全纤维光驱动界面蒸发系统在海水淡化工程中的应用研究进展

丁 倩， 邓炳耀， 李昊轩

(1. 江南大学 纺织科学与工程学院， 江苏 无锡 214122; 2. 东华大学 纺织学院， 上海 201620)

面对日益严重的淡水资源危机以及实现碳达峰、碳中和的目标，如何付出最小成本持续获取淡水成了很多研究的重点[1-3]。而太阳光驱动界面水蒸发技术是将吸收的太阳光转换成热能，并作用于液-气界面，实现光-蒸汽转换效率的大幅度提高，有望成为极具潜力的海水淡化新途径[4-6]。这种不占用陆地面积，仅利用太阳光和海水即可实现持续地生产淡水且零碳排放的技术，必将在碳中和、碳达峰的大背景下受到重点关注与研究[7-8]。然而，这项技术仍然存在蒸发速率偏低、蒸汽收集困难以及抗生物沉积能力弱等问题的挑战。

光驱动界面水蒸发系统通常由吸收体、漂浮体以及收集装置组成。要实现高效的光-蒸汽转化，这就要求：吸收体必须具有出色的光热转换性能且不能与水体直接接触；漂浮体能够将水运输到蒸发界面，使界面蒸发速度与输送到吸收体的水量达到平衡，并具有出色的热管理能力；轻质和高透光的收集装置。随着研究的深入，众多学者提出了很多新材料和新结构，以实现较高的蒸发速率，同时，拓展了很多新应用，如海水淡化、污水处理、湿度调节以及海上生态系统构建等。然而，该领域仍存在很多问题亟待解决：如何进一步提高蒸发速率；如何解决蒸汽收集问题；如何通过基础研究来进一步优化界面处太阳能转换、能量传输、质量传输和蒸汽扩散动力学的耦合，以便能够更深入地理解蒸发所涉及的过程等。

近期国家发展改革委印发的《海水淡化利用发展计划(2021—2025年)》中指出，2025年全国海水淡化总规模达到290万t/d以上，并明确鼓励示范将太阳能等可再生能源用于海水淡化,光驱动界面蒸发的研究必将迎来新的热潮。基于上述背景，本文对近年来国内外关于光驱动界面水蒸发的研究进展进行综述，重点总结纤维基蒸发器在界面水蒸发领域中的优势以及传统纺织材料在新型领域中所发挥的独特价值，并对未来的发展趋势进行展望。

1 光驱动界面蒸发器

1.1 光热转换材料(吸收体)的发展

过去几年世界各地的研究小组通过尝试各种方法，例如光热转换材料的选择、漂浮结构的构建、热学管理以及低维水通道的创新等，极大地提高了光-蒸汽转换效率。光驱动界面水蒸发系统如图1所示。

图1 光驱动界面水蒸发系统示意图Fig.1 Scheme of solar steam generation system

光热转换材料是决定蒸发性能的关键因素之一[9-10]，而碳材料因成本低廉，光吸收好，稳定性优异等特点，是迄今为止太阳光-蒸汽转化的主要吸光材料之一(200 nm～200 μm的宽光谱范围内，具有98%～99%的几乎恒定的光学吸收)，一些由天然物质炭化得到的材料[11-12]，如天然木材[13]、蘑菇[14]等也具有很好的光吸收性。随着光-蒸汽转化技术的发展，等离激元吸收体也被证明具有高效的光吸收和光-蒸汽转化效率，并已应用于蒸发器中。这是由于一些贵金属纳米粒子如金和银，会产生局部表面等离子共振(LSPR)效应，使颗粒内部的自由电子气体振荡，从而形成热能[15-16]。此外，有机合成小分子因其具有合成简单、功能多样以及稳定性好等优势，也被越来越多地应用在光驱动海水蒸发领域。当有机合成小分子受到入射光激发时，分子会由基态转向激发态，随后分子内运动加剧，以非辐射跃迁的形式消耗激发态能量，产生大量热，实现光热的转换[17]。选择吸收体时，要从光热转换效率、成本以及与漂浮体结合难易程度等角度考虑。Wu等[18]提出了几种开创性的树木仿生设计：通过在天然椴木上钻孔，用加热板对椴木上表面进行炭化处理的方式，构建了人工孔道阵列和无定形碳层的表面(见图2(a))，将该仿生设计产品置于海水或湿沙中并经入射光照射时，其顶部黑色表面充当了光吸收剂，可迅速加热并产生蒸汽。其蒸发速率在使用60 d后仍能保持在1.04 kg/(m2·h)，表现出较高的稳定性。除了树木，蘑菇、草和植物叶也激发了太阳能蒸发的智能仿生结构设计，并展示了一些最佳性能。考虑到生物质材料的品控不稳定性，基于天然材料开发出来的蒸发器很难在规模化生产中保持高度一致性，因此，在未来的应用中可能会受到一定限制。

1.2 从二维向三维转变的漂浮体

漂浮结构也会影响界面光-蒸汽转换的性能。近年来，漂浮结构得到了快速发展，从二维的薄膜结构发展到了三维立体结构，而且三维立体结构也出现不同的形状，如圆柱、圆锥和树枝状等(见图2(b))。同时太阳光驱动水蒸发领域仍存在一些亟待解决的问题，首先是大多数蒸发器的蒸发速率较低(平均值约为1.5 kg/(m2·h))，尽管有很多报道给出了超过2.0 kg/(m2·h)的高蒸发速率，但因制备复杂，不利于规模化推广而受限[19-21]。如何提高太阳光利用效率，进一步增加蒸发器的淡水产出量，提高单位面积蒸发器的蒸发速率是目前急需解决的难题[22-23]。Xu等[24]利用静电纺丝技术制备了双层纳米纤维膜(也称Janus膜)，上层是疏水膜涂层吸收体，下层为亲水层。这种Janus膜具有良好的抗盐析能力，其蒸发速率达到1.3 kg/(m2·h)，为稳定、便携的界面加热型太阳能海水淡化提供了一种解决方案。这种二维纤维材料在界面蒸发中仍存在一些挑战，例如：蒸发界面与海水距离太近，部分热量会损耗，造成蒸发速率偏低的情况。为进一步提高蒸发速率，Wang等[25]报道了一种三维结构蒸发器，新型蒸发器由一个基础蒸发表面和垂直于基础表面的翅片组成，翅片数量可调，旨在构建一个极其高效的光驱动蒸发系统(见图2(c))。在蒸发过程中，垂直的翅片极大地提高了有效蒸发面积，同时减少了能量损失，该蒸发器从环境中获得能量，并循环利用基础表面和垂直翅片释放蒸汽冷凝潜热，减少下方能量损失，显著增加了蒸发速率。在太阳光照射下，装有4个翅片的蒸发器可达2.53 kg/(m2·h)的蒸发速率，制作成本也低。太阳光-蒸汽转换效率远远超出了理论极限，实现了100%的光-蒸汽能量转移。蒸发速率与垂直翅片的数量成正相关，实现了蒸发速率的可控调节。这项工作为优化能源管理，特别是太阳能蒸发系统的潜热回收再利用提供了重要策略。

图2 用于光驱动界面蒸发的几种常见蒸发器Fig.2 Several typical evaporator designs for solar steam generation. (a) Photographs showing integrated structure and channel-array design of evaporator; (b) Schematic diagram of 3-D solar steam generation evaporators design concepts; (c) A novel 3-D photothermal evaporator (with vertical fins)

随着研究的深入，借助外部因素进一步提高蒸发速率的研究越来越多，如施加对流和倾斜照射等。文献[26]率先提出了利用空气对流辅助蒸发，其制备的圆柱形漂浮体的高度和直径分别达到6和4 cm。蒸发实验中，侧边施加6 m/s的空气对流时，其蒸发速率可达10.9 kg/(m2·h)，大大超出了理论极限值。然而当蒸汽收集装置罩住蒸发器以后，空气对流很难穿过玻璃罩而作用于蒸发器上。不过这种思路带给人们启示：倾斜的光照对蒸发性能的影响应该被更多地研究。

1.3 蒸汽收集装置

太阳光驱动界面蒸发产生的蒸汽主要由形状各异的玻璃罩进行收集，然而随着蒸汽在玻璃罩表面逐渐冷凝，形成的大量水珠会限制太阳光的进光量，影响蒸发器对太阳光的吸收，导致蒸发器的工作效率逐渐下降。而且很少有研究专门针对长时、高效蒸汽收集装置的优化设计，而这又是终端收集淡水的关键。有研究[27]报道了一种单机逆变结构接收装置，实现了高效集水的同时，保证吸光量不受影响。蒸发器的顶部是选择性吸收体，底部是基于疏水纳米结构铜的蜂窝状冷凝器。太阳光照射时，顶层吸收体产生热加热海水，产生的蒸汽向蒸发系统底部转移，在蜂窝状纳米铜表面冷凝，并收集淡水。因顶层隔板阻挡，蒸汽不会在透光面冷凝，避免透光度受影响，其蒸汽收集速率可达1.063 kg/(m2·h)，为稳定、规模化海水淡化提供了一条有前景的途径。尽管这项研究并未设计冷却装置，导致蒸汽收集效率较低，仍需进一步的优化设计，但这种自上而下的蒸汽收集方式很有借鉴意义。另外，超疏水表面处理技术可应用在蒸汽收集装置内壁的设计上，减少液滴在蒸发器表面的停留时间，可能会成为解决上述难题的方式之一。

2 全纤维蒸发器

2.1 有机/无机复合纤维基蒸发器

纳微米纤维因其独特的微尺度和较大的比表面积，使得纤维基漂浮体在光驱动界面水蒸发领域中展现出独特的优势。利用单根纤维作为加热体，可以加热纤维表面的水，降低热学损耗，显著提高光-蒸汽转换效率[28]。此外，纤维基漂浮材料大都基于目前比较成熟的纺织加工技术，如编织、针刺、机织等。这些技术已经完成产业化制造，为光驱动界面水蒸发的规模化推广提供了坚实基础。为了制备具有光热特性的纤维集合体，很多学者首先选择了纤维与无机光热材料复合的思路。

Zhu等[29]报道了一种基于针刺非织造布，经过喷涂多壁碳纳米管(MWCNT)后，具有出色光热特性的蒸发器。其上、下表面分别由亲、疏水纤维构成，经针刺后形成了独特的单向导水特性，实现了蒸发器的漂浮和汲水功能，其蒸发速率可达1.44 kg/(m2·h)。值得注意的是，这种蒸发器的制造成本仅为2.4美元/m2，是目前已有报道中成本最低的蒸发器。这种低成本、制备工艺成熟、可漂浮的非织造材料基蒸发器为光驱动界面水蒸发的规模化应用打开了思路。此外，还有一些学者报道了碳纤维/棉纤维机织面料[30]、中空间隔织物/氧化石墨烯涂层[31]以及芳纶织物/活性炭复合[32]等蒸发器，为纤维基蒸发器在光驱动界面水蒸发领域的应用提供了理论依据。基于纺织材料的蒸发器可以很容易被规模化生产，尽管其大都属于二维结构，蒸发速率偏低，却是最接近产业化的蒸发器。

2.2 纯有机纤维基蒸发器

有机/无机复合光热纤维仍存在一些难以解决的挑战：纤维与无机光热材料结合牢度不够，使得蒸发器寿命较短，且容易导致无机材料脱离纤维，造成污染。随着有机光热分子的发展，特别是唐本忠院士首次提出了聚集诱导发光的理念，使得大量具有不同性能的光热分子被报道，也进一步推动了纯有机光热纤维的快速发展。因有机分子与聚合物有着天然的相容性，有效解决了光热剂与纤维结合牢度弱的短板，发展潜力不容小觑。

Li等[33]报道了一种掺杂聚集诱导发光(AIE)有机光热小分子的纳米纤维气凝胶用于光驱动界面水蒸发。这种全纤维气凝胶底部具有良好的疏水性能，能够很好地漂浮在水体表面，避免了整体加热导致热量流失的弊端(见图3(a))。而顶层则是亲水层，同时通过亲水和毛细作用，可将底部的水抽吸到顶层并有效铺展，实现单根纤维发热、加热纤维表面浸润的水，最大化地提高加热效率。在功率为1 kW/m2模拟太阳光照射下，其蒸发速率可达到1.43 kg/(m2·h)，蒸发效率为86.5%，表现出了优异的太阳光诱导界面水蒸发性能;并且在1 d的太阳光照射下，其蒸发性能保持不变，展现了较高的使用寿命和抗盐析能力。

尽管上述直接掺杂的纯有机光热纳米纤维具有出色的太阳光吸收并将其转换成热的特性。然而，有机分子光热机制与纤维性质的不相容限制了其光热转换效率的提高。这是由于组成纤维的聚合物分子链段不可避免地限制了有机光热分子的运动，从而降低了光热产出。因此，如何通过改善纤维中的分子运动来提高纤维的光热效率是一项重要而又具有挑战性的任务。Li等[34]报道了一种巧妙且又通用的策略：通过同轴纺丝设备制备以溶解AIE分子的油溶液为芯相、聚合物为壳层的芯-壳结构纤维(见图3(b))。芯-壳结构中的油相与AIE光热分子的结合最大限度地保留了分子的运动，减弱了辐射衰变。结果表明，这种方法制备的新型芯-壳结构显著提高了纤维光热效率，在太阳光照射下，其蒸发速率可达到1.52 kg/(m2·h)(见图3(c))。通过逆向思考，解放分子运动，这项研究所提出的巧妙且通用策略可显著提高AIE分子在纤维中的光热转换效率，并为下一代绿色、零碳排放的纯有机光热转换材料走向实际应用提供了基础。

静电纺丝制备的二维结构纤维膜并不适合直接用于光驱动界面水蒸发，主要是由于液-气界面与水体距离太近，热量损耗过多，蒸发速率很低。为解决这个难题，Li等[35]利用硼氢化钠水溶液产生大量的氢气穿过纤维膜，可将二维纳米纤维膜迅速膨胀成泡沫状全纤维三维多孔结构(AFPCF)，且其高度可调。如图3(d)～(f)所示，真实模拟自然太阳光，在倾斜照射下，不仅蒸发器的上表面，其侧面也会吸收太阳光参与蒸发，这就极大地提高了蒸发器的有效蒸发面积。高度可调的AFPCF为研究侧边辅助蒸发带来了便利，在倾斜模拟太阳光照射下，3 cm高的AFPCF的上表面和侧面的温度分别升高了44.5和39.5 ℃，远高于垂直照射下的侧边温度，因此蒸发速率也从垂直照射的2.4 kg/(m2·h)增加到了倾斜照射的3.6 kg/(m2·h)，极大地提高了水蒸发速率。此外，因掺杂的AIE分子不仅光热转换能力高，还具有出色的活性氧(ROS)产生能力，使得AFPCF表现出优越的抗菌性能，有效地防止了生物沉积现象，提高了蒸发器的使用寿命。

图3 几种典型的纯有机纤维基蒸发器Fig.3 Several typical pure organic fiber based evaporator designs. (a) Schematic of nanofibrous aerogel; (b) Photographs and TEM (inset) image of core-shell fibrous mats; (c) Photograph of AFPCF; (d) IR thermal images of AFPCF

3 结束语

太阳光驱动界面水蒸发技术仅利用取之不尽的海水和阳光即可实现海水淡化，为打破传统高能耗、高碳排放、以陆地资源和宝贵能源换水的格局提供了新思路；为加快实现碳中和、碳达峰的可持续发展提供了新的解决方案。特别是纤维基多功能蒸发器的发展，让规模化、低成本、高寿命的海水淡化系统的设计与构建成为了可能。此外，随着研究的深入，蒸发速率还有进一步提升的空间，比如：在设计蒸发器时，考虑环境能量的利用、水蒸发焓变的降低以及冷凝潜热的再利用等因素，有望进一步提高蒸发器的蒸发速率，甚至可实现全天候的蒸发。

尽管，全纤维界面蒸发系统极具吸引力，但仍然强烈需要长寿命、大规模可扩展、稳定性好、成本效益高度兼容的光热蒸发材料。通过纤维基蒸发材料表面工程设计以加快蒸发速率的研究还少有涉及，特别是液滴在纤维表面蒸发动态特性鲜有研究，需要进一步探索。其次，高效蒸汽收集装置的设计仍未解决，是全纤维光驱动界面蒸发系统在海水淡化中的一大瓶颈，而这方面研究却是少之又少。综上，学者们还需对光-蒸汽转化的机制以及纤维基蒸发器、蒸汽收集装置的设计进行深入研究，才能有效解决上述挑战，加快全纤维光驱动界面水蒸发走向实用的进程。