界面光热转换水蒸发系统用纤维材料的研究进展

葛 灿， 张传雄， 方 剑

(1. 苏州大学 纺织与服装工程学院， 江苏 苏州 215021； 2. 苏州大学 现代丝绸国家工程实验室，江苏 苏州 215123； 3. 纺织工业科学技术发展中心， 北京 100020)

淡水资源和化石能源的日益匮乏已成为制约全球社会发展和进步的重要因素，而且化石能源的过度利用也造成了严重的环境污染。太阳能是地球表面最具有利用前景的可再生能源，太阳每秒照射到地球上的能量相当于燃烧500×104t煤释放的热量。只要能够利用到达地球表面太阳能总量的0.1%，就足以满足全球每年的能源需求[1]。光热转换技术可综合利用水资源和太阳能资源，通过加热水体产生蒸汽，可应用于海水淡化、消毒灭菌以及能量收集等。这项技术使用清洁的太阳光作为唯一能源，可以成为补充陆地淡水供应的重要途径，具有巨大的发展前景[2]。

经过多年努力，界面光热转换水蒸发系统的光热转换效率已得到显著提升。为获得稳定高效的界面光热转换水蒸发效率，选择合适的输水材料与结构具有重要意义[3]。同时，在蒸发过程中累积的盐分会削弱光吸收量，并阻塞输水通道和蒸汽逸出通道，导致蒸发效率降低和性能不稳定[4]，因而需要设计出低成本、高效，且可自调节的拒盐结构[5-6]。

除追求高光热转换效率，未来的发展更应关注如何让界面光热转换水蒸发系统从实验室走向工厂，要着重提升系统的环保性、耐用性、不同材料之间的兼容性、大规模工业化应用的可行性等。纤维材料种类繁多，有特殊的柔韧性和力学强度，具有功能多样化、轻质、成本低和可裁剪性等优势。在界面光热转换水蒸发系统中使用纤维材料可在保障系统出色的效率和性能的同时，减少制造和运行成本并提升实用性，有助于推动此项新技术早日实现实际应用[7]。本文综述了界面光热转换水蒸发技术的主要原理、发展历程和应用领域，重点介绍了纤维材料在界面光热转换水蒸发系统中应用的研究现状，并针对该领域目前所面临的挑战，分析展望纤维材料在界面光热转换水蒸发体系中的应用前景。

1 光热转换技术

1.1 光热转换作用原理

光热转换材料可有效地吸收太阳光能量，将其转换为热能用于水体蒸发。相比于自然条件下的水体蒸发，使用光热转换材料能够极大地加快蒸发速率，并迅速产生蒸汽[8]。常用的光热转换材料有等离子基材料、半导体材料和碳基材料等。半导体材料和等离子基材料相对而言由于稳定性和成本问题，难以大规模投入生产使用[9]。碳基材料呈现天然黑色，有很强的宽带谱光吸收能力，成本低且稳定性高[10]。除此之外，碳基材料具有良好的加工性能，易与其他性能优良的材料复合，制造出高效光热转换系统所需的各种结构[11]。这些特性使得碳基材料成为最有希望实际应用的光热转换材料之一。

1.2 光热转换体系演变

为将光能转换后产生的热量集中用于加热水体，提高能量利用效率，光热转换体系经历了底部加热、整体加热、界面加热的逐步演变过程，如图1所示[12]。

图1 光热转换体系演变过程Fig.1 Evolution of solar steam generation system

1.2.1 底部加热

太阳能蒸馏是最常见的底部加热系统。将光热转换材料放置在容器底部，当太阳光照射到材料上后散发热量加热水体产生蒸汽。该设计中热量在容器底部产生，而蒸汽在液体中上层产生，从产生热量到表面蒸发的过程中，大量的热量用于加热整个水体，用于产生蒸汽的热量只占少数，造成了严重的热量损失，蒸发效率只有40%左右。

1.2.2 整体加热

整体加热是将能够直接吸收太阳能进行光热蒸发的纳米粒子均匀地分散在液体中。由图1可知，相对于底部加热，整体加热系统中大量热量已从液体底部转移到中上层，但蒸发效率只能实现小幅度提高，远不能满足实际应用的要求；且纳米粒子在长期太阳光辐射下的稳定性和分散性，以及在回收液体时如何分离纳米粒子而不对水体造成污染都是该体系面临的难题。

1.2.3 界面加热

受整体加热的启发，为进一步减少局部加热的水量，最大程度地减少不必要的热量损耗，设计出了界面加热系统。由图1可知，界面加热系统将能量转换和蒸汽产生都集中在气-液界面，仅有表层水体被加热，底层水体几乎没有升温，最大化地利用了热能。与底部加热和整体加热系统相比，界面加热表现出更高的能量转换效率和蒸发速率，以及更出色的可重复使用性、耐用性和环保性[13]。

图2示出界面光热转换水蒸发系统组成示意图[14]，多为由光热转换层和辅助层复合的多层蒸发结构[15]。当太阳光照射到光热转换层时被转换为热能用于水蒸发，而辅助层的主要功能为输送水分和减少热量损失[16]。

图2 界面光热转换水蒸发系统示意图Fig.2 Schematic diagram of interfacial solar steam generation system

界面加热系统有着良好的简便性、独立性、高效性和耐用性，所用材料应具有以下特性：光热转换材料具有宽带谱光吸收性，密度低可浮在水面；隔热材料导热系数小，可集中热量减少热量损耗；输水材料具有高亲水性，可保障水分的持续输送；整体结构孔隙度高，可最大化与水体接触且便于排出蒸汽[17]。

2 光热转换水蒸发的应用领域分析

2.1 海水淡化

使用界面光热转换水蒸发技术可将海水、湖水、河水，甚至是污水转换为符合健康标准的清洁饮用水。图3示出界面光热海水淡化模型图[18]。

图3 光热海水淡化模型示意图Fig.3 Schematic diagram of photothermal desalination setup

图中左侧是高盐度海水，在气-液界面放置光热转换材料，入射光照射到光热转换材料表面将光能转换为热能用于海水蒸发，蒸发后的水蒸汽遇到冷的玻璃罩凝结，由于重力作用，水滴沿着玻璃罩下滑，最终在右侧的收集池内蓄积淡水。

2.2 杀菌消毒

为获得符合健康标准的饮用水，需要对水体进行有效的杀毒灭菌。传统的杀菌消毒方法是使用臭氧或氯化物等消毒剂，这种方法副作用明显，影响水质。部分新型抗菌剂如银粒子、抗菌肽等效果较好，但成本和实用性仍无法满足需求[19]。将界面光热转换水蒸发技术用于杀菌是一种经济、简便且高效的方法。蒸发过程中产生的高温水蒸汽，使菌体在瞬时高温下发生蛋白质变性，结构被破坏变得不稳定，进而失去活性。为充分杀菌，需要大量供能以保证有足够高的蒸汽温度和足够长的蒸汽暴露时间，但众多经济不发达的地区无法承受相关成本。在这一应用中，界面光热转换水蒸发技术是由太阳光供能，光热转换材料的耐用性较好，唯一需要消耗替换的是水，因此，该技术成本低廉，使用价值高[20]。

2.3 光热发电

在光热转换海水淡化技术中，从太阳能输入到最终回收得到淡水的过程中存在巨大的能量浪费，若能对环境中各项能源充分利用，同时将太阳能转换为电能或化学能等其他能量[21]，将产生更高的经济、生态和社会价值。在界面光热转换水蒸发过程中，用光热转换膜上的温差或盐度差发电，是开发能量多元化利用，提高利用效率的有效方式。

盐度差发电是利用已蒸发淡化去盐的淡水和未处理的高盐度盐水间的盐度差，驱使水从浓度低的一侧流向浓度高的一侧，通过水流动带来的势能驱动发电机或利用水体中离子的传输产生电流[22]。温差发电是利用光热转换复合膜在不均匀的光照射下，不同位置水蒸发速率不均匀，蒸汽的气压差驱使水体在系统内部流动，将热能转换为水体流动的动能，光热转换膜自带离子电荷，水流的运动带动离子传输产生电流。图4示出温度差发电装置发电机制示意图[23]。

图4 温度差发电机制Fig.4 Mechanism of thermoelectric power generation

3 纤维材料在光热转换中的应用

在界面光热转换水蒸发领域中，材料的选择、改性和使用对于提升系统性能具有重要作用。纤维材料具有种类繁多、功能多样化、成本低、原料丰富、轻便耐用等优势。除此之外，纤维材料易于复合改性使得光热转换系统可具备更加丰富的功能。使用纤维材料不仅能提升界面光热转换水蒸发系统的运行效率，更有利于推动该技术走向规模化应用。例如，使用碳纤维[24]、活性炭纤维毡[25]、改性设计的纤维素纤维[26-27]、湿法纺丝制备的二维过渡金属碳/氮化物(MXene)纤维[28]作为光热转换材料；使用低成本的棉[29]、亲水性非织造布[30]、聚乙烯醇纤维[24,31]作为输水材料；使用改性中空纤维织物[32]、低导热系数的聚偏二氟乙烯-六氟丙烯纳米纤维膜[33]作为热量管理材料。以易于复合改性的纤维为原料，通过合理的结构设计可使光热转换系统具备出色的拒盐性能，增加循环使用寿命[4,34]。

3.1 界面光热转换材料

高效界面光热转换材料需要具有出色的光吸收性能以及光热转换性能。其中光吸收性能包括材料可吸收的太阳光谱的范围和对每个波长的光吸收能力，这需要其具有低的光发射率和高的光吸收率。光热转换材料会通过热辐射散失热量，特别是在较高温度下这种热辐射损失可能会很大，降低吸收体的热发射率可有效抑制这些辐射损耗[35]。

Lin等[26]以纤维素纤维为原料，将其放置在体积比为1∶25∶60的H2SO4、水、乙醇混合溶液中，再以160 ℃常压加热4 h得到炭化纤维素纤维，测得其在1 kW/m2光照条件下，光吸收率达到92.2%，水蒸发速率达到0.959 kg/(m2·h)，样品在循环使用20次后仍保持出色性能，具有强的光吸收性和低反射率。Li等[25]利用活性炭纤维毡高比表面积、良好的光吸收能力、低导热性、高孔隙率(93%)、低成本和优良的稳定性优势，辅之以悬浮隔热结构组成光热转换系统，根据红外光谱图显示，该系统中热量集中在界面用于蒸发，热量利用率高；由于表面粗糙，活性炭纤维毡的光反射率为5.8%，光吸收率为94%，在1 kW/m2光照下光热转换效率达到79.4%，水蒸发速率为1.22 kg/(m2·h)。

3.2 输水材料

输水材料设计时需要找到最佳的运行条件，使毛细作用吸收的水量与蒸发消耗的水量相匹配，从而获得最高的系统效率和最小的能量损失。若输水速率过高，大部分从水体中吸收的水分堆积在界面水蒸发系统表面，这会削弱到达光热转换材料的太阳光，使光热转换效率降低，输水速率与光热转换效率更加不匹配，产生恶性循环，导致水蒸发速率降低。若输水速率偏低，界面层上水量不够，由光能转换而来的热能无法得到充分利用，能量利用效率降低，也可导致水蒸发速率降低[36]。输水材料的结构设计多样、性能各异。三维多孔结构材料的芯吸能力最强，毛细作用效果最好，但孔隙中的水分会导致热导率增加，产生更多的传导热损失，减少了热量集中效果[37]。设计一维和二维输水通道可将隔热结构与输水结构分离，隔热结构中的气孔被设计成封闭结构，以减少热损失；而输水结构中的气孔是打开的，以保证水的充分和连续输送，使输水和隔热之间的矛盾需求得到平衡[14]。

Qi等[17]利用静电纺丝技术制备二氧化硅/羧化多壁碳纳米管/聚丙烯腈混合纳米纤维膜，用棉纱作为输水材料，吸水性能好的棉纱通过毛细作用将水份输送到蒸发表面。为便于观察，使用墨水测试棉纱的毛细管效应，其可在2 min内将水分吸附到15 cm高，优异的毛细管效应可确保脱盐过程中持续稳定输水。在1 kW/m2光照下该系统光热转换效率为82.52%，蒸发速率为1.28 kg/(m2·h)。

Li等[33]在膜蒸馏技术中使用真空辅助过滤将Fe3O4与聚偏二氟乙烯/六氟丙烯纳米纤维膜通过强界面黏合力结合。纳米纤维膜的孔径在膜蒸馏过程中对水蒸汽的扩散起着至关重要的作用，原因如下：首先，在具有合适孔径的情况下，由于蒸汽压差，高温的水蒸汽可快速通过孔；其次，较大的接触角可防止液体和盐离子渗透；最后，高孔隙率不仅增加了水分子的扩散速度，提高传质效率，而且降低了导热系数。

3.3 热量管理材料

热量传递的主要途径有热传导、热辐射以及热对流。降低热传导损失可通过使用低导热系数的隔热材料，减小系统内部、系统与环境之间的温差，将热量集中在界面加热层等。物体温度越高热辐射越剧烈，损失的能量越大，可通过增加有效蒸发面积的方式来降低光热转换材料表面的温度，减少热辐射损失。热对流往往是伴随热传导和热辐射产生的，解决方案与前二者相同。除减少热量的损失，还可通过利用潜热、回收损失的热量来提高效率。

图5示出活性炭-灯芯草光热转换水蒸发系统的扫描电镜照片[38]。灯芯草具有天然多孔结构，其纤维无缝互连形成开放的原纤维网络结构。Zhang等[38]以灯芯草为骨架结构，通过添加活性炭与其复合制备光热转换水蒸发材料。灯芯草开放的原纤维网络结构使入射光进入骨架并发生强散射和内部反射，使骨架中的水也被加热形成蒸汽，由于空气的导热系数低，多孔的原纤维骨架孔隙中充满了大量气体，可有效减少蒸汽产生过程中的热量损失。受榕树的启发，Zhang等[39]将涤纶设计成类似于榕树粗壮根茎的柱状管道，涤纶柱通过减少光热层与水体之间的接触面积，从而减少热量损失。类似于榕树从叶和根的两侧蒸腾过程，该分层结构利用织物蒸发层底面区域和涤纶柱的侧面区域用于蒸发，提高了能量利用效率。

图5 活性炭-灯芯草光热转换水蒸发系统的扫描电镜照片Fig.5 SEM images of activated carbon-juncus effusus solar steam generation system.(a)Cross-section；(b)Surface；(c)Radial section

Wu等[40]制备了由棉、硫化铜、琼脂糖气凝胶组成的界面光热转换水蒸发系统，棉棒通过浇铸改性后热导率达到0.04 W/(m·K)，可极大地减少从蒸发表面损失至底层水体的热量。以1 kW/m2的光强度照射1 h后，光热气凝胶的表面温度达到约33.5 ℃，而容器中水体的温度仍为加热前的24.1 ℃。 裸露棉棒的侧壁温度低于环境温度，能够从环境中吸收能量用于水蒸发，由于棉棒出色的热量管理性能，该系统的蒸发效率高达94.9%。

3.4 拒盐材料

随着光热转换效率的逐渐提高，在海水淡化应用中，海水中的盐分在光热转换材料表面的堆积会堵塞输水通道，降低蒸发效率并影响系统的稳定性。使用传统方法除盐会带来额外成本并有一定的操作难度，处理不慎将会损伤界面光热转换材料的性能，因此，需要设计出一种低成本、高效并有自调节功能的拒盐结构[41]。

Ni等[27]用亲水性黑色纤维素织物作为光热转换层，用白色纤维素织物作为输水拒盐结构，白色纤维素织物具有多孔性和亲水性，可将水吸至光热转换层，同时将浓缩的盐平流并扩散回水体中。将该装置悬浮在3.5% NaCl的模拟海水中，每天在1 kW/m2条件下光照5 h，测试7 d后未观察到盐堆积在表面。将该界面蒸发结构放置在3.5% NaCl的模拟海水中，并在其顶部放置40 g的白色固体颗粒NaCl，用强度为1 kW/m2的模拟光源照射，顶部的盐分逐渐被溶解，且蒸发反应仍正常进行，1 h后顶部盐分被完全溶解排出光热转换结构。该结构具有出色的拒盐性能，可长时间稳定运行并溶解和排斥盐类沉积物。

Li等[42]使用超亲水炭化绿藻和棉线制备出一种迁移结晶装置，与传统拒盐设计使盐分溶解到液体的原理不同，该设计使用棉线将盐分迁移，使盐分全部结晶在棉线上，通过直接清洗棉线上的盐分反复使用。将棉线的一端插入盐水中，另一端露出容器1～2 cm，由于NaCl溶液对棉线的附着力最强，且远大于内聚力，因此，NaCl溶液首先浸入棉线中，一旦有盐颗粒形成晶核，溶质颗粒顺序地堆叠在晶核表面上，使得晶核连续生长并形成结晶。在自然光照下进行太阳光蒸发实验时，随着时间的推移，棉线表面的盐结晶逐渐增加，而中间黑色部分的光热转换表面没有盐分累积，该设计可同时收集盐分和淡水，在连续反应15 d后光热转换过程仍可高效稳定运行。

综合近年来刊发的文章统计得出，若光热转换系统要具备出色的蒸发效果，光吸收率至少要达到90%以上，水蒸发效率至少要达到80%以上，热导率至少要低于0.05 W/(m·K)，蒸发速率至少要达到1 kg/(m2·h)以上。表1示出近年来使用纤维材料的光热转换系统的主要性能指标。可以看出，使用纤维材料可在保障系统出色的蒸发效率和性能的前提下，减少制造成本，提升实用性。除使用传统纤维材料，也可将现有的材料进行改性，使其拥有纤维的形貌特征获得特定性能。

表1 纤维材料用于界面光热转换的总结Tab.1 Performance of photothermal conversion systems using fibrous materials

4 结束语

近年来，界面光热转换水蒸发技术蒸发效率逐渐增强，未来更需要将研究重心从提升效率转移到降低成本、简化生产制造流程、增加耐用性、提升环境友好性、提高实用性能等方面，使光热转换技术从理论阶段走向实际应用。

纤维材料在这一技术的应用中具有以下优势：1)种类繁多，功能多样化，可满足光热转换领域中不同应用的需求；2)易与其他材料进行合成改性复合，以优化性能；3)成本较低，原料丰富，轻便耐用，易于裁剪，实用性突出。许多纤维材料已被证实可用于界面光热转换水蒸发技术，若能进一步开发新型高效多功能纤维材料和界面水蒸发系统，将极大地推动界面光热转换水蒸发技术的实际应用。