太阳能光热蒸发材料及其在海水淡化中的应用

张方方 青岛水务碧水源科技发展有限公司

太阳能被公认为在所有可再生能源中存量最为丰富的一种。每年能够抵达地球表面的太阳能量大约为3.4×1024J，如果能够充分有效的把这部分太阳能量利用起来，能够大大的缓解石油和天然气在全球范围内的供求问题，另外还能缓解石化燃料在燃烧过程中排出来的碳、氮和气溶胶的氧化物导致的大气污染和全球变暖到的问题。随着全球范围内不断膨胀的人口，淡水资源的匮乏越来越引起人们的关注。人类的生存离不开淡水资源，但是从总体上看地球的淡水资源数量少，仅占全球水资源的2.53%。而且这些淡水资源还主要集中在南北两极这两个人类密度最小的地区，真正能够被人类使用的淡水仅仅占据全球淡水资源的0.3%。为了能够有效的对全球淡水资源匮乏问题进行解决，最直接也是最有效的方法是对海水进行有效淡化。传统使用的淡化海水的技术都是多效蒸馏（ME）、多级闪蒸（MSF）等这类能耗高、设备容易出现故障、设备整体需要高投资等技术。为了有效的规避这些问题，近几年科学家提出了体积式和浮动式利用太阳能淡化海水的办法。浮动式太阳能淡化海水方式中使用到的淡化装备的核心部件是光热蒸发材料，其性能对光热转换效率有着巨大的、直接的影响，因此为了保证光热转换效率，所使用的光热蒸发材料需要具有如下特斯安：强吸收光性能、强水传输性能、强隔热性能、高转换能源效率等。

一、利用浮动式太阳能淡化海水所使用的金属等离子体光热蒸发材料

金属等离子体光热蒸发材料能够对太阳光增大吸收，加热局部，从而达到进一步对太阳能光能转换效率提升的目的。在三维多孔膜中融入铝纳米粒子，制备成了一种具有高频带、高效率等优点的铝基等离子体材料。该材料的离子体结构由纳米孔阳极氧化铝膜、紧密堆积的铝纳米粒子、铝膜三部分构成。这种多孔铝基等离子体材料能够在水面上自主漂浮，能够吸收高达96%的200～2500nm 波长的光，并把收集到的光能聚集在水面上，转换太阳能的效率极高。还有一种新型的等离子体材料是在天然木材的三维介孔基体中均匀地沉积细小的金属纳米粒子。这种等离子体材料把金属纳米粒子所具备的等离子体效应和木材机体中微孔通道所具有的波导效应充分的发挥出来，吸收光的能力高达99%[1]。

二、利用浮动式太阳能淡化海水所使用的炭基光热蒸发材料

淡化海水的过程中使用金属等离子体材料的成本十分高，炭基光热蒸发材料具有价格低廉、容易获得、吸收光性能良好的优势，具有广大的发展前景。在泡沫碳上负载石墨颗粒制备成双层结构的一种光热蒸发材料，该材料的表面积大概320m2/g，如果光照在10kW/m2下，能够转化85%的太阳能。该材料把石墨颗粒所具有的宽带光吸收特性和泡沫碳所具有的隔热性能充分发挥出来实现热局部化，因此，海水到达材料表面的途径是通过绝缘泡沫的亲水孔道。如果光功率较低，为了对转换太阳能的效率进一步提升，可以采取对碳泡沫中水的流速和热的局部化进一步减少、对孔隙率进一步优化、对各层厚度进一步优化等措施。石墨烯之所以被公认为最佳的炭基光热蒸发材料的候选材料，主要是因为其具有摩尔比热低、德拜温度高、光吸收带宽、化学掺杂热导率可调等优点。但是，石墨烯在传输水方面受到自身二维平面特征和疏水性不好的影响。Ito 等在石墨烯里面掺杂氮，有效的改变了石墨烯泡沫自身的润湿性能。掺杂了氮的石墨烯泡沫是一种整体开孔结构，实现了热局部化的有效提升，其转换太阳能的效率大概为80%。Li 等在2017 年利用三维打印技术首次构造具有凹面结构一种的三合一蒸发器，该中太阳能光热蒸发材料的孔隙率高达97.3%、吸收高效宽带太阳光的能力高达97%。3D 打印多孔蒸发器的导热系数低，能够实现热量的有效局部化，能够对散热问题进一步缓解[2]。

三、利用浮动式太阳能淡化海水所使用的有机——无机纳米复合光热蒸发材料

在淡化海水的过程中使用合成有机——无机纳米复合光热蒸发材料能够对生产成本进一步降低。聚氨酯海绵材料具有吸引力强、微孔孔隙、隔热性能良好、扩展容易等优点，被广泛的应用在工业上。在二甲基甲酰胺氧化石墨烯的分散体系中使用二异氰酸酯、聚醚和聚乙二醇进行直接反应，形成了还原的氧化石墨烯也就是聚氨酯纳米复合材料，然后再经过高温发泡和化学还原。在制备有机－无机纳米复合材料的时候使用改性氧化石墨烯片材，能够提高材料的稳定性。有机－无机纳米复合泡沫受到功率为1kW/m2和10kW/m2太阳光辐照的时候，转换太阳能的效率为64%和81%。如果在制备氧化石墨烯－纤维素酯膜的时候使用的交联剂为聚乙烯亚胺，在功率为1kW/m2太阳光辐照的时候，石墨烯氧化物－纤维素酯双层体系转换太阳能的下效率为52%，该材料的优点为成本低、可重复使用等[3]。

四、结束语

浮动式太阳能淡化海水具有制备简单、高效、便捷等诸多的优点，在淡化海水领域就有巨大的发展潜力。现阶段，在太阳能淡化海水领域中使用了各种各样的光热转换材料，不同的材料具有差异性的优势和缺点，因此需要针对光热转换材料在淡化海水性能方面的优点进行深入的研究。另外，还需要深入的研究在淡化海水的过程所使用到的浮动式太阳接收器受到热力学和传热学的影响，这样才能更好的理论联系实践。最后，还要深入的研究利用浮动式太阳能淡化海水方式在使用过程中的实际耐盐性以及在实际自然环境中的稳定循环性。