杜運(yùn)平，陳宇超，沙暢暢，王心妤，王文舉

（1.南京威爾藥業(yè)股份有限公司，江蘇 南京210047；2.南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京210094）

隨著全球人口數(shù)量的快速增長，在未來的幾十年里，清潔水資源供應(yīng)問題將會(huì)變得緊張，雖然現(xiàn)有的技術(shù)可以緩解水資源短缺的問題，但會(huì)加劇能源消耗，甚至對(duì)環(huán)境造成不利影響。因此，研究人員關(guān)于清潔水生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)付出了巨大努力[1-5]。太陽能驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)，利用太陽光作為可再生能源且對(duì)環(huán)境的影響小，是一種解決水資源短缺問題的有效方法。

由于水對(duì)太陽能的吸收率低，傳統(tǒng)的太陽能驅(qū)動(dòng)蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的太陽能到蒸汽的轉(zhuǎn)換效率低，而且需要投入大量資金和土地資源，限制其應(yīng)用。隨著光熱材料的發(fā)展，出現(xiàn)了新型高效的太陽能驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)系統(tǒng)，可以在不使用復(fù)雜光學(xué)聚光器的情況下驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)。該方式是將光熱材料集成到水源中，從而定位光吸收，進(jìn)行熱轉(zhuǎn)換，使有效的熱量傳遞到周圍的水。

1 系統(tǒng)的優(yōu)化策略

具有廣泛的太陽能吸收光譜，并將太陽能高效地轉(zhuǎn)化為熱能來驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)的太陽能吸收材料，是太陽能驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)的第一個(gè)關(guān)鍵。人們已經(jīng)開發(fā)和探索了多種太陽能吸收材料，如貴金屬材料[6-10]、半導(dǎo)體材料[11-13]和碳基材料[14-19]等。對(duì)于不同的太陽能吸收材料，一般采用界面蒸發(fā)結(jié)構(gòu)和芯吸結(jié)構(gòu)來提高系統(tǒng)的蒸汽產(chǎn)生效率。

1.1 界面蒸發(fā)結(jié)構(gòu)

由于太陽能吸收材料與其周圍環(huán)境之間的熱傳遞不斷發(fā)生，因此必須確保將熱能充分地導(dǎo)向系統(tǒng)的目標(biāo)部分，即用于水的蒸發(fā)，以實(shí)現(xiàn)高效率。為了在宏觀水平上提高它們的加熱效率，可以采取各種措施來限制熱損失。對(duì)于太陽能水蒸發(fā)的應(yīng)用，常見的方法是將集熱材料限制在水-空氣界面，以便吸收的熱量不會(huì)傳遞到大量水中而損失，如圖1所示[2,15,20]。

圖1 界面蒸發(fā)結(jié)構(gòu)

吸收材料與環(huán)境的溫度差越大，再輻射損失越明顯，所以減少系統(tǒng)周圍的水或空氣流可以最小化對(duì)流損失。Z.Liu 等[21]用水膜或加熱的水蒸氣覆蓋太陽能吸收材料，阻礙熱量損失到20.0 ℃的環(huán)境中。結(jié)果表明，對(duì)于在44.2 ℃運(yùn)行的系統(tǒng)，41.6 ℃蒸汽環(huán)境下的熱量損失為輻射損失約1.8%，對(duì)流損失約2.6%，使1 個(gè)太陽強(qiáng)度下其效率約為88.0%。

1.2 芯吸結(jié)構(gòu)

大多數(shù)汽化系統(tǒng)利用材料中芯吸層或通道的毛細(xì)作用，將水引到太陽能吸收材料的表面，在蒸發(fā)速率與毛細(xì)管作用所吸收水的速率相匹配的情況下，有效地提高了光熱轉(zhuǎn)換效率。這種芯吸結(jié)構(gòu)分為內(nèi)在芯吸和外部芯吸。

(1)內(nèi)在芯吸。太陽能吸收器本身具有孔或通道，允許水通過毛細(xì)管力向上流。其中包括隨機(jī)孔，例如存在于碳、石墨烯泡沫[2,18]或石墨烯氣凝膠中的孔[17,22]；多孔有機(jī)材料，例如碳化蘑菇[23]；垂直柱狀通道，例如火焰處理后的碳化木材（見圖2）[19,24]和垂直排列的石墨烯薄膜[16]。

(2)外部芯吸。外部芯吸是添加到太陽能吸收器中的材料，其有時(shí)可用作支撐結(jié)構(gòu)或絕緣層，同時(shí)也可以利用毛細(xì)管作用力進(jìn)行輸水。實(shí)例包括碳泡沫載體[25]、無塵紙[1,6,20]、微孔帶[26]、多孔陽極氧化鋁（AAO）[27-28]、多孔二氧化硅[29]、納米纖維素氣凝膠[30]、木材[24]、纖維素膜[31]和聚氨酯[32]。

圖2 3D 多孔碳化木材的SEM 圖[19]

2 光熱蒸發(fā)系統(tǒng)

根據(jù)太陽能吸收材料在液體介質(zhì)中的位置，光熱蒸發(fā)系統(tǒng)可分為3 類：體積系統(tǒng)、界面系統(tǒng)和隔離系統(tǒng)。體積系統(tǒng)是將太陽能吸收材料分散在工作流體中，也稱為納米流體（見圖3(a)）。界面系統(tǒng)是將太陽能吸收材料放置在大量工作流體的表面上（見圖3(b)）。隔離系統(tǒng)是光吸收材料與水體幾乎不直接接觸的結(jié)構(gòu)[5]。

圖3 光熱蒸發(fā)系統(tǒng)的類型[5]

2.1 體積系統(tǒng)

體積系統(tǒng)是直接通過分散在流體里的納米顆粒進(jìn)行太陽能吸收的光熱蒸發(fā)系統(tǒng)。體積系統(tǒng)的兩種可能機(jī)制：非平衡加熱和平衡加熱。

（1）非平衡加熱。納米顆粒在液體介質(zhì)中有效地吸收太陽能，發(fā)生局域表面等離子共振（LSPR）效應(yīng)，導(dǎo)致納米顆粒溫度的快速增加，使顆粒周圍的水立即被加熱并轉(zhuǎn)變成蒸汽泡（納米氣泡）。系統(tǒng)產(chǎn)生蒸汽的導(dǎo)熱性差，導(dǎo)致大量流體仍然處于過冷階段。最后，氣泡浮出水面從而釋放蒸汽。以這種方式，可以產(chǎn)生蒸汽而不將整個(gè)體積的水加熱到沸點(diǎn)。

（2）平衡加熱。分散的太陽能吸收材料吸收光子能量以產(chǎn)生許多微熱源，這些微熱源共同轉(zhuǎn)移到周圍的水中，與大量流體達(dá)到熱平衡。因此，蒸汽產(chǎn)生僅僅是由于體積流體溫度的升高。

2.2 界面系統(tǒng)

體積系統(tǒng)的大量工作液體不可避免地被加熱而易發(fā)生輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流熱損失，導(dǎo)致其蒸汽產(chǎn)生效率較低。太陽能蒸發(fā)的界面系統(tǒng)可以使太陽能轉(zhuǎn)化的熱能限制在空氣/液體界面中，僅界面處的水被加熱，從而減少熱量損失，實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的蒸發(fā)性能和高效的光熱轉(zhuǎn)換效率。由于有效的蒸發(fā)，吸收材料的表面溫度較低，從而減少了吸收材料表面處的對(duì)流和輻射熱損失。

實(shí)現(xiàn)界面加熱系統(tǒng)的直接方法就是利用其表面疏水性、低密度或浮力，可選用自組裝AuNP 薄膜[33]、空心碳球[34]、石墨烯片[15]、多孔材料碳泡沫[25]、無塵紙[1,6,20]、還原氧化石墨烯氣凝膠[17]或AAO 基底[26,35]等，將太陽能吸收器漂浮在空氣/液體界面處，同時(shí)利用多孔材料的毛細(xì)管芯吸效應(yīng)，將水輸送至界面處而形成蒸發(fā)位點(diǎn)（見圖1），其水蒸發(fā)效率約提高至納米流體的兩倍。除了自浮動(dòng)裝置外，還有由輕質(zhì)和疏水支架（聚丙烯（PP）網(wǎng)[36]、紗布[20]或碳纖維[37]）支撐的太陽能吸收材料組成的薄膜。M.Higgins 等[37]利用碳纖維織物（CF）實(shí)現(xiàn)了高效的太陽能驅(qū)動(dòng)蒸汽產(chǎn)生。由于其寬帶吸收，大孔結(jié)構(gòu)和低導(dǎo)熱性，碳纖維織物在入射光功率密度為1 kW/m2時(shí)顯示出高的光熱轉(zhuǎn)換效率(60.2%)。

獨(dú)立的界面系統(tǒng)通常為雙層結(jié)構(gòu)，頂層和底層具有不同的潤濕性。頂層是太陽能吸收材料，其吸收太陽能而不接觸大量水。底層旨在限制太陽能吸收材料產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到下面的大量水中，并為太陽能吸收器提供機(jī)械穩(wěn)定的支撐，以防止材料分散到水體中。另外，底層需要具有互連通道的微孔結(jié)構(gòu)，以便有效供水到蒸發(fā)熱點(diǎn)，且微米尺寸的孔比納米孔更適合用于毛細(xì)管作用輸送水[15]。無塵紙、AAO、纖維素[31,38]和聚偏二氟乙烯（PVDF）膜[39]、碳泡沫、生物泡沫[30]、木材和二氧化硅等由于其多孔結(jié)構(gòu)、低密度和絕熱性能，已被用作底層材料。底層的潤濕性對(duì)蒸發(fā)性能產(chǎn)生影響，親水性底表面由于被水完全潤濕，所以實(shí)現(xiàn)高速率連續(xù)且穩(wěn)定地蒸發(fā)液體（見圖4(a)）。相反，對(duì)于疏水性底層，頂部太陽能吸收層不能被潤濕，因此其限制了對(duì)液體的熱傳導(dǎo)。同時(shí)，在蒸發(fā)過程中，疏水性底層周圍形成很多氣泡，這些絕熱氣泡嚴(yán)重地限制了熱量傳遞和水的輸送，大大降低了蒸發(fā)速率（見圖4(b)）。在強(qiáng)烈的太陽照射下，形成的氣泡進(jìn)一步生長并最終使太陽能熱轉(zhuǎn)換膜破裂[27]。

最近，還報(bào)道了具有特殊性質(zhì)的自合成支撐層。W.Xu 等[40]合成了一種具有雙層靜電紡絲薄膜的柔性Janus 吸收器，實(shí)現(xiàn)了高效的太陽能海水淡化。該雙層結(jié)構(gòu)具有相反的化學(xué)性質(zhì)，下層具有親水性且孔隙率高，可以快速貯存水分；上層疏水且具備較高吸光率，可吸收陽光并把它轉(zhuǎn)化為熱能，同時(shí)防止鹽在表面上積聚。在1 個(gè)太陽強(qiáng)度下，Janus 吸收器展示了高效的太陽能蒸汽發(fā)電效率（72.0%）和穩(wěn)定的水輸出。Q.Jiang 等[30]開發(fā)了一種rGO 和細(xì)菌納米纖維素的新型雙層混合生物泡沫，它具有高光學(xué)吸收、光熱轉(zhuǎn)換、熱定位和優(yōu)異的水輸送功能，可在10 kW/m2時(shí)產(chǎn)生83.0%的太陽能蒸汽。

除了上述人造雙層結(jié)構(gòu)外，具有優(yōu)異親水性和有效水輸送的垂直排列的微通道天然木材也可用作太陽能吸收器，并支持水蒸發(fā)[24]。

2.3 隔離系統(tǒng)

太陽能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)系統(tǒng)圍繞以下幾個(gè)關(guān)鍵部件：太陽能吸收器可以有效地吸收太陽輻射并將太陽輻射轉(zhuǎn)換成熱量，同時(shí)允許蒸汽透過表面；浮動(dòng)的蒸發(fā)結(jié)構(gòu)可以最大化蒸發(fā)速率并向加熱區(qū)域供應(yīng)液體；熱絕緣體可以有效地減少太陽能轉(zhuǎn)換的熱能損失到大量液體中。

在以上界面系統(tǒng)中，由于加熱界面和大量水之間的接觸面積大，使它們之間產(chǎn)生大量熱損失。為了進(jìn)一步抑制熱傳導(dǎo)損失，已經(jīng)設(shè)計(jì)并制造了將太陽能吸收器與大量水分離的各種隔離結(jié)構(gòu)，以提高能量轉(zhuǎn)換效率，并構(gòu)造了由太陽能吸收器與一維水路連接組成的人工蒸發(fā)裝置。Y.Li 等[41]將GO 柱插入多孔膨脹聚苯乙烯（EPS）基質(zhì)中，形成太陽能吸收器（見圖5）。GO 柱的毛細(xì)管效應(yīng)使對(duì)齊的微通道內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)自下而上的水輸送，同時(shí)減少了太陽能吸收材料與水體之間的接觸面積，從而減少損失到水體中的熱量。結(jié)果顯示，該太陽能蒸汽裝置在1 個(gè)太陽強(qiáng)度下的蒸發(fā)效率達(dá)到87.5%。

采用具有少量鉆孔的熱絕緣體輸送液體，也可以直接大幅度消除向下的熱損失。在這種情況下，蒸發(fā)表面和水體之間的接觸面積最小化，減少直接傳遞到水體的熱量。因此，進(jìn)一步利用透明聚合物覆蓋頂部，減少對(duì)流損失。然而，入射的太陽光會(huì)有不可避免的光學(xué)損失。將太陽能吸收材料放置僅有閉孔的絕熱體（如聚苯乙烯泡沫）上，用親水性纖維包裹熱絕緣體，并通過纖維中的毛細(xì)管芯吸作用將水泵送到加熱表面（見圖6）。Z.Liu 等[21]報(bào)道了用碳涂層紙包裹的聚苯乙烯泡沫作為頂部表面上的二維水路和太陽能吸收器，在1 個(gè)太陽強(qiáng)度下的熱效率約為88.0%。

圖6 親水材料包裹熱絕緣體的結(jié)構(gòu)[21]

為了嚴(yán)格達(dá)到隔熱效果，L.Zhu 等[42]報(bào)告了一種新型彈性多孔海綿，可以自我限制和儲(chǔ)存水，無需進(jìn)行供水。超輕質(zhì)富氮碳海綿具有良好的內(nèi)部層次結(jié)構(gòu)，多孔纖維可以無縫地相互連接。其元件和內(nèi)置結(jié)構(gòu)特征有利于寬帶光吸收和單獨(dú)的熱定位，使碳海綿很容易地吸收水分，并在原位上進(jìn)行有效的太陽能蒸發(fā)。通過海綿的毛細(xì)管作用，自密封的水被吸收并輸送到永久的蒸發(fā)位點(diǎn)，從而在與大量水完全隔離的情況下進(jìn)行蒸發(fā)（見圖7）。此方法可以獲得90.0%的熱效率，其熱效率高于任何常見的配置。

圖7 碳海綿結(jié)構(gòu)示意圖[42]

3 太陽能光熱轉(zhuǎn)換的應(yīng)用

隨著光熱材料研究的進(jìn)步，人們對(duì)傳統(tǒng)的太陽能蒸發(fā)產(chǎn)生了極大的關(guān)注，因?yàn)樘柲苷舭l(fā)具有能量可持續(xù)性和環(huán)境影響小的優(yōu)勢(shì)。如前所述，太陽能水蒸發(fā)主要是通過蒸餾過程進(jìn)行蒸汽產(chǎn)生和清潔水生產(chǎn)。目前，新興研究已將太陽能水蒸發(fā)過程與其他相關(guān)應(yīng)用相結(jié)合，包括海水淡化、污水處理等。

3.1 海水淡化

海水淡化是解決淡水緊缺比較實(shí)用的方法，常規(guī)的海水淡化主要有蒸餾法、反滲透膜法、滲析法、多效蒸餾法和多級(jí)閃蒸法等，但它們都需要消耗燃料或電力來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)生產(chǎn)淡水，且造成環(huán)境污染、氣候變暖。由可再生能源太陽能來驅(qū)動(dòng)的可持續(xù)海水淡化是一種吸引人的淡水生產(chǎn)方法，其基本的能量利用方式是將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能，驅(qū)動(dòng)水的相變。與膜技術(shù)相比，盡管高度污染的水進(jìn)料可能會(huì)增加海水淡化過程的復(fù)雜性，但太陽能驅(qū)動(dòng)的海水淡化不容易受低質(zhì)量水源和成分濃度變化的影響。

雖然通過太陽能吸收材料和低熱損失系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高效的太陽能海水淡化，但是在海水淡化過程中，鹽等在材料表面或孔隙中的沉積仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。此外，如果材料需要在脫鹽過程后進(jìn)行后處理或反洗，則可能增加操作成本。

3.2 污水處理

對(duì)于常見的蒸發(fā)裝置，溫度升高可以加速蒸發(fā)過程，但也不可避免地導(dǎo)致不需要的殘留物蒸發(fā)，并作為不純的餾出物收集。相比之下，太陽能驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)收集的餾出物不含大多數(shù)雜質(zhì)和污染物，同時(shí)在剩余的水中留下不需要的殘留物，例如礦物質(zhì)、重金屬和微生物有機(jī)體。因此，水凈化與太陽能蒸發(fā)聯(lián)系起來，能夠去除水中各種可能的污染物。迄今為止，已經(jīng)報(bào)道了兩種不同的凈化機(jī)制，即物理吸附和光催化降解。

碳基材料由于其優(yōu)異的吸附能力而成為將水蒸發(fā)與凈化功能相結(jié)合的候選材料。例如，空心碳球[34]可用于固定床油吸附和太陽能蒸發(fā)，碳纖維織物[37]和無塵紙上的rGO 膜[1]在太陽能蒸汽發(fā)生時(shí)，有效地去除工業(yè)廢水中的有機(jī)污染物。該凈化機(jī)理是基于材料的物理吸附，因?yàn)樗鼈兙哂休^大的比表面積、理想的表面官能團(tuán)和多孔結(jié)構(gòu)。另一種方法是在太陽能吸收材料中加入光催化劑，利用光催化降解原理除去有機(jī)污染物。例如，TiO2納米結(jié)構(gòu)整合到等離子體[43]和碳基材料[1,37]中，并通過光催化去除羅丹明B。在太陽能蒸發(fā)過程中，沉積在太陽能吸收材料表面的TiO2吸收紫外光，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，降解污染物羅丹明B，而可見光和近紅外光被太陽能吸收材料吸收，用于光熱轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)。

4 結(jié)論與展望

對(duì)于高效的光熱材料，采用多孔結(jié)構(gòu)和界面蒸發(fā)結(jié)構(gòu)，利用芯吸作用，可以達(dá)到良好的光熱轉(zhuǎn)換效率。搭建太陽能驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)的界面系統(tǒng)，并完善界面系統(tǒng)的隔熱效果，可以使蒸發(fā)效率達(dá)到90.0%以上。

然而，太陽能驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)的應(yīng)用也面臨著一些重要的挑戰(zhàn)，如光熱材料在海水、淡水和工業(yè)廢水中的長期穩(wěn)定性和耐久性；海水淡化中會(huì)發(fā)生鹽的沉積；水源中的揮發(fā)性有機(jī)物與冷凝水一起被收集；一些外界環(huán)境（間歇性日照和風(fēng)等）的變化、太陽能吸收材料的結(jié)垢等帶來的問題。因此，對(duì)于有良好的熱/化學(xué)穩(wěn)定性、可回收性和對(duì)各種環(huán)境兼容性的光熱材料還需進(jìn)一步研究。

此外，天然太陽能通量是稀釋和擴(kuò)散的，并且不足以引起足夠的太陽能加熱功率密度以實(shí)現(xiàn)大的蒸發(fā)速率。理論分析表明，即使沒有任何熱量損失，在大氣壓力下，環(huán)境通量為1 kW/m2的太陽輻射也不能直接驅(qū)動(dòng)蒸汽產(chǎn)生。因此，大多數(shù)報(bào)道的太陽能蒸發(fā)系統(tǒng)需要在一定的光學(xué)濃度下，將水蒸氣溫度增加到100 ℃。然而，光學(xué)聚光器的使用增加了蒸發(fā)系統(tǒng)的額外復(fù)雜性和成本，并且由于拋物線槽或透鏡對(duì)廣譜太陽光的不完全聚集，導(dǎo)致一部分光學(xué)損失，這會(huì)減小太陽能到蒸汽的轉(zhuǎn)換效率。為了不依賴光學(xué)聚光器，可以采用熱聚集的方法擴(kuò)大太陽能吸收面積與蒸發(fā)面積之比。