高效海水淡化的太陽能界面蒸發(fā)器研究進(jìn)展

摘 要：綜述基于光熱轉(zhuǎn)換原理的界面蒸發(fā)器（SDIE）的最新進(jìn)展，從性能評估指標(biāo)和材料設(shè)計(jì)思路的角度出發(fā)，分別介紹光熱轉(zhuǎn)換材料、基體和水輸送通道及其應(yīng)用于海水淡化的耐鹽設(shè)計(jì)，并簡單介紹SDIE的其他應(yīng)用領(lǐng)域，最后展望其在海水淡化領(lǐng)域待解決的問題和未來研究方向。

關(guān)鍵詞：太陽能；蒸發(fā)；海水淡化；光熱轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào)：S214.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

地球上水資源總量約為14億km3，分為淡水和鹽水，其中淡水資源只有3500萬km3，僅占水資源總量的2.5% ［1］。隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，生活與工、農(nóng)業(yè)用水量大大增加，加上水污染和水浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致淡水資源嚴(yán)重短缺。為了解決淡水資源短缺的現(xiàn)狀，聯(lián)合國倡導(dǎo)水資源的可持續(xù)利用，其中海水淡化是一個(gè)非常有效的方法。目前海水淡化法主要分為三類：膜分離法、蒸餾法和混合工藝。膜分離海水淡化法主要包括反滲透（reverse osmosis，RO）、正滲透（forward osmosis，F(xiàn)O）、電滲析（eletrodialysis，ED）以及納濾（nanofiltration，NF）等。目前商業(yè)上應(yīng)用最多的是RO，ED和NF商業(yè)化應(yīng)用還較少，而FO雖然能耗低，但由于其材料的壽命短、再生成本高以及水通量低等問題，商業(yè)化應(yīng)用尚不可行［2］。蒸餾法的主要工藝為多級(jí)閃蒸（multi-stage flash，MSF）和多效蒸餾（multi-effect distillation，MED），目前均已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。混合工藝是將膜分離法和蒸餾法結(jié)合起來，例如膜蒸餾（membrane distillation，MD）和NF相結(jié)合、RO與MSF相結(jié)合等［3］。盡管一些海水淡化方法取得了不錯(cuò)的成效，但無論是膜分離法還是蒸餾法，都是能量密集型工程，不可避免地需要消耗化石燃料，增加了溫室氣體的排放［4］。

為了解決這個(gè)問題，學(xué)者們一方面在不斷地研究新的膜材料或開發(fā)新的可持續(xù)工藝，另一方面也在研究利用可再生能源驅(qū)動(dòng)海水淡化的方法。其中太陽能作為一種可再生能源，利用其驅(qū)動(dòng)的高效界面水蒸發(fā)已成為研究熱點(diǎn)。太陽能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)器（solar-drived interfacial evaporator，SDIE）是實(shí)現(xiàn)界面水蒸發(fā)的核心，近年來隨著新型光熱材料和新的仿生設(shè)計(jì)理念的出現(xiàn)，SDIE得到不斷發(fā)展，由于其低成本和高效率的優(yōu)點(diǎn)，在海水淡化、水處理和蒸汽發(fā)電等應(yīng)用領(lǐng)域引起了極大的關(guān)注［5］。SDIE是一種能夠漂浮在水面上的復(fù)合材料，通過光熱轉(zhuǎn)換材料將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能，并將這些熱量只用于加熱水/空氣界面的水，從而實(shí)現(xiàn)高效的水蒸發(fā)。其基本組成如圖1所示，主要包括光熱材料、基體和水輸送通道。本文聚焦SDIE的研究進(jìn)展，首先介紹SDIE的性能指標(biāo)計(jì)算，再從材料的設(shè)計(jì)思路出發(fā)，分別介紹光熱轉(zhuǎn)換材料、基體和水輸送通道以及應(yīng)用于海水淡化中的耐鹽設(shè)計(jì)，并簡單介紹可擴(kuò)展的其他應(yīng)用領(lǐng)域，最后展望其在海水淡化領(lǐng)域待解決的問題和未來研究方向。

1 SDIE性能評估的指標(biāo)與計(jì)算

1.1 太陽光吸收率

照射到地面上的太陽光是一種波長范圍為300～2500 nm的電磁波（圖2a），可分為紫外區(qū)域（300～400 nm，占總光譜的3%）、可見光區(qū)域（400～700 nm，占總光譜的45%）和近紅外區(qū)域（700～2500 nm，占總光譜的52%）?；诠鉄徂D(zhuǎn)換原理，SDIE中的太陽能光熱轉(zhuǎn)換材料能夠吸收太陽光的能量并轉(zhuǎn)換成熱量，為水蒸發(fā)提供驅(qū)動(dòng)力。因此，太陽光吸收率是衡量光熱轉(zhuǎn)換材料的重要衡量指標(biāo)，一個(gè)良好的太陽能光熱材料應(yīng)在300～2500 nm的波長范圍具有較高的吸收率。當(dāng)入射角為[θ]時(shí)，太陽光吸收率[?（θ）]為300～2500 nm波長范圍內(nèi)總吸收太陽輻射與入射輻射之比［6］：

[?（θ）=3002500[1-R（θ，λ）]A（θ，λ）dλ3002500A（λ）dλ] （1）

式中：[λ]——水的蒸發(fā)潛熱，kg/kg。

1.2 熱損失

由于SDIE漂浮在水面上，太陽光照射后蒸發(fā)器的光熱層和下方的水體以及上方的空氣之間存在溫差，因此吸收太陽能轉(zhuǎn)換成的熱量除用于蒸發(fā)水外，還有一部分熱量通過熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射等方式散失到環(huán)境中（圖2a）。

1.2.1 熱傳導(dǎo)

由于太陽光沒有直射水體，因此光照前后水體溫度的上升只能是蒸發(fā)器通過向下的熱傳導(dǎo)將熱量傳遞給水體，這部分熱量可通過式（2）計(jì)算。

[Qcond=cMΔTW] （2）

式中：[c]——水的比熱容，為4.2 kJ/（kg·K）；[M]——光照結(jié)束后水的質(zhì)量，g；[ΔTW]——光照前后水體的溫度差，K。

對于一些具有特殊輸水通道和良好隔熱性能的材料，由于其水體溫差較小，一般采用式（3）計(jì)算。

[Qcond=kΔt/Δl] （3）

式中：[k]——蒸發(fā)器基體的熱導(dǎo)率，W/（m·K）；[Δt/Δl]——軸向溫度梯度，K/m。

1.2.2 熱對流

蒸發(fā)器與上方水蒸氣的對流熱損失可由牛頓冷卻定律計(jì)算：

[Qcov=h（T-TS）] （4）

式中：[h]——對流傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；[T]——光熱層的溫度，K；[TS]——環(huán)境溫度，K。

1.2.3 熱輻射

蒸發(fā)器與環(huán)境的熱輻射損失可通過Stefan-Boltzmann方程計(jì)算：

[Qrad=εσ（T4-T4S）] （5）

式中：[ε]——光發(fā)射率，%；[σ]——Stefan-Boltzmann系數(shù)，5.67×10-8 W/（m2·K4） 。

SDIE的熱損失主要是光熱層與水體之間的熱傳導(dǎo)損失［7］。因此，減少熱傳導(dǎo)損失可有效提高SDIE的蒸發(fā)效率，目前研究較多的是采用優(yōu)化水路的設(shè)計(jì)并結(jié)合隔熱材料的方法來最小化熱傳導(dǎo)損失。對流和輻射熱損失主要是SDIE頂部的蒸發(fā)界面與周圍環(huán)境的傳熱損失。使光熱層的表面盡可能均勻可有效降低熱對流損失，可采用以下3種方式來降低熱輻射損失：1）降低光熱層的界面溫度；2）增加光熱層的表面黑度；3）調(diào)整光熱層對可見光和近紅外光的吸收比例［8］。

1.3 蒸發(fā)性能

SDIE的蒸發(fā)性能是其能否實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵，可用蒸發(fā)速率（V）和蒸發(fā)效率（[η]）兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評估。由于在無光照下蒸發(fā)器也能蒸發(fā)一部分水，因此凈蒸發(fā)速率（[V*]）應(yīng)為光照條件下與黑暗條件下的蒸發(fā)速率之差，具體計(jì)算公式［9］為：

[V=m/At] （6）

[V*=Vlight-Vdark] （7）

[λ=1918.46×[（T+273）/（T+239.09）]] （8）

[η=V*（cΔTW+λ）/nqsolar] （9）

式中：[m]——蒸發(fā)過程中水的質(zhì)量損失，g；[A]——蒸發(fā)面積，m2；[t]——蒸發(fā)時(shí)間；[Vlight]——光照條件下蒸發(fā)速率，kg/（m2·h）；[Vdark]——黑暗條件下蒸發(fā)速率，kg/（m2·h）；[n]——太陽數(shù)量；[qsolar]—— 太陽光照強(qiáng)度，1 kW/m2。

盡管研究人員使用先進(jìn)的動(dòng)態(tài)軟件和數(shù)值模擬方法進(jìn)行了建模和熱損失計(jì)算，但大多數(shù)研究的光蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)都是在開放式系統(tǒng)中進(jìn)行的，并且通常會(huì)發(fā)現(xiàn)能量平衡和傳熱方面的誤差。例如水蒸發(fā)效率、熱傳導(dǎo)損失、熱對流損失、熱輻射損失和光反射能量損失這5個(gè)部分相加往往大于或小于100%。這歸因于一些物理參數(shù)（包括光熱層的溫度、蒸汽溫度和太陽光照強(qiáng)度等）的測量不精確，以及一些經(jīng)驗(yàn)系數(shù)選擇的不準(zhǔn)確。此外，對于一些能夠降低水的蒸發(fā)焓以及能夠從外界獲取能量的蒸發(fā)系統(tǒng)，計(jì)算得到的蒸發(fā)效率可能會(huì)超過100%。因此，在實(shí)際應(yīng)用中評價(jià)SDIE的蒸發(fā)性能時(shí)，蒸發(fā)速率比蒸發(fā)效率更重要。

2 SDIE的設(shè)計(jì)

一個(gè)良好的SDIE通常需要具備光熱轉(zhuǎn)換材料、基體以及水輸送通道。此外，SDIE應(yīng)用到海水淡化領(lǐng)域還需有合理的耐鹽設(shè)計(jì)，以保證其在海水中長時(shí)間的穩(wěn)定工作。

2.1 光熱轉(zhuǎn)換材料

光熱轉(zhuǎn)換材料是SDIE能夠產(chǎn)生蒸汽的關(guān)鍵，良好的光熱轉(zhuǎn)換材料應(yīng)具有寬且高的太陽能吸收波段和高光熱轉(zhuǎn)換效率，能夠吸收太陽輻射的能量并將其轉(zhuǎn)換成熱量。目前研究最多的光熱轉(zhuǎn)換材料可分成5類，即：金屬納米粒子、無機(jī)半導(dǎo)體、碳材料、有機(jī)高分子材料和MXene。

2.1.1 金屬納米粒子

金屬納米粒子具有強(qiáng)大的光吸收和光熱轉(zhuǎn)換的能力。當(dāng)入射光頻率與金屬表面上電子的振蕩頻率匹配時(shí)會(huì)發(fā)生等離子共振效應(yīng)，從而促發(fā)電子的集體激發(fā)并隨后產(chǎn)生熱電子，熱電子與入射電磁場相干振蕩，隨后這些受光激發(fā)的熱電子傾向于通過電子-電子散射過程釋放能量，從而提高金屬表面及其周圍的溫度（圖3a）［10］。目前研究較多的光熱納米金屬是金（Au），因其具有易于合成、穩(wěn)定性和生物相容性好等諸多優(yōu)勢，是等離子體基SDIE的最佳光熱材料之一［11］。文獻(xiàn)［12］通過在HNO3溶液中對極稀的Cu99Au1前驅(qū)體進(jìn)行脫合金，成功制備了具有分級(jí)結(jié)構(gòu)和超高孔隙率的自支撐黑

金薄膜（NPG）。得益于其獨(dú)特的分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)（超細(xì)多孔納米線以及它們之間的納米間隙），NPG薄膜在300～2500 nm波長范圍內(nèi)具有寬帶吸收，在1 kW/m2光照強(qiáng)度下的SDIE光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)94.5%（圖3b）。除了金納米粒子，研究者們還研究了其他金屬納米粒子。例如，文獻(xiàn)［13］通過皮秒激光技術(shù)處理金屬鋁板的表面，從而開發(fā)出一種高效的垂直鋁基SDIE。經(jīng)皮秒激光照射后的鋁表面（PLAL）呈灰黑色，且PLAL表面有規(guī)則的條形凹槽和微腔有助于其對太陽光的折射和吸收，PLAL表面在10～400 nm的寬太陽光譜中的平均光吸收率大于85%，但在可見光和近紅外區(qū)域的光吸收率為47%～85%。PLAL表面的微結(jié)構(gòu)還賦予了其反重力芯吸性能，在PLAL底部滴一滴水，水滴可在超短時(shí)間（1.3 s）內(nèi)迅速爬到頂部，有助于將水定向傳輸?shù)秸舭l(fā)區(qū)域。

雖然用于海水淡化的金屬納米光熱材料已有成效，但受限于其高成本和加工復(fù)雜等缺點(diǎn)，相關(guān)研究相對較少，并且這些缺點(diǎn)也不利于進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化。此外目前報(bào)道的采用金屬納米粒子基SDIE的光蒸發(fā)性能還較低，因此如果要將其用于實(shí)際的海水淡化，蒸發(fā)器的光蒸發(fā)性能還有待提升。

2.1.2 半導(dǎo)體光熱材料

半導(dǎo)體光熱材料具有合成簡便、成本低、不易光漂白和光降解等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型光熱材料，已被廣泛應(yīng)用于納米光熱診療領(lǐng)域［14］，其光熱轉(zhuǎn)換機(jī)理如圖3b所示，當(dāng)半導(dǎo)體材料受到光照后，如果光的能量大于帶隙的能量，就會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對，激發(fā)的電子最終返回低能級(jí)，并通過光子形式的輻射弛豫或聲子形式（熱量）的非輻射弛豫釋放能量（圖3a）［6］。文獻(xiàn)［15］采用一鍋法將功能化的MoS2納米片、殼聚糖和戊二醛交聯(lián)劑充分混合，隨后在冷阱中冷凍干燥，從而制備得到一種新型三維MoS2基光熱氣凝膠（圖4a）。

所制得的MoS2氣凝膠SDIE具有出色的太陽光吸收能力，在200～2500 nm寬光波長范圍內(nèi)光吸收率大于95%。一個(gè)太陽光照強(qiáng)度下，光蒸發(fā)速率和效率分別為1.27 kg/（m2·h）和88.0%（圖4b、圖4c）。文獻(xiàn)［16］通過犧牲模板法設(shè)計(jì)和制造了具有凹面結(jié)構(gòu)的空心CuS納米立方體，然后將CuS納米立方體通過聚乙烯醇（PVA）溶液附著在多孔三聚氰胺以增加對太陽光的吸收率（97.8%），還可通過降低對周圍環(huán)境的熱輻射和熱對流損失將熱量集中在蒸發(fā)表面。太陽能蒸汽實(shí)驗(yàn)表明，這種蒸發(fā)器在一個(gè)太陽光照強(qiáng)度下的蒸發(fā)效率約為91.5%。

2.1.3 碳材料

碳材料具有很強(qiáng)的光吸收能力，能通過晶格振動(dòng)將光能轉(zhuǎn)換為熱能。這是由于碳材料中的π電子的能級(jí)間隔緊密，很小的能量輸入就能將松散的電子從低能級(jí)的π軌道激發(fā)到較高能級(jí)的π*軌道。被激發(fā)的電子返回低能級(jí)軌道，通過電子-聲子耦合產(chǎn)生馳豫使能量轉(zhuǎn)移到整個(gè)原子晶格的振動(dòng)，進(jìn)而宏觀地提高材料的溫度［17］（圖3c）。目前研究較多的碳材料有碳納米管、石墨烯、炭黑和碳量子點(diǎn)等。文獻(xiàn)［18］以GO納米片和海藻酸鈉為原料，在溫和條件下通過共價(jià)交聯(lián)和氫鍵相互作用，并采用抗壞血酸對GO還原，從而制備了新型高度穩(wěn)定的rGO-SA氣凝膠。所制得的氣凝膠具有寬帶光吸收和輕質(zhì)多孔等優(yōu)點(diǎn)。干燥的rGO-SA在300～2500 nm波長范圍內(nèi)的平均光吸收率為95.87%，而潤濕狀態(tài)下的光吸收率可高達(dá)98.10%。此外，具有寬帶光吸收和良好可擴(kuò)展性的碳納米管也被認(rèn)為是一種很有前途的太陽能光熱轉(zhuǎn)換材料。文獻(xiàn)［19］將碳納米管（CNTs）與親水性納米纖維素（CNFs）復(fù)合，然后將其分散在水中形成高粘度的油墨（c-CNT）并涂覆在乙醇擴(kuò)散的聚苯乙烯（E-PS）薄膜上，最后進(jìn)一步熱處理形成有利于光吸收的褶皺紋理。在250～2500 nm波長范圍內(nèi)c-CNT涂層的平均光吸收率為96.3%。

此外，具有來源廣泛、便宜易得、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)的生物質(zhì)碳材料也受到了學(xué)者們的關(guān)注。例如將生物質(zhì)材料碳化或部分碳化可直接得到太陽能蒸發(fā)器，如木頭［20］、向日葵［21］和蘑菇［22］等。文獻(xiàn)［23］通過冷凍干燥和表面碳化得到具有雙層結(jié)構(gòu)的殼聚糖氣凝膠（CCS），通過控制碳化時(shí)間可改變CCS碳化的程度和碳化層的厚度（圖5a）。得益于黑色碳基體料的寬帶光學(xué)吸收以及CCS內(nèi)部垂直排列微米通道結(jié)構(gòu)（增強(qiáng)內(nèi)部對的入射光的折射以延長光路），CCS對可見光和紅外區(qū)域的透射率和反射率極低，表明其具有出色的光吸收率（圖5b）。在一個(gè)太陽光照強(qiáng)度下，CCS基SDIE的蒸發(fā)速率為1.76 kg/（m2·h）（圖5c）。

2.1.4 有機(jī)聚合物材料

一些黑色的有機(jī)聚合物材料也具有對太陽能波段高且寬的光吸收能力，入射光子可通過有機(jī)聚合物中的非輻射弛豫和分子振動(dòng)轉(zhuǎn)換為熱能。同時(shí)有機(jī)聚合物材料還可與水分子相互鍵合，促進(jìn)水分的蒸發(fā)［24］，例如聚吡咯、聚苯胺和聚多巴胺等。文獻(xiàn)［25］采用涂覆的方法將聚多巴胺（PDA）負(fù)載到纖維素氣凝膠（CA）的表面，從而制得PDA-CA蒸發(fā)器。由于其獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)、寬的太陽光光譜吸收和優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)，在一個(gè)太陽輻照度下，PDA-CA表現(xiàn)出約1.36 kg/（m2·h）的蒸發(fā)速率和86%的蒸發(fā)效率。此外，得益于上層超親水和下層超疏油的結(jié)構(gòu)，PDA-CA還表現(xiàn)出良好的抗油污性能，即使在油層覆蓋的海水條件下也能維持較好的蒸發(fā)性能（圖6）。

文獻(xiàn)［26］選用普通市售的親水、多孔聚氨酯泡沫（PUF）為基體，通過原位氧化聚合在其表面聚合一層聚吡咯（PPy）光熱材料，從而制備得到PPy-PUF界面蒸發(fā)器。黑色的PPy本身具有優(yōu)異的光吸收能力。此外，PPy在PUF表面可形成微褶皺結(jié)構(gòu)，有利于進(jìn)一步促進(jìn)光的吸收和轉(zhuǎn)化。經(jīng)計(jì)算，純PUF泡沫的光吸收率僅為38.5%，而PPy-PUF的光吸收率可達(dá)到95.6%。一個(gè)太陽光照強(qiáng)度下，PPy-PUF的蒸發(fā)速率為1.334 kg/（m2·h）。

2.1.5 MXene

MXene是一類新型二維納米材料，它是由幾個(gè)原子層厚度的過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物構(gòu)成，于2011年由Gogotsi的團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)［27］。MXene自誕生以來就因其獨(dú)特的平面結(jié)構(gòu)、化學(xué)多樣性和出色的理化特性而受到廣泛關(guān)注，并被廣泛應(yīng)用催化、超級(jí)電容器、分子分離、電磁波干擾屏蔽、生物醫(yī)藥等多個(gè)領(lǐng)域［28］。文獻(xiàn)［29］設(shè)計(jì)了一種水滴光加熱系統(tǒng)用以研究Ti3C2 MXene的光熱轉(zhuǎn)換性能，通過計(jì)算得出Ti3C2內(nèi)部的光熱轉(zhuǎn)換效率接近100%，是一類有前途的SDIE光熱轉(zhuǎn)換材料，此外還通過簡單的真空過濾制備了一種自漂浮的Ti3C2/PVDF薄膜，在一個(gè)太陽光照強(qiáng)度下，Ti3C2/PVDF薄膜的平衡溫度高達(dá)約75 ℃，證明了Ti3C2優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換能力。

盡管MXene具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效率，但其對太陽光的吸收能力較弱，需與其他光熱材料（如碳材料和半導(dǎo)體材料等）［30-33］結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)寬且高的吸收。此外，MXenes的光熱研究尚處于起步階段，其光熱轉(zhuǎn)換機(jī)理目前尚不完全清楚，可能歸因于其優(yōu)異的電磁干擾屏蔽效應(yīng)和局域表面等離子體共振效應(yīng)，需要進(jìn)一步探索和理解其光熱原理［34］。

2.2 基 體

除了采用高光吸收率的光熱轉(zhuǎn)換材料外，設(shè)計(jì)一個(gè)具有良好隔熱性能的可漂浮基體對于提高SDIE的蒸發(fā)性能也同樣重要?；w良好的隔熱性能夠減少光熱層熱量的熱傳導(dǎo)損失，實(shí)現(xiàn)熱定位。而自漂浮則是為了將熱量集中用于加熱蒸發(fā)界面處的水，實(shí)現(xiàn)高效的界面蒸發(fā)。通常用于SDIE的基體按尺寸厚度可分為薄膜和塊體。

2.2.1 薄膜基體

薄膜基體具有吸水性好、厚度薄、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，如棉布［35］、無塵紙［36］、無紡布［37］等。光熱轉(zhuǎn)換材料一般負(fù)載在薄膜基體的上表面，但由于薄膜基體厚度薄，光熱層的熱量容易通過基體傳導(dǎo)到水體，從而降低蒸發(fā)效率。此外，大多親水性薄膜基體無法實(shí)現(xiàn)自漂浮，吸水后會(huì)導(dǎo)致其下沉，因此需進(jìn)行疏水改性。文獻(xiàn)［38］制備了高效、靈活、重量輕且具有成本效益的等離子體功能化棉（PFC）納米復(fù)合材料，PFC納米復(fù)合材料含有金屬納米粒子，能強(qiáng)烈吸收太陽光并轉(zhuǎn)化為熱量。底部的棉纖維經(jīng)過2，4-甲苯二異氰酸酯（TDI）試劑的疏水改性后，表面的親水基團(tuán)被含有苯基的疏水基團(tuán)所取代。因此，棉纖維從固有的親水性變?yōu)槭杷裕拐舭l(fā)器漂浮在水面上，從而實(shí)現(xiàn)高效的界面蒸發(fā)。但疏水改性的方法比較復(fù)雜，且疏水改性劑對人體有毒害作用。因此，大多研究是在薄膜基體底部外加一個(gè)聚苯乙烯（PS）泡沫來實(shí)現(xiàn)自漂浮和良好的隔熱性能。文獻(xiàn)［35］通過逐層組裝的方法制備了一種新型MXene/碳納米管/棉織物蒸發(fā)器，并采用商業(yè)PS泡沫作為漂浮支撐物以及一束棉纖維作為一維水輸送通道，從而有效實(shí)現(xiàn)了良好的熱定位。

2.2.2 塊體基體

塊體基體一般是具有一定厚度、低密度和低熱導(dǎo)率的材料。如三聚氰胺、聚氨酯等多孔泡沫、天然的木材、聚丙烯酰胺和聚乙烯醇等水凝膠、殼聚糖、羥基磷灰石和纖維素等氣凝膠。太陽能光熱轉(zhuǎn)換材料一般是以簡單的共混或負(fù)載的方式與基體結(jié)合，相比于薄膜基體，塊體基體不但具有良好的自漂浮和隔熱性能，還具有良好的力學(xué)性能，更適用于實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)［39］通過磷酸二氫鋁粘結(jié)劑將空心玻璃微球（HGM）與三聚氰胺海綿（MS）結(jié)合，制備得到低熱導(dǎo)率、高機(jī)械強(qiáng)度和自漂浮能力的HGMAM基體，并隨后在其上表面涂覆一層聚吡咯（PPy）作為光熱層，從而制備得到適合長期蒸發(fā)和可擴(kuò)展的SDIE。此外，水凝膠還被報(bào)道能與水形成交聯(lián)的三維水合聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過調(diào)控聚合物與水的相互作用，可改變水凝膠中的水狀態(tài)以及水的相變行為，提高中間水的比例，從而降低水蒸發(fā)的能量需求（蒸發(fā)焓），提高蒸發(fā)性能［40］（圖7）。目前二維平面SDIE在一個(gè)太陽光照強(qiáng)度下的最高水蒸發(fā)速率為4.0 kg/（m2·h），就是由余桂華團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的以疏水改性的聚乙烯醇水凝膠為基體，納米Ti2O3作為光熱轉(zhuǎn)換材料的SDIE［41］。

2.3 水輸送通道

充足和持續(xù)的水供應(yīng)能充分發(fā)揮SDIE的蒸發(fā)能力。然而，基體與水的過度直接接觸不可避免地會(huì)使熱量散失到底部的水體，因此學(xué)者們提出限制水輸送通道的方法來解決這個(gè)問題。具體是指將用于蒸發(fā)的供給水通過狹窄的水路輸送到蒸發(fā)界面，從而減少基體與水的接觸面積。通常，按結(jié)構(gòu)尺寸可分為3D、2D和1D水輸送通道。

2.3.1 3D輸水通道

在SDIE中，3D輸水通道通常是指基體內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)，能夠通過毛細(xì)作用和親水性將水從蒸發(fā)器底部的水體連續(xù)輸送到頂部的蒸發(fā)界面，如大孔的聚丙烯酰胺水凝膠和無序多孔的石墨烯［42-43］。但水分填充孔道后會(huì)導(dǎo)致基體的熱導(dǎo)率上升，從而導(dǎo)致蒸發(fā)器的熱損失增加（圖8a）。此外，相比于無序的多孔結(jié)構(gòu)，有序垂直排列的3D孔道結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的水傳輸能力和隔熱性能（圖8b）。文獻(xiàn)［44］采用定向冷凍方法制備了具有垂直對齊通道的還原氧化石墨烯 （V-RGO） 泡沫SDIE。RGO的親水性和V-RGO 泡沫內(nèi)部的眾多垂直排列孔通道可將水分快速向上傳輸?shù)脚菽捻斆?，在一個(gè)太陽光照強(qiáng)度下蒸發(fā)水的速率為3.39 kg/（m2·h）。但水分填充孔道后，不可避免地會(huì)導(dǎo)致RGO泡沫隔熱性能顯著下降。

2.3.2 2D輸水通道

由于3D輸水通道的熱傳導(dǎo)損失較大，文獻(xiàn)［45］設(shè)計(jì)了一種具有2D輸水通道的SDIE，蒸發(fā)器頂部的氧化石墨烯（GO）膜能夠吸收太陽能并轉(zhuǎn)換為熱能，聚苯乙烯泡沫表面包裹的一層親水性纖維素薄膜作為2D輸水通道。這種將隔熱結(jié)構(gòu)與水運(yùn)輸結(jié)構(gòu)分離的設(shè)計(jì)不但可減少熱損失，還可大大降低對水量的依賴性，提高了蒸發(fā)效率（圖8c）。但稀薄的輸水層的水輸送速率較低，從而限制了光蒸發(fā)速率。

2.3.3 1D輸水通道

為了進(jìn)一步減少熱損失，學(xué)者們又將水輸送通道的尺寸從2D減小到1D。文獻(xiàn)［46］首次設(shè)計(jì)了一種具有一維水傳輸功能的SDIE，該蒸發(fā)器的太陽能吸收材料是多孔炭黑/氧化石墨烯（CB/GO）的復(fù)合層，通過3D打印技術(shù)將GO柱垂直打印在CB/GO復(fù)合層上，并在穩(wěn)定12 h后將打印好的骨架嵌入聚苯乙烯泡沫基體。GO柱的1D線性水路大大減少了蒸發(fā)器與水之間的直接接觸面積，而聚苯乙烯泡沫可有效防止熱量散發(fā)到水體中。文獻(xiàn)［47］采用更為簡便和低成本的一維水路設(shè)計(jì)，先將無塵紙（ALP）折疊起來，然后將其穿過EPE泡沫的中心孔并覆蓋在EPE泡沫上表面，從而形成1D輸水通道。此外，這種1D水路具有與2D水路不同的流向，能夠使鹽分在蒸發(fā)界面邊緣析出，因此還具有良好的耐鹽性（圖8d）。

最后，對近年來SDIE的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及其光蒸發(fā)性能進(jìn)行匯總，結(jié)果如表1所示。

2.4 耐鹽設(shè)計(jì)

盡管SDIE在蒸發(fā)速率和效率方面相比于傳統(tǒng)太陽能蒸餾法已經(jīng)提高了很多，但要想應(yīng)用到實(shí)際的海水淡化，還需要解決鹽分在加熱界面處的析出與累積的問題。鹽的累積一方面會(huì)增強(qiáng)光的反射，另一方面會(huì)堵塞水輸送通道，兩者都會(huì)使SDIE的蒸發(fā)速率和效率降低。解決鹽累積問題的常規(guī)方法包括清洗和物理去除，但這些方法會(huì)中斷連續(xù)生產(chǎn)，從而導(dǎo)致運(yùn)營成本的增加和生產(chǎn)效率的下降，因此耐鹽設(shè)計(jì)對于SDIE同樣重要。目前耐鹽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路有兩條：一是在蒸發(fā)界面處保持較低的鹽離子濃度，使鹽分不析出；二是及時(shí)遷移已析出的鹽，防止鹽分在SDIE中累積。前者可通過增強(qiáng)水體與SDIE的流體對流，提供蒸發(fā)界面足夠多的水以降低鹽濃度或設(shè)計(jì)鹽阻斷機(jī)制，防止鹽離子接觸SDIE的蒸發(fā)界面來實(shí)現(xiàn)；而后者是將鹽分析出，然后將鹽分溶解遷移回水體或遷移出蒸發(fā)界面并收集起來。

2.4.1 限制鹽結(jié)晶

為了降低蒸發(fā)界面處的鹽濃度，文獻(xiàn)［54］設(shè)計(jì)了一種自驅(qū)動(dòng)的耐鹽蒸發(fā)器，將黑色金納米顆粒沉積在三聚氰胺樹脂海綿（BDS）上，可實(shí)現(xiàn)高效、無鹽和持久的太陽能海水淡化，它利用了BDS的強(qiáng)吸水性，在重力和毛細(xì)作用力的驅(qū)動(dòng)下，蒸發(fā)界面處的濃溶液和水體的稀溶液可自由交換，這樣海綿中鹽溶液的濃度始終達(dá)不到飽和狀態(tài)。除了采用強(qiáng)吸水性的材料外，還可通過增大輸水孔道來加速流體對流。文獻(xiàn)［55］通過3D打印制備了基于rGO的分級(jí)多孔SDIE，該SDIE由薄層多孔光熱界面（PI）和具有大尺寸多孔結(jié)構(gòu)的分級(jí)多孔傳輸?shù)耐ǖ谰W(wǎng)格（TC）構(gòu)成。PI和TC中構(gòu)建連通的多孔通道可有效提高SDIE的鹽傳輸通量，并降低鹽傳輸阻力，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)了在高鹽度溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%）下的快速蒸發(fā)速率，且連續(xù)工作10天蒸發(fā)界面無鹽分積累（圖9）。此外，將鹽離子限制在加熱界面之外，使蒸發(fā)界面鹽離子濃度維持不飽和狀態(tài)，也能實(shí)現(xiàn)SDIE的耐鹽性。文獻(xiàn)［56］報(bào)道了一種由疏水性炭黑（CB）涂層和親水性多孔聚氨酯-碳納米管（TPC）基體組成的Janus（疏水上層和親水下層的結(jié)構(gòu)）自浮海綿SDIE。疏水性CB涂層有助于排斥鹽水，隨著水分的蒸發(fā)，親水性/疏水性界面的鹽度逐漸提高，而具有多孔結(jié)構(gòu)和高吸水能力的TPC基體可用作快速的輸水通道，將高鹽度的水從親水/疏水界面轉(zhuǎn)移到低鹽度的水體中。即使在質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)25%的鹽度下也可實(shí)現(xiàn)高效的太陽能蒸汽產(chǎn)生，且蒸發(fā)界面沒有鹽分累積（圖9）。

2.4.2 鹽分遷移

在陽光照射下，SDIE能夠運(yùn)輸水體的鹽水到蒸發(fā)界面進(jìn)行水蒸發(fā)，使得蒸發(fā)界面與水體之間的鹽濃度梯度增加。而另一方面，一旦形成鹽濃度梯度，擴(kuò)散力就會(huì)驅(qū)使鹽離子從蒸發(fā)界面遷移至水體從而降低蒸發(fā)界面的鹽濃度?；诖?，文獻(xiàn)［57］開發(fā)了一種以自天然木材為原料的柔性防霉氣凝膠作為基體，Au納米顆粒修飾的還原氧化石墨烯（Au-rGO）作為光熱轉(zhuǎn)換材料的SDIE，所制得的蒸發(fā)器可實(shí)現(xiàn)鹽分的自清潔性，在太陽光照射下，第3個(gè)小時(shí)可看到蒸發(fā)界面上的鹽晶體，隨著蒸發(fā)時(shí)間的推移，鹽結(jié)晶不斷增多，然而停止光照后，鹽晶體又會(huì)在15 h后重新溶解到水體中而消失（圖9c）。這種方法雖然能夠解決鹽析出結(jié)晶的問題，但這相當(dāng)于將表面結(jié)晶的鹽直接排放回水體中，長時(shí)間后會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)表面和水體鹽濃度梯度減小，自清潔能力下降，需要定期更換水體。為了解決這一問題，學(xué)者們提出將水蒸發(fā)界面與鹽分析出界面分離的新耐鹽策略。例如，受到咖啡環(huán)效應(yīng)和晶核定律的啟發(fā)，即在蒸發(fā)過程中，從液滴中心向外的毛細(xì)管流動(dòng)將懸浮鹽顆粒帶到邊緣，懸浮鹽顆粒沿邊緣高度集中，然后最終以環(huán)狀方式沉積，遵循這一原則，文獻(xiàn)［58］設(shè)計(jì)了一種非常簡單但高效的MCD裝置，通過使用三根棉線遷移NaCl溶液來增強(qiáng)SDIE的耐鹽性，其中NaCl顆粒首先在露出水面部分的棉線邊緣形成結(jié)晶析出，隨著光照時(shí)間延長，棉線露出容器外的部分的鹽結(jié)晶逐漸增多，之后粘附在容器外壁上，從而避免了鹽分在蒸發(fā)界面處結(jié)晶，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)了鹽分和純凈水的收集（圖9d）。

3 SDIE的其他應(yīng)用

SDIE利用太陽能轉(zhuǎn)換成的熱量使水分蒸發(fā)，并通過冷凝收集得到純凈水。因此，在蒸汽冷凝過程中所釋放的蒸汽焓可儲(chǔ)存并用于發(fā)電，從而進(jìn)一步提高SDIE的太陽能轉(zhuǎn)換效率。文獻(xiàn)［59］首次提出存儲(chǔ)和回收冷凝過程的蒸汽焓的概念，采用石墨/非織造布作為光熱轉(zhuǎn)換材料，Bi2Te3作為熱電材料。該裝置能夠存儲(chǔ)和回收來自蒸汽冷凝過程的蒸汽焓，同時(shí)產(chǎn)生純凈水和電能。在30個(gè)太陽輻照度下光熱轉(zhuǎn)換效率為72.2%，額外發(fā)電效率為1.23%。此外，SDIE還可應(yīng)用于蒸汽殺菌和污水處理（包括重金屬污水、染料污水和油污水）等領(lǐng)域。高溫蒸汽不僅能殺滅細(xì)菌、真菌等微生物，而且對芽孢有致死作用。因此，研究人員可利用SDIE的高溫蒸汽進(jìn)行有效滅菌。文獻(xiàn)［60］設(shè)計(jì)了一種具有分層納米結(jié)構(gòu)的SDIE，集成了垂直取向的石墨烯納米片（VG）和高度多孔的石墨烯氣凝膠（GA），得益于VG/GA出色的光子吸收和隔熱性，實(shí)現(xiàn)了超快的太陽光熱響應(yīng)，在10個(gè)太陽輻照度下，1 s內(nèi)溫度升高了169.7 ℃，從而達(dá)到殺菌效果。在各種文獻(xiàn)報(bào)道中，SDIE去除常規(guī)金屬離子（K+、Ca2+、Na+和Mg2+）主要依賴于太陽能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)-冷凝。該方法對常規(guī)金屬離子的去除效率可達(dá)99.9%以上，得到的純凈水符合各種飲用水標(biāo)準(zhǔn)。而利用SDIE凈化重金屬污水主要依賴于太陽能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)-冷凝、吸附及其協(xié)同作用。得益于一些SDIE基體本身的化學(xué)性質(zhì)與獨(dú)特的微納米孔道結(jié)構(gòu)，蒸發(fā)時(shí)重金屬離子被吸附在基體的微納米孔道中，從而起到凈化重金屬污水的效果［61］。文獻(xiàn)［62］將可再生生物質(zhì)魔芋葡甘聚糖（KGM）與鐵基金屬有機(jī)骨架（Fe-MOF）作為光熱轉(zhuǎn)換材料引入PVA聚合物網(wǎng)絡(luò)體系制得HHE蒸發(fā)器。KGM可以提供的過量羥基通過與重金屬離子、有機(jī)染料形成氫鍵和螯合鍵實(shí)現(xiàn)有效的去除。此外，HHE對細(xì)菌還有殺滅作用。

4 結(jié)論與展望

得益于近年來的深入研究，各種良好的光熱轉(zhuǎn)換材料、基體和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)被相繼開發(fā)，SDIE在光吸收率、蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率等方面已取得突破性進(jìn)展（蒸發(fā)效率和速率超過理論最大值）。但目前太陽能界面蒸發(fā)器仍處于概念驗(yàn)證階段，在戶外性能、能量利用效率、熱管理和應(yīng)用擴(kuò)展等方面還存在許多亟待解決的問題。

1）目前大多數(shù)SDIE的蒸發(fā)性能是在1 kW/m2 的太陽輻照度下測得。在戶外條件下，考慮到季節(jié)、天氣條件和位置在內(nèi)的各種因素，實(shí)際照射到蒸發(fā)器上表面的平均太陽輻照度低于1 kW/m2，因此需繼續(xù)提升光熱轉(zhuǎn)換材料在低太陽輻照度下的光熱轉(zhuǎn)換性能。

2）基體的水輸送能力和隔熱性能通常是矛盾的，因此如何設(shè)計(jì)同時(shí)滿足SDIE快速的水運(yùn)輸和低的熱傳導(dǎo)損失的要求仍極具挑戰(zhàn)性。

3）目前，蒸發(fā)器的耐鹽性大多在3.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的NaCl溶液中進(jìn)行，應(yīng)當(dāng)探究其在高鹽度溶液中的蒸發(fā)性能。此外，實(shí)際海水中的重金屬離子、有機(jī)污染物和微生物等復(fù)雜物質(zhì)的存在會(huì)顯著影響其長期穩(wěn)定性，這還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

4）目前太陽能界面蒸發(fā)器已擴(kuò)展應(yīng)用于滅菌、發(fā)電、廢水處理等其他領(lǐng)域，可將海水淡化與其他太陽能驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用進(jìn)行合理結(jié)合，進(jìn)一步提高其實(shí)用性。

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RESEARCH PROGRESS OF SOLAR INTERFACIAL EVAPORATORS FOR HIGH-EFFICIENCY DESALINATION

Liu Qiang1，2，Xiao Weixin1，2，Luo Yuan1，2，Liao Bin1，Yan Kaiqi1，Zhang Jingjie1

（1. State Key Laboratory of Technologies in Space Cryogenic Propellants， Technical Institute of Physics and Chemistry，

Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China；

2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract：In this paper， the latest progress of SDIE based on the principle of photothermal conversion is reviewed. The photothermal conversion materials， substrates， water transport channels， and salt resistance design for seawater desalination are introduced respectively from the perspectives of performance evaluation indicators and material design ideas. Other scalable application fields of SDIE are also briefly introduced. Finally， the problems to be solved and future research directions of SDIE in seawater desalination are prospected

Keywords：solar energy； evaporation； desalination； photothermal conversion