終確定孔隙閾值，實(shí)現(xiàn)過程繁瑣。另外，隨著水分蒸發(fā)，鹽分并沒有分離出蒸發(fā)體系，而是進(jìn)行聚集并逐漸形成結(jié)晶，最終堵塞材料孔隙，這是對光熱材料在長效耐鹽性能方面的重大挑戰(zhàn)。

2 耐鹽型蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)理念與研究現(xiàn)狀

在蒸發(fā)過程中，擺脫光熱材料本身的束縛，將溶液中的鹽遷移出蒸發(fā)體系，不失為增強(qiáng)耐鹽性的另一有效方法。從這一角度設(shè)計(jì)理念出發(fā)，研究者除了在光熱材料上進(jìn)行耐鹽性設(shè)計(jì)，還在整個(gè)蒸發(fā)體系內(nèi)尋找提升耐鹽性能的突破點(diǎn)，設(shè)計(jì)具有高效耐鹽性能的蒸發(fā)器。目前，研究者通過調(diào)控鹽溶液的溶度和鹽的結(jié)晶位置已設(shè)計(jì)了多種耐鹽型蒸發(fā)器，具體包括高濃度鹽水分離設(shè)計(jì)[34,59-60]和遷移-定位結(jié)晶[33,61-66]等耐鹽型太陽能界面蒸發(fā)器。

2.1 分離高濃度鹽水式太陽能蒸發(fā)器

Zhang 等[59-60]提出了一種流體光熱結(jié)構(gòu)，通過操縱單向的海水流體，在鹽濃度達(dá)到結(jié)晶極限之前將濃縮后的鹽水排出蒸發(fā)系統(tǒng)，從而消除了鹽在太陽能蒸發(fā)器表面沉淀的可能性，在長期的蒸發(fā)過程中完全防止鹽分的產(chǎn)生。該團(tuán)隊(duì)[59]首先提出了一種由MOF衍生的介孔碳片（MC-NFAs），作為從鹽水流中高效提取清潔水的太陽能-熱能橋梁，采用該裝置在鹽水（3.5%）中持續(xù)150min 的蒸發(fā)過程中可以提供高于1.6kg/(m2·h)的水提取率，經(jīng)過50 次的水提取循環(huán)，MC-NFAs 表面沒有鹽結(jié)晶的產(chǎn)生。此外，該流體系統(tǒng)對一些不溶性雜質(zhì)（如藻類和懸浮顆粒）也可以起到過濾作用。隨后他們[60]用聚苯胺/纖維素紙雙層結(jié)構(gòu)（PANI/CP）證明了這種獨(dú)特的流體光熱結(jié)構(gòu)。PANI/CP 在潤濕狀態(tài)下具有98%高吸光度，在1 個(gè)太陽下的平均蒸發(fā)率高達(dá)1.56kg/(m2·h)，在100h 的耐鹽測試中，流體光熱結(jié)構(gòu)有效防止了鹽的形成，其性能沒有明顯的下降。流體光熱結(jié)構(gòu)對很多平面太陽能蒸發(fā)器具有普遍的適用性，這對于海水淡化過程中的長期耐鹽具有重要的意義，除此之外，該裝置可以同步發(fā)電。

Liu 等[34]設(shè)計(jì)了一種通過懸掛織物的間歇接觸蒸發(fā)系統(tǒng)[圖4(a)]，織物的兩端置于海水箱中，通過毛細(xì)作用傳輸水流?；⌒慰椢锏纳舷卤砻姹┞队诳諝庵校诜乐篃崃繐p失的同時(shí)進(jìn)行雙面蒸發(fā)，使得該蒸發(fā)器具有1.94kg/(m2·h)的蒸發(fā)速率。在該系統(tǒng)中，懸掛織物成弧形，在太陽能蒸發(fā)過程中，高濃度的鹽水聚集在弧形織物的底層，最后掉下來收集。在21%的NaCl 溶液中進(jìn)行12h的蒸發(fā)過程中，蒸發(fā)速率一直保持在1.9kg/(m2·h)左右，同時(shí)織物上未曾觀察到鹽的積累。隨后Liu 等[67]受向日葵啟發(fā)制備了分層的聚丙烯腈@硫化銅（PAN@CuS）織物，并開發(fā)了一個(gè)各向異性的蒸發(fā)模型。夾層的棉織物（PAN@CuS/棉/PAN@CuS）的兩個(gè)邊緣固定在不同高度的水箱中。高處的水箱里裝滿了海水，而低處的水箱最初是空的，用來收集濃縮后的鹽水。當(dāng)織物的傾斜角為30°時(shí)，蒸發(fā)率達(dá)到2.23kg/(m2·h)，并且在整個(gè)100h的蒸發(fā)試驗(yàn)中幾乎保持不變，織物表面沒有出現(xiàn)固體鹽晶體，這是因?yàn)閮A斜的織物使海水中的溶質(zhì)有效轉(zhuǎn)移和富集，從而避免了固體鹽在織物上的結(jié)晶。與傳統(tǒng)的浮動模型相比，各向異性模型在實(shí)際的太陽能脫鹽方面顯示出巨大的優(yōu)勢。

2.2 定位-遷移結(jié)晶太陽能蒸發(fā)器

雖然在蒸發(fā)過程中排出濃縮鹽水可以防止鹽結(jié)晶的產(chǎn)生，但高濃度鹽水會流回散裝水中，而不是被收集。在這種情況下，獲得寶貴礦產(chǎn)資源的機(jī)會被浪費(fèi)了，而且濃縮鹽水的直接排放可能造成環(huán)境污染。因此控制鹽結(jié)晶的位置，實(shí)現(xiàn)在空間上將鹽的結(jié)晶與水的蒸發(fā)隔離是一個(gè)有效的策略，可以將鹽的沉淀影響降到最低。

蒸發(fā)器內(nèi)部產(chǎn)生的溫度梯度會誘發(fā)馬蘭戈尼效應(yīng)，加速水從蒸發(fā)器底部向頂部流動的速度，導(dǎo)致海水蒸發(fā)過程中蒸發(fā)器上特定位置的鹽結(jié)晶。基于此效應(yīng)，Wu 等[61]設(shè)計(jì)了一種仿生3D 太陽能蒸發(fā)器，在一個(gè)太陽的照射下可以達(dá)到2.63kg/(m2·h)的高蒸發(fā)速率和大于96%的太陽能轉(zhuǎn)換效率。在高濃度鹽水（25% NaCl）中，鹽結(jié)晶發(fā)生在蒸發(fā)器的頂點(diǎn)位置，而頂點(diǎn)的鹽結(jié)晶對于蒸發(fā)器的性能幾乎沒有影響。此外仿生3D 蒸發(fā)器還可以凈化高濃度重金屬溶液（10%CoCl2，20%CuSO4·5H2O），表明其在未來具有極大的應(yīng)用潛力。Gao 等[62]制備的蜂窩狀織物具有倒金字塔形狀，鹽結(jié)晶更容易沉積在蜂窩單元的頂部，通過在暗場中的自然溶解去除。在20%NaCl 溶液中，蒸發(fā)速率可達(dá)到1.92kg/(m2·h)。Shao 等[63]報(bào)道了一種新型多級被動式太陽能蒸發(fā)器，結(jié)晶與蒸餾在蒸發(fā)器的不同區(qū)域分開進(jìn)行，在36h的連續(xù)測試中，蒸餾區(qū)的鹽度被限制在12%以下，結(jié)晶鹽僅在裝置外部積累。

Xia 等[33]設(shè)計(jì)的太陽能蒸發(fā)器由蒸發(fā)盤和用于傳輸溶液的棉線組成，其中蒸發(fā)盤是由吸光層（碳納米管）、水?dāng)U散層（超親水濾紙）和隔熱層（多孔聚苯乙烯泡沫）所組成。這種蒸發(fā)器主要是通過調(diào)整鹽溶液在光熱材料中的運(yùn)輸和分布，促使鹽結(jié)晶在蒸發(fā)盤的邊緣優(yōu)先結(jié)晶，并在重力的作用下實(shí)現(xiàn)鹽的分離和收集，可以實(shí)現(xiàn)從其他鹽溶液（如Na2SO4、KCl、CuSO4、CoCl2）中 收 集 鹽。在 連 續(xù)600h 的水蒸發(fā)和鹽收集的測試中，鹽結(jié)晶只發(fā)生在蒸發(fā)盤的邊緣，在整個(gè)過程中水的蒸發(fā)速率基本保持穩(wěn)定。該系統(tǒng)的提出對于太陽能蒸發(fā)器在可持續(xù)海水淡化、廢水資源回收等方面的實(shí)際應(yīng)用具有十分重要的參考價(jià)值。

Shi 等[64]利用硅/碳/硅（SCS）三層共軸纖維膜制備了一個(gè)杯狀光熱結(jié)構(gòu)作為三維太陽蒸發(fā)器，鹽結(jié)晶只發(fā)生在3D 杯狀結(jié)構(gòu)的壁面部分，在不高于15%的鹽溶液中長期運(yùn)轉(zhuǎn)（超過72h）時(shí)，杯底不會有鹽結(jié)晶的析出，杯壁的結(jié)晶可以使用刮刀去除以實(shí)現(xiàn)鹽結(jié)晶的收集。更有趣的是即使在25%的極高鹽濃度下運(yùn)行，在120h 內(nèi)水蒸發(fā)速率不會出現(xiàn)明顯的下降。這種蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)理念為處理高濃度鹽水過程中實(shí)現(xiàn)零液排提供了一種有前景的技術(shù)。Xu等[65]展示了一種基于紙張的太陽能蒸發(fā)器，通過調(diào)節(jié)吸收器內(nèi)的水平鹽濃度梯度來實(shí)現(xiàn)局部表面鹽沉淀，鹽優(yōu)先析出在蒸發(fā)器的外圍，成功解決了鹽結(jié)晶問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)鹽的回收。在10%的鹽溶液中，一天中該蒸發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)40.3%的集水效率和400g/m2的產(chǎn)鹽量。值得關(guān)注的是，該裝置還有望收集其他礦物鹽和微量元素。

針對目前大部分開發(fā)的光熱材料不具備耐鹽特性，本文作者課題組[66]基于咖啡環(huán)效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的遷移結(jié)晶裝置[圖4(b)]，以日常生活中最常見的親水性材料作為鹽遷移載體，配備在耐鹽效果欠佳的光熱材料邊緣，在15 天的耐鹽測試中，材料表面無鹽結(jié)晶，且能夠保持高效的光熱轉(zhuǎn)換效率，初步實(shí)現(xiàn)了光熱材料耐鹽性能的改善。該設(shè)計(jì)操作簡單，成本低廉，在海水淡化領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

2.3 非接觸式太陽能蒸發(fā)器

將蒸發(fā)器與溶液隔離是防止鹽結(jié)晶問題的策略之一。傳統(tǒng)的蒸發(fā)器因?yàn)槿芤号c蒸發(fā)器直接接觸進(jìn)行熱傳導(dǎo)，難免會出現(xiàn)鹽結(jié)晶現(xiàn)象。在非接觸蒸發(fā)器中，采用熱輻射和對流傳熱來代替熱傳導(dǎo)進(jìn)行傳熱可以防止鹽結(jié)晶的產(chǎn)生。Cooper等[68]開發(fā)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的非接觸式太陽能蒸發(fā)結(jié)構(gòu)，由蓄水池、吸收器、發(fā)射器、過熱器等組成，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。在一個(gè)太陽下運(yùn)行8h 使得100g 的3.5% NaCl溶液完全蒸發(fā)，蒸發(fā)器表面也沒有鹽結(jié)晶的析出，足以證明該無接觸蒸發(fā)器是完全耐鹽的。Bian等[69]提出了一種太陽能熱光汽化器（STPV），如圖4(c)所示，STPV主要由氣泡膜、吸收/發(fā)射器和支柱組成。該研究利用紅外光子作為熱源，可以在鹽分積累的情況下穩(wěn)定地蒸發(fā)水。當(dāng)處理20%的鹽水時(shí)，STPV 可以從沉積的鹽層中穩(wěn)定地蒸發(fā)水[在2 個(gè)太陽下的蒸發(fā)速率穩(wěn)定在1.19kg/(m2·h)]。Xu等[70]展示了一種受睡蓮啟發(fā)的分層結(jié)構(gòu)（WHS），該裝置由頂部太陽能吸收器和底部支架組成。太陽能吸收器的分層設(shè)計(jì)在吸收太陽光的同時(shí)排除水汽。類似于睡蓮的疏水表面使得水不能進(jìn)入吸收器，而是在中間位置形成一個(gè)薄水層。在10%鹽水中進(jìn)行8h 的蒸發(fā)測試，WHS 的表面保持清潔，同時(shí)蒸發(fā)速率保持著較高水平。這充分說明WHS 可以用來處理高鹽度鹽水或高濃度廢水。

2.4 自旋轉(zhuǎn)式太陽能蒸發(fā)器

在高濃度鹽水中蒸發(fā)時(shí)，隨著時(shí)間推移，鹽結(jié)晶開始在蒸發(fā)器的頂部析出，當(dāng)析出一定量的鹽結(jié)晶時(shí)，蒸發(fā)器的受力平衡被打破促使其自動旋轉(zhuǎn)，析出的鹽結(jié)晶重新溶解在溶液中，新的蒸發(fā)面將繼續(xù)進(jìn)行蒸發(fā)。依據(jù)這一原理，研究者們設(shè)計(jì)了圓柱形[71][圖4(d)]和球形[72]自轉(zhuǎn)式蒸發(fā)器以實(shí)現(xiàn)長期的耐鹽。圓柱形蒸發(fā)器需要在鹽結(jié)晶達(dá)到足夠的質(zhì)量時(shí)才能觸發(fā)自旋轉(zhuǎn)，積累的鹽結(jié)晶會阻擋光的吸收。同時(shí)在旋轉(zhuǎn)后需要重新加熱蒸發(fā)面，會造成部分熱量的損失，這導(dǎo)致其蒸發(fā)速率[1.41kg/(m2·h)]并不是很高。不同的是后者對于質(zhì)量不平衡的敏感度更高（僅15mg的鹽積累就可觸發(fā)蒸發(fā)器的自旋轉(zhuǎn)），縮短了鹽結(jié)晶對光的遮擋時(shí)間，雙蒸發(fā)區(qū)結(jié)構(gòu)在降低熱損失的同時(shí)可從環(huán)境吸收熱量，加之大的蒸發(fā)表面積使其即使在20% NaCl溶液中也具有2.06kg/(m2·h)的高蒸發(fā)速率。

3 耐鹽型光熱材料及蒸發(fā)器的性能分析

通過對光熱材料耐鹽性設(shè)計(jì)的原理進(jìn)行梳理（表1）和對不同鹽濃度的蒸發(fā)速率進(jìn)行對比（圖5），不難發(fā)現(xiàn)，目前對光熱材料耐鹽性評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)主要是在鹽溶液中進(jìn)行蒸發(fā)測試過程中樣品表面的鹽結(jié)晶程度及測試過程中的蒸發(fā)速率。其中，鹽溶液的最低濃度普遍采用的是海水中NaCl 的平均濃度3.5%，蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)所持續(xù)的時(shí)間較長，為了縮短測試時(shí)間同時(shí)考察更極端條件下的耐鹽性能，研究者通常將鹽溶液的濃度進(jìn)行提升，20% NaCl 溶液和25% NaCl 在耐鹽性測試中被廣泛使用，部分實(shí)驗(yàn)中對光照強(qiáng)度也適當(dāng)?shù)丶訌?qiáng)。而耐受周期的測試一般分兩種測試環(huán)境：一種是在模擬光源（一般為1kW/m2）的照射下，進(jìn)行長時(shí)間（6～15h）的連續(xù)蒸發(fā)測試；另一種是在室溫條件下進(jìn)行長效耐鹽性測試，時(shí)間周期一般在10～30 天左右。檢驗(yàn)光熱材料在經(jīng)過不同時(shí)間周期和不同濃度鹽溶液的耐鹽性測試后，光熱蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率的變化情況是對其耐鹽性優(yōu)劣的重要佐證。非耐鹽型光熱材料經(jīng)過鹽溶液蒸發(fā)測試后，蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率會明顯降低，而耐鹽型光熱材料的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率一般不受影響。對目前已發(fā)表的耐鹽型光熱材料的蒸發(fā)速率進(jìn)行分析，經(jīng)親水-垂向多級孔道結(jié)構(gòu)耐鹽性設(shè)計(jì)的光熱材料，其蒸發(fā)速率和耐鹽性能相對優(yōu)于其他設(shè)計(jì)方法，具有較明顯的優(yōu)勢。

圖5 不同鹽濃度的蒸發(fā)速率對比圖

4 結(jié)語與展望

SDIE 作為一種綠色、環(huán)保、清潔、高效的新興凈水技術(shù)，有望成為解決全球水資源短缺問題的有效方法。但目前研究的蒸發(fā)器在實(shí)際運(yùn)行過程中不可避免地會出現(xiàn)鹽的結(jié)晶積累，從而降低蒸發(fā)效率，甚至導(dǎo)致蒸發(fā)器報(bào)廢。本文綜合分析前人的研究成果，通過對耐鹽型SDIE 的最新研究進(jìn)展的系統(tǒng)性梳理，對目前該領(lǐng)域存在的共性問題的進(jìn)行提煉。不難看出，光熱材料耐鹽性能的提高主要依靠光熱材料本身的孔性能和浸潤性以實(shí)現(xiàn)鹽離子的有效回流和擴(kuò)散。其最主要的特征在于太陽能蒸發(fā)體系內(nèi)鹽離子以閉合的方式循環(huán)，這對光熱材料本身耐鹽性能的長效性提出了極大的挑戰(zhàn)。隨著SDIE的不斷發(fā)展和優(yōu)化，各類設(shè)計(jì)策略在解決耐鹽問題中發(fā)揮著重要的作用。然而，對于解決鹽結(jié)晶問題，太陽能界面蒸發(fā)目前仍存在以下幾點(diǎn)共性問題。

（1）高效的太陽能蒸發(fā)光熱材料依賴于材料本身的光吸收性能、孔性能、隔熱性能等因素的協(xié)同作用，但這些特性對光熱材料耐鹽穩(wěn)定性存在的影響并不明確。尤其是光熱材料的孔徑大小、曲度以及孔隙率等特征對于設(shè)計(jì)耐鹽型光熱材料具有重要的影響。因此，在今后的研究中需要進(jìn)一步深入、系統(tǒng)地分析光熱材料的孔性能與鹽結(jié)晶規(guī)律的相互作用機(jī)理。

（2）通過改變材料孔性能并不能從根本上解決光熱材料的耐鹽問題，因?yàn)殡S著水分的蒸發(fā)，鹽分并沒有分離出蒸發(fā)體系。隨著鹽分的聚集，結(jié)晶會逐漸形成，是光熱材料長效耐鹽性能方面的重大挑戰(zhàn)。因此，進(jìn)一步開發(fā)具有魯棒性的長效耐鹽型太陽能蒸發(fā)器，仍然是該方向上需要重點(diǎn)解決的瓶頸問題。

（3）大多數(shù)耐鹽性的測試是在模擬海水或?qū)嶒?yàn)室配置的NaCl 溶液中進(jìn)行，而真實(shí)水體環(huán)境中存在各種酸、堿、鹽、有機(jī)污染物和微生物，會嚴(yán)重影響光熱材料和蒸發(fā)器的長期穩(wěn)定性。目前報(bào)道的耐鹽型太陽能界面蒸發(fā)器由于缺乏在復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)以及對影響蒸發(fā)器中水/蒸汽輸送的微觀機(jī)制的不明確導(dǎo)致現(xiàn)有的技術(shù)水平與實(shí)際應(yīng)用之間存在較大差距。因此未來的研究可能需要對SDIE 的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行可行性研究，并不斷反饋完善耐鹽型太陽能驅(qū)動界面光熱材料及蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)與開發(fā)，來解決惡劣環(huán)境中的鹽結(jié)晶問題。