太阳能界面蒸发的应用综述

凌 童，段慧玲，闫煜杰，王一丁

(河海大学能源与电气学院，江苏省 南京市 211100)

0 引言

从世界能源署2020年发布的“世界能源展望”对世界能源需求与结构的预测可以看出，在未来，太阳能或将成为应对世界能源危机的最好方式[1]。近年来，有关太阳能的研究层出不穷。太阳能的利用方式，主要有光热利用、光电利用和光化学利用。其中，光热利用作为太阳能最简单、最直接的利用方式，而受到广泛关注。太阳能转换为热能以后，应用广泛，可以直接加以利用，或者热能进一步转换为电能，或者利用太阳能转换的热能将水分蒸发，促进海水淡化。太阳能取之不尽、用之不竭，以太阳能为驱动的海水淡化方法，不消耗化石能源，为绿色解决水资源短缺问题提供了新的途径。

利用太阳能热蒸馏方法促进水分蒸发，是常见的海水淡化方法。传统的太阳能热蒸馏海水淡化装置，系统庞大、结构复杂、操作成本高，难以在偏远的离散海岛地区推广应用。将高吸收性的材料分散于水中，利用材料吸收的太阳能加热水分，也可以达到促进水分蒸发的目的，是太阳能海水淡化的另一种方法。与传统的热蒸馏海水淡化方法相比，此种方法装置简单，无复杂部件，小巧便携，适合在偏远地区使用。对太阳光具有高吸收率的结构是蒸发装置的关键部件，其材料属性、结构特征直接影响水分蒸发效率。除此之外，光热转换材料在水体中的分散位置对蒸发效率也有重要影响。

光热转换材料在水体中的位置，主要有水体底部、水体内部或水体表面。当光热转换材料位于水体底部和水体内部时，材料与水体直接接触，材料吸收转换的热能，不可避免地向整个水体传递，由于需要加热整个水体，能量损失增加，导致能量的有效利用率降低[2-3]。将光热转换材料分散于水体表面，通过绝热材料将光热转换材料和水体隔开，可以避免热量向水体内部的传递，热量仅需加热表面的水分，有效降低热损失，提高能量利用效率。因此，蒸发结构位于液体表面的蒸发方法，即太阳能界面蒸发方法，以其独特的优势，成为研究热点。

目前，对太阳能界面蒸发的原理已经有了较为深入的认识，广大学者对太阳能界面蒸发材料、太阳能界面蒸发结构都进行了广泛而细致的研究，近年来在光热材料，蒸发形式，热能管理方面取得了许多成果[4-9]。尽管目前有关太阳能界面蒸发方法的研究还处于实验室阶段，但是，仍然能够预见太阳能界面蒸发技术有着广阔的应用前景。因此，本文简要介绍了太阳能界面蒸发原理，重点从太阳能界面蒸发方法的应用出发，综述太阳能界面蒸发方法在水资源管理、能源供给、医疗等方面的潜在应用，这对于丰富太阳能界面蒸发的研究范畴，推动太阳能界面蒸发方法在应用层面的发展，探索太阳能界面蒸发在多领域的联合应用具有重要意义。

1 太阳能界面蒸发原理

太阳能界面蒸发方法，即蒸发过程发生在液体和气体的分界面上。太阳能界面蒸发结构主要由光吸收层、输水层、隔热层组成。光吸收层将吸收的太阳光转换为热量，输水层由一些多孔结构组成，水分依靠毛细作用被泵送至光吸收层，隔热层将光热转换层和水体隔开，热量仅需加热被泵送至表面的水分，避免了热量向整个水体的传递。因此，相比于蒸发部件在水体内部的装置来说，将热量局限在蒸发界面，有助于蒸发效率的提高，这也是太阳能界面蒸发的一个显著优势。

太阳能界面蒸发原理简单，关键部件就是表面的蒸发结构，围绕该蒸发结构，以提升界面蒸发效率为目标，广大学者从材料制备、结构设计、表面改性等方面出发，开展了丰富研究。碳基材料和金属纳米材料是常用的光热转换材料，将碳基材料(如炭黑、石墨烯等)和其他材料(如复合纤维[10-11]、金属纳米材料[12])相结合，可以制备出一些高吸收性的复合材料，吸收率可达到95%以上。此外，从光吸收体的结构设计出发[13]，利用入射光在结构内部的多次散射，也可以实现光吸收性能的提高。蒸发部件的结构也是影响蒸发效率的重要因素。GHASEMI等人[14]设计的双层碳结构，顶层为高导热率的玻璃碳，下层为低导热率的泡沫碳，集蒸发结构和隔热结构于一体，将热量局限在蒸发界面，非聚光条件下蒸发效率达到64%。

2 太阳能界面蒸发技术的应用

太阳能界面蒸发的应用领域广泛，下面主要从水资源管理、能源供给、医疗等三个方面进行归纳和总结。

2.1 水资源管理

太阳能界面蒸发系统，依靠清洁的、近乎无穷的太阳能作为驱动能源，可以源源不断地产出洁净水，在减轻环境污染，保障清洁水资源安全供给方面有着广阔的应用前景。

2.1.1 海水淡化

地球蕴含着大量的水资源，但其中可直接饮用的淡水资源仅占0.3%，且由于这部分淡水资源分布极不均匀，导致约25%的世界人口无法获得规定数量和质量的淡水，80多个国家正面临严重的水资源问题。为解决日益严重的淡水资源短缺问题，学者们提出了许多海水淡化的方式，如多级闪蒸法、低温多效蒸馏法、反渗透法、电渗析法、压渗析法等。以上方法，或是需要投入化石燃料作为驱动，环境不友好且耗能较大；或是需要完备的电网系统，设备投资大，在偏远缺水地区难以推广；或是会直接排放大量废水，对海洋生态造成破坏，加剧水资源安全问题。太阳能界面蒸发系统以太阳能为驱动，结构设计自由，装置简单便携，更加适合在太阳能充足的偏远海岛地区推广，解决当地人民的用水问题[15-19]。

学者们从提高光吸收体的吸收性能、改善结构的隔热性能等方面设计了不同的太阳能界面蒸发结构，并测试了该结构对海水的除盐率。XU等人[20]使用静电纺丝的方式制备了具备双向性质的Janus吸收体，利用Janus膜特有的双层膜特性，将疏水性的纳米炭黑涂层有机玻璃作为光吸收层，低亲水性的聚丙烯腈涂层作为输水及隔热层。该结构在模拟海水的蒸发实验中，各项阳离子(Na+、Mg2+、Ca2+、K+和B3+)的浓度均降低到1.4 mg/L以下，且水中的细菌数量大大降低，完全满足世界卫生组织和我国国家卫生健康委员会对饮用水的品质要求。LIU等人[21]利用聚醚酰亚胺改性阳离子交换树脂和聚3,4-乙烯二氧噻吩导电油墨制备了一种新型太阳能蒸发器，在一个太阳光照能量下，其蒸发速率达到1.42 kg/(m2·h)，对水体中盐和重金属离子的去除率达到99.9%。熊辉等人[22]使用化学气相沉积法在不锈钢网状骨架上生长碳纳米管，在一个太阳的光照条件下，吸收体表面温度稳定达到84.37 ℃，对盐水的脱盐率达到99.92%(图1)，这对于未来多孔太阳能界面蒸发装置在海水淡化领域的规模化应用具有重要的参考价值。

图1 不锈钢网状骨架生长碳纳米管Fig.1 Carbon nanotubes grown in stainless steel mesh framework

以上实验结果表明，界面蒸发方式下，太阳能蒸馏产出淡水的能力大大上升，且能够有效去除海水中的盐分[20-22]，但令人担忧的是，随着蒸发的进行，盐分会在吸收体上富集，影响蒸发效率，缩短吸收体的使用寿命。就此，研究者们提出了能够自我清洁、消除盐分的吸收体结构。NI的团队[23]利用柳条式的界面结构，对吸收体表面富集的盐分进行排放和消解，并且，在阳光照射的条件下，该结构能够通过灯芯溶解、排斥的方式对盐分进行抵抗，很大程度上保持了吸收体的稳定工作性能。此外，还有模仿睡莲结构的吸收体[24]，在该设计中吸收体的上层光吸收膜与下层支撑输水膜结构具备不同的亲盐性能，这种在盐分吸收上的相异特性使得该吸收体能够引导盐分在下层膜内部吸附，降低蒸发区域盐分堆积。相似的设计还有很多[25-27]，聚焦于吸收体的抗盐性能，提高了界面蒸发系统产出净水的能力。然而，在推广并应用于海水淡化的过程中，依然有许多问题有待解决，海水中除去盐分还有大量微生物，这些生物的存在会一定程度上影响蒸馏装置的运行。CHIAVAZZO等人[28]通过多层级可堆叠的结构使系统的蒸发潜热可以回收利用，如图2所示，亲水膜与疏水膜的耦合叠加使冷凝水的传输方向固定，该系统可达到72%的太阳能转化率，并且，所采用的输水方式有效避免了生物对蒸馏装置的影响。

图2 多层级界面蒸发Fig.2 Multi-level interface evaporation

太阳能界面蒸发技术用于海水淡化，为淡水资源的获取提供了新的方法。目前，太阳能界面蒸发研究还处于实验室阶段，实现太阳能界面蒸发技术在海水淡化领域的规模化应用，还有若干问题，如大面积蒸发结构的工业化生产，非聚光条件下，淡水的高效持续产出，蒸发结构的稳定性和耐久性等问题需要解决。随着研究的深入，以及新材料、新结构的出现，未来太阳能界面蒸发方法将成为离散偏远海岛获取淡水资源的有效途径。

2.1.2 废水处理

随着城市化和工业化发展，生活污水、工业废水排放量不断增加。目前，废水处理推广效果不太理想的一个重要因素在于废水处理设备的成本较高。为了实现社会的可持续发展，低耗能、低成本、低污染的废水处理技术成为必然需求。太阳能界面蒸发在诸多实验中证明了高效蒸发产水能力以及几乎零污染排放的绿色清洁属性，在污水处理方面也表现出了巨大的潜力。

太阳能界面蒸发吸收体的材料主要有碳基材料、金属纳米材料等，其中，碳基材料由于自身具备的吸附能力，可以进一步辅助蒸发系统除去废水中的污染物质。LOU及其团队[29]制备了纸基还原氧化石墨烯，吸附在无尘纸上的纸基还原氧化石墨烯在进行光热转换的同时，能够作为良好的吸附剂，物理吸附部分杂质。此外，随着温度的提升与蒸汽的逸散，因压差导致的水分流动加快了污染物在吸收体内部的吸附行为，而光热转换带来的高温则为污染粒子的扩散提供动能，这都进一步强化了净水能力。在净水能力的测试中，模拟污染水中加入有罗丹明作为模拟污染物物质，蒸发完成后，冷凝水中的污染物含量显著降低(如图3)。张政[30]将二氧化锰纳米线引入氧化还原石墨烯气凝胶中，制备了具有超浸润特性的碳气凝胶吸收体，在对含有20 mg/L甲基蓝和罗丹明B的模拟废水溶液进行光热蒸发后，几乎可以完全除去污染物质。此外，通过对金属纳米粒子微观结构的调整，也能够实现对水体杂质的清除。例如HUANG等人[31]制备的双相CuxS复合纳米棒三维分层结构泡沫可以有效吸附水体中的有色染料，并对油水混合物进行油水分离，在污水处理方面表现出了独特的优势。

图3 纸基还原氧化石墨烯的净水能力Fig.3 Water purification capacity of paper-based reduced graphene oxide

此外，在放射性废料处理方面，界面蒸发系统也表现出了优秀的潜力。耿艺耘[32]制备的三维石墨烯块体材料，不仅具有良好的蒸发性能，在一个太阳光照下蒸发速率达到1.42 kg/(m2·h)，而且在酸性辐射环境中依旧保持良好的化学性能，三维石墨烯块体材料对放射性废液具有优异的净化功能，同时能够有效缓解传统蒸发中因酸度增加而引起的设备腐蚀问题。

与传统的活性污泥法、膜生物反应器、生物转盘法等污水处理系统相比，太阳能界面蒸发系统，以分布广泛且廉价易得的太阳能为驱动，以简单便携的光热蒸发结构为核心部件，不仅具有良好的蒸发性能，而且具有良好的污水处理功能，有着在更多地区推广的适用性和经济性，具有重要的研究价值。

太阳光能充足的地区不止海边地区，荒漠地区在拥有丰沛太阳光资源的同时也面临着水源不足的问题。因此，利用温差在荒漠地区进行空气取水具有广阔应用前景。近些年兴起的太阳能驱动的吸附-脱附式空气取水系统，在价格、结构等方面相比传统空气取水方式有着显著的优势。该技术利用吸附剂从空气中捕获水分子，然后在太阳光的加热下使得吸附剂中的水分子重新脱出，产生的水蒸气会被冷凝后收集，被加热的吸附剂重新冷却用于下一次的水蒸气捕获。文献[33]将太阳能界面蒸发系统与空气取水技术相耦合，实现了干燥环境中清洁水的获取。王雪旸[34]测试了在取水系统加入界面蒸发技术后的产水能力，太阳能界面加热辅助的空气取水系统实现了液体吸附剂领域的最高日产量，日产量达到了2.89 kg/m2。

干燥地区的用水问题往往难以解决，太阳能界面蒸发技术的引入妥善解决了高浓度吸附剂下水分脱附的问题，提高了空气取水技术的应用能力。太阳能蒸发与空气取水的耦合技术，可以进一步优化界面蒸发的微观结构，增强系统间的耦合，减少吸附-脱附之间的能量损耗，从而提高产水效率。未来，这种太阳能界面蒸发与空气取水相耦合的技术将为干燥地区淡水的可靠供应提供支撑。

2.2 能源供给

太阳能界面蒸汽生成方法属于太阳能光热利用的一种，在清洁能源转换供给方面有着令人期待的应用潜力。

2.2.1 水电联产

利用太阳能界面蒸发系统进行水电联产，以尝试解决偏远地区的能源问题，是近些年在能源领域兴起的一项新兴研究。常见的水电联产系统有2种，一种是将产电装置与产水装置分开设置，利用界面蒸发系统蒸发过程中产生的蒸汽，与诸如摩擦、高温、压电热电或盐度感应装置等能源发生器相结合，以产生电势。例如，LI Xiuqiang及其团队提出的一种水电联产系统[35]，该系统以高温水蒸气的蒸发焓为基础，使用具备储热能力的冷凝腔将蒸汽冷凝产生的蒸发潜热收集储存，并利用热电转换模块将热能转化为电能(图4)。在30倍太阳光照强度下，产水效率达到31.6 kg/(m2·h)，发电效率0.98%。对蒸汽进行过热处理，开路电压和短路电流可达到4.15 V和0.61 A，可以满足部分小型家用电器的用电需求。在非聚光条件下如何保障高温蒸汽的稳定产生，同时提高发电能力是需要研究的内容。ZHU等人尝试利用蒸汽扰动来诱发电势[36]，使用一种含氟铁电聚合物聚氟乙烯用以收集蒸汽当中的热机械响应，研究发现，电压、电流等电路信号的变化与含氟铁电聚合物聚氟乙烯膜所感应到的温度变化息息相关，为蒸汽能量回收提供了新的思路。

图4 界面蒸发水电联产示意图Fig.4 Schematic diagram of interface evaporation and hydropower cogeneration

除了利用蒸汽的潜热进行热电转换产生电势外，界面蒸发行为在水体中引起的离子运动与温度差异也可用于发电。ZHU[37]等人设计了一种3D有机布基海绵，在海绵吸收体下层设置热电转换模块，利用吸收体与块体水之间的温差产生电能(图5)。YANG等人[38]将全氟磺酸膜与碳纳米管涂层滤纸相耦合，通过全氟磺酸膜来控制引导界面蒸发过程中液体离子浓度差引起的离子移动，再利用2片Ag/AgCl电极片感应吸收体与海水中的离子浓度差异来产生电势，从而实现了蒸汽和电能的同步输出。

图5 利用水体温差发电示意图Fig.5 Thermal power generation

在水电联产实验中，另一种受到关注的方法是将蒸发系统与发电系统耦合至同一个部件中。依据流动电势理论，在外力作用下，当水流在狭小管道中从较高压力区流动至较低压力区时，如果管道内部带有负电荷基团，则会诱导水流中产生正电荷。水流的流动会带着这部分电荷移动聚集，不同浓度的正电荷在管道进出口处形成较强的电场力，而当作用于水流的外力与电场力达到动态平衡时，流体就能够在管道中持续流动且产出稳定的电流电压信号。利用渗透压的作用，水流在微小管道中的流动，即可依据该原理实现从水流动能到电能的转换，这类方式也被研究者称为水伏发电。

矿区及周边主要出露三叠纪火山岩，侏罗系及白垩系、古近系。下侏罗统漾江组(J1y)主要为灰紫色中细粒岩屑砂岩、粉砂质泥岩碎屑岩和橄榄玄武岩、安山玄武岩等火山岩；中侏罗统花开左组(J2h)主要为为紫红色泥质粉砂岩夹暗紫红色岩屑石英砂岩。上侏罗统坝注路组(J3b)为紫红色泥岩、粉砂质泥岩夹紫红色细砂岩。

早在2017年时，研究者们发现，将蒸发器件进行碳化修饰后，能够仅依靠自身蒸发通过水伏发电的原理产生稳定持续的电压。文献[39]尝试使用炭黑作为发电材料，在自然蒸发的条件下，能够持续产生约1 V的电压100多 h。文献[40]将棉布与炭黑和氯化钙结合，通过器件自身的蒸发，以及氯化钙中Ca2+降低电阻的效果，能够持续产生0.74 V的电压和22.5 μA电流。周小兵[41]将木头作为发电的关键部件，通过柠檬酸对木材改性后，木材表现出极强的亲水性，5个器件串联可以为1个计算器供电。利用界面蒸发引起的诱导发电效应，可实现水电联产。当然，为实现该技术的广泛应用，还需对各类材料的物理化学性能以及诱发电势的产生原理进行更加深入的研究。

2.2.2 太阳能催化燃料

以太阳能为驱动生产清洁燃料是解决能源和环境问题的重要途径。传统的光催化燃料生产方式由于其有限的光吸收能力及电荷迁移等问题，难以实现规模推广。引入太阳能界面蒸发系统，光能热能的同时驱动，可以加快光催化反应的进程，提升该技术的实用性。

将光照能量定位并局限于太阳能界面蒸发系统中的吸收体界面，并利用蒸发材料的化学特性，可以同时产生光催化燃料和淡水。GAO等人[42]利用TiO2/Ag混合纳米纤维和吸水脱乙酰壳聚糖聚合物，制备的3D光热催化凝胶，具有良好的热管理能力，并且，氧化还原剂与光催化剂被集成固定在一起，使得光催化过程可以更加稳定高效地进行。在一个太阳强度下，蒸汽生成速率达到1.49 kg/(m2·h)，同时，氢气生成速率达到了3 260 μmol/(m2·h)。此外，此外，还可利用界面蒸发过程中的温差产生电能，再通过电催化水解制氢[43]。

除去催化水制氢以外，利用水蒸气与含碳材料进行化学反应，也可以生成乙醇、甲烷等碳氢化学燃料(图6)。文献[44]利用界面蒸发产生的大量蒸汽将纤维素原料水解为糖，进而通过化学提纯产生乙醇。文献[45]则是利用二氧化碳与界面蒸发产生的水蒸气进行反应，生成甲烷等碳氢化合物燃料。界面蒸发技术辅助的太阳能燃料的制备方法，为能源社会的可持续发展提供了新的途径。

图6 光催化化学燃料合成Fig.6 Photocatalytic chemical fuel synthesis

2.3 医疗应用

在医疗领域中，高温蒸汽杀菌是一种常用的灭菌手段。HALAS课题组[46]发现，在水中分散高吸收性的纳米颗粒，可以在太阳光照下产生蒸汽，在此基础上设计了2种基于纳米颗粒的太阳能灭菌锅。一种是便携式的闭环太阳能灭菌锅，能够为药物、小型医疗器具提供灭菌服务；另一种是太阳碟式灭菌锅，可以作为离网的独立蒸汽源，产出的高温蒸汽量较大，能够满足更高的灭菌需求。然而，将光吸收粒子分散在水中，不可避免的导致蒸发效率下降，灭菌响应的时间较长，整个循环的效率相对较低。

采用界面蒸发技术的灭菌锅具有更快的升温速率，更低的能量消耗以及更集中的热量传递。ZHANG等人[47]设计的太阳能界面蒸发装置，光热转换率84%，在特定光照条件下可以产生132 ℃的高温蒸汽，并快速完成灭菌响应。与传统的太阳能高压蒸汽灭菌器相比，在相同条件下，太阳能界面蒸发灭菌器可以达到更高的光热转换率，直接产生高温蒸汽，并且结构简单，便于在阳光充沛的欠发达地区使用。李金磊[48]设计了一种基于太阳能界面加热的快速响应蒸汽灭菌系统，基于偏远地区环境考虑，选择了更易收集制备的生物质碳材料作为太阳光吸收体，在122 s内，蒸汽温度达到121 ℃，该过程仅需消耗能量100 J/mL，无论是升温速率还是能量消耗，均优于传统的太阳能高温蒸汽生成方法。在灭菌实验中，该装置可以在8.4 min内完成1次消毒循环，响应速度远超传统的太阳能灭菌锅，且加热灭菌效率可达到99.9%。CHANG Chao和PENG Tao等人[49]将太阳能界面蒸发装置集成于太阳能真空管内，通过布置在管内的铜网，完成蒸汽的过热反应。无需聚光装置，在低太阳光通量下可以保持高温蒸汽的稳定输出，蒸汽温度可从102 ℃调节至165 ℃。GENG等人[50]制备了双相CuxS复合纳米棒三维分层泡沫结构，可以达到95.4%的光热转换效率，由于材料的特殊性能，可以在产水的同时，完成对周边环境消毒灭菌的处理。以太阳能界面蒸发技术为支撑的高温灭菌设备，摆脱了对电力输入的依赖，减少了二氧化碳的排放，装置更加灵活，具有在偏远欠发达地区推广的优势。

3 前景展望

目前，太阳能界面蒸发技术还处于初步研究阶段，还有许多实际问题需要解决。太阳能界面蒸发效率与入射光照强度有很大关系，目前的研究多是在高聚光条件下进行的，无疑会增加系统的复杂性。因此，提升非聚光条件下太阳能界面蒸发性能，对于太阳能界面蒸发技术的推广应用具有重要意义。一方面，需要提高光吸收体的吸收性能，另一方面，需要进一步减少不必要的能量损失。并且，考虑到太阳辐射的间歇性，在蒸发系统中加入储能部件，有利于蒸发过程的持续进行。此外，自然界中的一些生物材料，可为太阳能蒸发结构的设计提供指导，例如通过模仿黑色蝴蝶翅膀特有的规律排列的纳米级多孔结构以降低光吸收体的反射率，变相提高蒸发速率[50]。因此，蒸发结构的仿生设计，也会成为未来太阳能界面蒸发的一个发展方向。

太阳能界面蒸发系统，以其便携性和简易性，将会成为偏远的离散海岛地区获取淡水和能源的重要设备，为解决偏远地区能源供给问题提供了新的途径。