基于太阳能驱动水蒸发的系统设计及研究进展

杜运平，陈宇超，沙畅畅，王心妤，王文举

（1.南京威尔药业股份有限公司，江苏 南京210047；2.南京理工大学 能源与动力工程学院，江苏 南京210094）

随着全球人口数量的快速增长，在未来的几十年里，清洁水资源供应问题将会变得紧张，虽然现有的技术可以缓解水资源短缺的问题，但会加剧能源消耗，甚至对环境造成不利影响。因此，研究人员关于清洁水生产技术已经付出了巨大努力[1-5]。太阳能驱动水蒸发，利用太阳光作为可再生能源且对环境的影响小，是一种解决水资源短缺问题的有效方法。

由于水对太阳能的吸收率低，传统的太阳能驱动蒸汽发生系统的太阳能到蒸汽的转换效率低，而且需要投入大量资金和土地资源，限制其应用。随着光热材料的发展，出现了新型高效的太阳能驱动水蒸发系统，可以在不使用复杂光学聚光器的情况下驱动水蒸发。该方式是将光热材料集成到水源中，从而定位光吸收，进行热转换，使有效的热量传递到周围的水。

1 系统的优化策略

具有广泛的太阳能吸收光谱，并将太阳能高效地转化为热能来驱动水蒸发的太阳能吸收材料，是太阳能驱动水蒸发的第一个关键。人们已经开发和探索了多种太阳能吸收材料，如贵金属材料[6-10]、半导体材料[11-13]和碳基材料[14-19]等。对于不同的太阳能吸收材料，一般采用界面蒸发结构和芯吸结构来提高系统的蒸汽产生效率。

1.1 界面蒸发结构

由于太阳能吸收材料与其周围环境之间的热传递不断发生，因此必须确保将热能充分地导向系统的目标部分，即用于水的蒸发，以实现高效率。为了在宏观水平上提高它们的加热效率，可以采取各种措施来限制热损失。对于太阳能水蒸发的应用，常见的方法是将集热材料限制在水-空气界面，以便吸收的热量不会传递到大量水中而损失，如图1所示[2,15,20]。

图1 界面蒸发结构

吸收材料与环境的温度差越大，再辐射损失越明显，所以减少系统周围的水或空气流可以最小化对流损失。Z.Liu 等[21]用水膜或加热的水蒸气覆盖太阳能吸收材料，阻碍热量损失到20.0 ℃的环境中。结果表明，对于在44.2 ℃运行的系统，41.6 ℃蒸汽环境下的热量损失为辐射损失约1.8%，对流损失约2.6%，使1 个太阳强度下其效率约为88.0%。

1.2 芯吸结构

大多数汽化系统利用材料中芯吸层或通道的毛细作用，将水引到太阳能吸收材料的表面，在蒸发速率与毛细管作用所吸收水的速率相匹配的情况下，有效地提高了光热转换效率。这种芯吸结构分为内在芯吸和外部芯吸。

(1)内在芯吸。太阳能吸收器本身具有孔或通道，允许水通过毛细管力向上流。其中包括随机孔，例如存在于碳、石墨烯泡沫[2,18]或石墨烯气凝胶中的孔[17,22]；多孔有机材料，例如碳化蘑菇[23]；垂直柱状通道，例如火焰处理后的碳化木材（见图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阳能吸收器中的材料，其有时可用作支撑结构或绝缘层，同时也可以利用毛细管作用力进行输水。实例包括碳泡沫载体[25]、无尘纸[1,6,20]、微孔带[26]、多孔阳极氧化铝（AAO）[27-28]、多孔二氧化硅[29]、纳米纤维素气凝胶[30]、木材[24]、纤维素膜[31]和聚氨酯[32]。

图2 3D 多孔碳化木材的SEM 图[19]

2 光热蒸发系统

根据太阳能吸收材料在液体介质中的位置，光热蒸发系统可分为3 类：体积系统、界面系统和隔离系统。体积系统是将太阳能吸收材料分散在工作流体中，也称为纳米流体（见图3(a)）。界面系统是将太阳能吸收材料放置在大量工作流体的表面上（见图3(b)）。隔离系统是光吸收材料与水体几乎不直接接触的结构[5]。

图3 光热蒸发系统的类型[5]

2.1 体积系统

体积系统是直接通过分散在流体里的纳米颗粒进行太阳能吸收的光热蒸发系统。体积系统的两种可能机制：非平衡加热和平衡加热。

（1）非平衡加热。纳米颗粒在液体介质中有效地吸收太阳能，发生局域表面等离子共振（LSPR）效应，导致纳米颗粒温度的快速增加，使颗粒周围的水立即被加热并转变成蒸汽泡（纳米气泡）。系统产生蒸汽的导热性差，导致大量流体仍然处于过冷阶段。最后，气泡浮出水面从而释放蒸汽。以这种方式，可以产生蒸汽而不将整个体积的水加热到沸点。

（2）平衡加热。分散的太阳能吸收材料吸收光子能量以产生许多微热源，这些微热源共同转移到周围的水中，与大量流体达到热平衡。因此，蒸汽产生仅仅是由于体积流体温度的升高。

2.2 界面系统

体积系统的大量工作液体不可避免地被加热而易发生辐射、传导和对流热损失，导致其蒸汽产生效率较低。太阳能蒸发的界面系统可以使太阳能转化的热能限制在空气/液体界面中，仅界面处的水被加热，从而减少热量损失，实现优异的蒸发性能和高效的光热转换效率。由于有效的蒸发，吸收材料的表面温度较低，从而减少了吸收材料表面处的对流和辐射热损失。

实现界面加热系统的直接方法就是利用其表面疏水性、低密度或浮力，可选用自组装AuNP 薄膜[33]、空心碳球[34]、石墨烯片[15]、多孔材料碳泡沫[25]、无尘纸[1,6,20]、还原氧化石墨烯气凝胶[17]或AAO 基底[26,35]等，将太阳能吸收器漂浮在空气/液体界面处，同时利用多孔材料的毛细管芯吸效应，将水输送至界面处而形成蒸发位点（见图1），其水蒸发效率约提高至纳米流体的两倍。除了自浮动装置外，还有由轻质和疏水支架（聚丙烯（PP）网[36]、纱布[20]或碳纤维[37]）支撑的太阳能吸收材料组成的薄膜。M.Higgins 等[37]利用碳纤维织物（CF）实现了高效的太阳能驱动蒸汽产生。由于其宽带吸收，大孔结构和低导热性，碳纤维织物在入射光功率密度为1 kW/m2时显示出高的光热转换效率(60.2%)。

独立的界面系统通常为双层结构，顶层和底层具有不同的润湿性。顶层是太阳能吸收材料，其吸收太阳能而不接触大量水。底层旨在限制太阳能吸收材料产生的热量传导到下面的大量水中，并为太阳能吸收器提供机械稳定的支撑，以防止材料分散到水体中。另外，底层需要具有互连通道的微孔结构，以便有效供水到蒸发热点，且微米尺寸的孔比纳米孔更适合用于毛细管作用输送水[15]。无尘纸、AAO、纤维素[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结构、低密度和绝热性能，已被用作底层材料。底层的润湿性对蒸发性能产生影响，亲水性底表面由于被水完全润湿，所以实现高速率连续且稳定地蒸发液体（见图4(a)）。相反，对于疏水性底层，顶部太阳能吸收层不能被润湿，因此其限制了对液体的热传导。同时，在蒸发过程中，疏水性底层周围形成很多气泡，这些绝热气泡严重地限制了热量传递和水的输送，大大降低了蒸发速率（见图4(b)）。在强烈的太阳照射下，形成的气泡进一步生长并最终使太阳能热转换膜破裂[27]。

最近，还报道了具有特殊性质的自合成支撑层。W.Xu 等[40]合成了一种具有双层静电纺丝薄膜的柔性Janus 吸收器，实现了高效的太阳能海水淡化。该双层结构具有相反的化学性质，下层具有亲水性且孔隙率高，可以快速贮存水分；上层疏水且具备较高吸光率，可吸收阳光并把它转化为热能，同时防止盐在表面上积聚。在1 个太阳强度下，Janus 吸收器展示了高效的太阳能蒸汽发电效率（72.0%）和稳定的水输出。Q.Jiang 等[30]开发了一种rGO 和细菌纳米纤维素的新型双层混合生物泡沫，它具有高光学吸收、光热转换、热定位和优异的水输送功能，可在10 kW/m2时产生83.0%的太阳能蒸汽。

除了上述人造双层结构外，具有优异亲水性和有效水输送的垂直排列的微通道天然木材也可用作太阳能吸收器，并支持水蒸发[24]。

2.3 隔离系统

太阳能驱动的界面蒸发系统围绕以下几个关键部件：太阳能吸收器可以有效地吸收太阳辐射并将太阳辐射转换成热量，同时允许蒸汽透过表面；浮动的蒸发结构可以最大化蒸发速率并向加热区域供应液体；热绝缘体可以有效地减少太阳能转换的热能损失到大量液体中。

在以上界面系统中，由于加热界面和大量水之间的接触面积大，使它们之间产生大量热损失。为了进一步抑制热传导损失，已经设计并制造了将太阳能吸收器与大量水分离的各种隔离结构，以提高能量转换效率，并构造了由太阳能吸收器与一维水路连接组成的人工蒸发装置。Y.Li 等[41]将GO 柱插入多孔膨胀聚苯乙烯（EPS）基质中，形成太阳能吸收器（见图5）。GO 柱的毛细管效应使对齐的微通道内快速实现自下而上的水输送，同时减少了太阳能吸收材料与水体之间的接触面积，从而减少损失到水体中的热量。结果显示，该太阳能蒸汽装置在1 个太阳强度下的蒸发效率达到87.5%。

采用具有少量钻孔的热绝缘体输送液体，也可以直接大幅度消除向下的热损失。在这种情况下，蒸发表面和水体之间的接触面积最小化，减少直接传递到水体的热量。因此，进一步利用透明聚合物覆盖顶部，减少对流损失。然而，入射的太阳光会有不可避免的光学损失。将太阳能吸收材料放置仅有闭孔的绝热体（如聚苯乙烯泡沫）上，用亲水性纤维包裹热绝缘体，并通过纤维中的毛细管芯吸作用将水泵送到加热表面（见图6）。Z.Liu 等[21]报道了用碳涂层纸包裹的聚苯乙烯泡沫作为顶部表面上的二维水路和太阳能吸收器，在1 个太阳强度下的热效率约为88.0%。

图6 亲水材料包裹热绝缘体的结构[21]

为了严格达到隔热效果，L.Zhu 等[42]报告了一种新型弹性多孔海绵，可以自我限制和储存水，无需进行供水。超轻质富氮碳海绵具有良好的内部层次结构，多孔纤维可以无缝地相互连接。其元件和内置结构特征有利于宽带光吸收和单独的热定位，使碳海绵很容易地吸收水分，并在原位上进行有效的太阳能蒸发。通过海绵的毛细管作用，自密封的水被吸收并输送到永久的蒸发位点，从而在与大量水完全隔离的情况下进行蒸发（见图7）。此方法可以获得90.0%的热效率，其热效率高于任何常见的配置。

图7 碳海绵结构示意图[42]

3 太阳能光热转换的应用

随着光热材料研究的进步，人们对传统的太阳能蒸发产生了极大的关注，因为太阳能蒸发具有能量可持续性和环境影响小的优势。如前所述，太阳能水蒸发主要是通过蒸馏过程进行蒸汽产生和清洁水生产。目前，新兴研究已将太阳能水蒸发过程与其他相关应用相结合，包括海水淡化、污水处理等。

3.1 海水淡化

海水淡化是解决淡水紧缺比较实用的方法，常规的海水淡化主要有蒸馏法、反渗透膜法、渗析法、多效蒸馏法和多级闪蒸法等，但它们都需要消耗燃料或电力来驱动系统生产淡水，且造成环境污染、气候变暖。由可再生能源太阳能来驱动的可持续海水淡化是一种吸引人的淡水生产方法，其基本的能量利用方式是将太阳能转换成热能，驱动水的相变。与膜技术相比，尽管高度污染的水进料可能会增加海水淡化过程的复杂性，但太阳能驱动的海水淡化不容易受低质量水源和成分浓度变化的影响。

虽然通过太阳能吸收材料和低热损失系统可以实现高效的太阳能海水淡化，但是在海水淡化过程中，盐等在材料表面或孔隙中的沉积仍然是一个挑战。此外，如果材料需要在脱盐过程后进行后处理或反洗，则可能增加操作成本。

3.2 污水处理

对于常见的蒸发装置，温度升高可以加速蒸发过程，但也不可避免地导致不需要的残留物蒸发，并作为不纯的馏出物收集。相比之下，太阳能驱动水蒸发装置能够实现收集的馏出物不含大多数杂质和污染物，同时在剩余的水中留下不需要的残留物，例如矿物质、重金属和微生物有机体。因此，水净化与太阳能蒸发联系起来，能够去除水中各种可能的污染物。迄今为止，已经报道了两种不同的净化机制，即物理吸附和光催化降解。

碳基材料由于其优异的吸附能力而成为将水蒸发与净化功能相结合的候选材料。例如，空心碳球[34]可用于固定床油吸附和太阳能蒸发，碳纤维织物[37]和无尘纸上的rGO 膜[1]在太阳能蒸汽发生时，有效地去除工业废水中的有机污染物。该净化机理是基于材料的物理吸附，因为它们具有较大的比表面积、理想的表面官能团和多孔结构。另一种方法是在太阳能吸收材料中加入光催化剂，利用光催化降解原理除去有机污染物。例如，TiO2纳米结构整合到等离子体[43]和碳基材料[1,37]中，并通过光催化去除罗丹明B。在太阳能蒸发过程中，沉积在太阳能吸收材料表面的TiO2吸收紫外光，产生电子-空穴对，降解污染物罗丹明B，而可见光和近红外光被太阳能吸收材料吸收，用于光热转换驱动水蒸发。

4 结论与展望

对于高效的光热材料，采用多孔结构和界面蒸发结构，利用芯吸作用，可以达到良好的光热转换效率。搭建太阳能驱动水蒸发的界面系统，并完善界面系统的隔热效果，可以使蒸发效率达到90.0%以上。

然而，太阳能驱动水蒸发的应用也面临着一些重要的挑战，如光热材料在海水、淡水和工业废水中的长期稳定性和耐久性；海水淡化中会发生盐的沉积；水源中的挥发性有机物与冷凝水一起被收集；一些外界环境（间歇性日照和风等）的变化、太阳能吸收材料的结垢等带来的问题。因此，对于有良好的热/化学稳定性、可回收性和对各种环境兼容性的光热材料还需进一步研究。

此外，天然太阳能通量是稀释和扩散的，并且不足以引起足够的太阳能加热功率密度以实现大的蒸发速率。理论分析表明，即使没有任何热量损失，在大气压力下，环境通量为1 kW/m2的太阳辐射也不能直接驱动蒸汽产生。因此，大多数报道的太阳能蒸发系统需要在一定的光学浓度下，将水蒸气温度增加到100 ℃。然而，光学聚光器的使用增加了蒸发系统的额外复杂性和成本，并且由于抛物线槽或透镜对广谱太阳光的不完全聚集，导致一部分光学损失，这会减小太阳能到蒸汽的转换效率。为了不依赖光学聚光器，可以采用热聚集的方法扩大太阳能吸收面积与蒸发面积之比。