太阳能界面蒸发可持续离网脱盐技术研究

许兵，杨晓彤，刘佳，张旭，3，姚兴洁，郭培勋，张新玉

（1.山东建筑大学市政与环境工程学院，山东济南 250101；2.济南水务集团有限公司，山东济南 250012；3.扬州大学环境科学与工程学院，江苏扬州 225127）

随着全球环境污染问题愈发严重，水生态环境不断受到影响，导致本不丰富的淡水资源更加匮乏。为满足日常淡水的需求，许多地区逐渐通过淡化海水和含盐地下水获得淡水〔1-2〕。在过去的十几年时间里，海水淡化技术发展迅速，膜蒸馏（Membrane distillation，MD）、多级闪蒸（Multistage flash，MSF）、多效蒸馏（Multiple-effect distillation，MED）和正渗透（Forward osmosis，FO）技术已逐步应用于海水淡化领域，与反渗透（Reverse osmosis，RO）脱盐工艺相比，其电耗显著降低〔3〕。然而，传统的脱盐淡化能耗高，需要消耗大量化石燃料，造成空气污染并加剧全球气候变暖〔4〕。特别是近年来，随着新冠肺炎疫情、俄乌战争冲突等问题的出现，石油、煤炭等资源的市场价格以及运费暴涨，对传统海水淡化工艺的推广应用造成了不同程度的影响。

从可持续发展的角度考虑推广清洁环保海水淡化技术是解决水资源短缺问题的最佳选择。目前已有许多国家和地区利用太阳能进行海水淡化，其应用及发展前景非常广阔。特别是近几年，世界上有120多个国家设定了“碳中和”的时间节点，推广可再生能源，采用太阳能、风能甚至工业余热、潮汐能等进行离网海水淡化是未来发展的趋势〔5〕。在此基础上，笔者介绍了离网脱盐技术的研究意义及前景，重点讨论了太阳能界面蒸发技术的基本原理，进一步归纳总结了现阶段利用太阳能进行界面蒸发脱盐的各类技术，最后总结了太阳能界面蒸发脱盐技术目前存在的问题和今后的研究方向，为推动离网脱盐技术的发展提供一定的参考。

1 离网脱盐技术

离网脱盐技术是不通过电网系统而利用可再生能源，将海水中多余的盐分及矿物质去除得到淡水。传统并网脱盐工艺消耗大量化石燃料，成本及环境污染问题较为突出，特别是一些偏远欠发达的地区，当地电网难以供应传统海水淡化所需的电能，限制了海水淡化技术的发展及产业化。而由可再生能源驱动的离网脱盐技术可以解决电能短缺对海水淡化技术应用的限制，更有利于产业的长期可持续发展，特别是太阳能界面蒸发离网脱盐技术具有高产水量、低成本、维护简单和占地面积小等优点，能够满足欠发达地区居民对淡水的需求，具有一定的经济效益和环保效应，具有很大的发展潜力。

2 太阳能界面蒸发技术

2.1 太阳能界面蒸发技术基本原理

太阳能界面水蒸发技术是利用太阳能在光热材料表面促进水汽相变的技术，通过将光生热量局限在材料表面用于蒸发，极大地降低了材料向体系外传递的热量损失。许多研究人员探索将太阳能界面蒸发技术用于海水淡化，以缓解沿海地区淡水资源匮乏的问题〔6〕。利用太阳能界面蒸发制备淡水，包括以下几个过程：1）将光能转换为热能；2）获得的热量用于表面水体受热蒸发；3）水蒸气冷凝成核形成液滴并回收潜热〔7-8〕。

近几年，太阳能驱动的空气-水界面蒸发技术引起了许多学者的关注。图1为典型太阳能界面水蒸发系统的能量流动示意，其中光热材料位于空气-水界面处。太阳辐射是系统中唯一的能量输入，其被分成5部分：1）漫反射能量损失；2）水蒸发消耗的能量，包括水蒸发水显热和潜热；3）光热材料-水界面的能量反射损失；4）空气对流能量损失；5）下层水的热传导能量损失。

图1 太阳能界面水蒸发系统的能量流动示意Fig.1 Schematic diagram of energy flow in solar water evaporation system

为了减少能量损失，光热材料的应用起着重要的作用。材料的光热机理是太阳光辐射到材料表面后，在材料内部会激发电场，光能将通过分子热振动，电子空穴的产生和弛豫，局部等离子体加热等机理将光能转化为热能，如图2所示〔9〕。

图2 太阳辐射光谱与不同材料的光热效应机理Fig.2 Absorption ranges of earth spectrum and mechanisms of photothermal effect of different materials

由于界面处光热材料对光的响应速度极快，可快速使表面热化，并通过选择性加热和蒸发表面水，而不是全部水，能量利用效率大大提高，甚至在相对较低的太阳辐射条件下也能够达到较高的蒸发效率〔10〕。基于这些优点，太阳能驱动的空气-水界面蒸发技术在未来海水淡化方面具有广阔的应用前景。

2.2 太阳能界面蒸发光热转换材料

地球表面的太阳能辐射光谱波长范围为280~2 500 nm〔11〕。为了获取更多的太阳能，高性能的光热转换材料是关键，应满足具有较大的光谱吸收范围，并具有疏松多孔的结构特征。疏松多孔的结构能够使其利用毛细作用不断补充蒸发所消耗的水分，并且可以在内部多次反射太阳光束从而更有效地吸收太阳能，减少界面反射能量损失〔12〕。常见的光热材料有碳材料、金属及其氧化物、高分子聚合物以及相关复合材料〔13〕。

碳基材料具有较大的光谱吸收范围，主要是因为其材料中具有松散的π电子结构，使电子保持在更易被激发的基态，容易吸收光能而释放热量，光热转换效率较高〔14〕。碳基材料主要包括碳化植物、碳黑粉末、碳纳米管、石墨烯等，具有密度低、性能稳定、无有毒有害物质、可塑性高、宽谱吸收等诸多优点〔15〕。碳纳米管以及石墨烯等材料，价格较为高昂；而碳化植物材料如碳化蘑菇、碳化木材、碳化向日葵等，价格便宜，易于获取，并且天然植物材料可再生，经过一定的处理后在太阳能界面蒸发领域也表现出高的水蒸发效率，碳材料的制备工艺见图3，其制备过程简单，操作方便〔16〕。Xi CHEN等〔1〕开发了一种具有表面不对称润湿性的Janus木材蒸发器，顶部为疏水的太阳能吸收器，具有防水和耐盐性，木材蒸发器底部亲水结构能够利用毛细作用快速吸水，所开发的Janus木材蒸发器对20% NaCl水溶液的蒸发效率达到82.0%，并且在10个周期的测试中依旧能够表现出很高的蒸发效率。在所有已知的耐盐蒸发器中，这种Janus木材蒸发器具有相对高的蒸发效率和持续的耐盐性能，并且所需的木材来源广泛、成本低，Janus木材蒸发器在可持续离网脱盐和废水零排放领域具有广阔的应用前景。表面碳化的植物材料在光吸收转化及孔径调节方面具有显著优势，木材具有分布广泛、可生物降解和优异的隔热保温性能，且易于生产和获取，具有重要的研究价值。

图3 光热碳材料的制备Fig.3 Preparation of photothermal carbon materials

金属材料在光照下可以触发等离子体共振效应，当入射光频率与材料振荡频率一致时，会激发产生热电子，与入射磁场产生共振效应而释放热量。应用于太阳能界面蒸发技术的金属材料的制备工艺如图4〔17〕。Mingwei ZHU等〔18〕研究了一种添加金属纳米粒子的太阳能蒸发装置，通过将Pb、Au、Ag纳米颗粒负载到天然木材的3D介孔基质中，在400~2 500 nm的光谱范围内光吸收能力达到99%，同时该蒸发装置能够有效从底部吸收水分，在阳光照射下可以稳定产生蒸汽。Lin ZHOU等〔8〕通过将Au纳米粒子沉积到多孔模板上，制备了一种新型的等离子吸收器，在550~2 500 mm的波长范围内，平均吸光度达到99%。其他金属材料，如Ge、Al、In等，也已被用于纳米光热材料研究。Wei SUN等〔19〕用拉曼光谱对锗纳米晶体的光热效应进行了量化，发现锗纳米晶体的光热效应与尺寸有关，且优于硅纳米晶体，锗纳米晶体颗粒在海水淡化领域具有极大的应用潜力。K. BAE等〔20〕设计了一种表面负载等离子体的绝热纳米聚焦结构，通过在氧化铝模板上进行扩孔工艺表面镀金，使其具有黑色金膜，形成类似于山脊或山谷结构，太阳光平均吸收率为91%。金属材料具有优异的光热转换效率和高稳定性，然而材料价格昂贵且具有较高的光反射系数，在进行改性时往往需要考虑其自身固有的缺陷，优化光吸收和成本等问题，在未来有希望大规模应用于光热海水淡化中。

图4 光热金属材料的制备Fig.4 Preparation of photothermal metal materials

高分子聚合物柔韧性高，易于制成各种形状，然而，相比其他材料，能够达到宽谱吸收和较高稳定性能的高分子材料相对较少。高分子材料在太阳能界面蒸发技术中的作用机制如图5所示〔13〕，高分子聚合物与水相互作用使聚合物网络中含有3种水：结合水、间隙水和自由水，在太阳照射下，聚合物网络可利用太阳能产生水蒸气。V. KASHYAP等〔21〕将PEDOT-PSS水凝胶在石墨毯表面聚合，制成具有柔性且防堵塞的太阳能脱盐装置，可稳定高效处理高盐水。Fei ZHAO等〔7〕设计了基于聚乙烯分子网格的层状纳米结构太阳能蒸汽发生器，能够有效将光能转化为热能。Xuan WU等〔22〕开发了一种用于太阳能界面蒸发的聚多巴胺-木材蒸发装置，通过将聚多巴胺颗粒添加到天然木材的上表面，能够有效进行光热转换，天然木材中的维管束能够凭借毛细作用将水输送到蒸发表面，在太阳辐射为96 mW/cm2的条件下，水蒸发效率可达到87%。聚合物密度较低，并且可以通过3D打印等加工手段，制备成漂浮体，进一步提高了净水装置的可适用性，但是高分子聚合物材料适宜于较为温和的环境，在强光照射下容易发生老化、破损等现象，其环境耐性较低，在很大程度上限制了其适用范围〔11〕。

图5 高分子材料在太阳能界面蒸发技术中的作用机制Fig.5 Action mechanism of polymer materials in solar interfacial evaporation technology

一些研究也表明，各种光热复合材料，能集其所长，更容易提高水蒸气产生速率，大大提高其在太阳能界面蒸发领域的应用〔23〕。

3 现阶段太阳能驱动的离网脱盐应用研究

3.1 太阳能驱动的多级闪蒸和多效蒸馏脱盐技术

传统太阳能蒸发技术主要借助光热材料间接加热，更适合在船舶、沙漠和其他淡水资源匮乏的地区生产淡水，较为简单的蒸发装置可以直接漂浮在水面上，利用透明材料（如玻璃）作为光透射表面，并促进水蒸气冷凝〔24〕。这些简单的太阳能蒸发装置可在合适的环境下生产优质淡水，但是热效率极低。目前，应用较为广泛的太阳能热脱盐技术通常是MSF或MED单元与太阳能加热器连接，如图6所示〔25〕。MSF和MED海水淡化技术已比较成熟，并且MSF和MED可有效回收冷凝潜热〔2〕。MSF和MED工艺即使在相对较低的蒸发温度下，通过降低上部空间中的蒸汽压力也可实现高效水蒸发。

图6 MSF与MED单元示意Fig.6 MSF and MED distillation units

3.2 太阳能驱动的膜蒸馏脱盐技术

MD是一种新型分离纯化技术，原水加热后产生的水蒸气通过疏水膜，在另一侧冷流液化，使膜表面产生蒸汽压差以驱动水蒸气传输〔26〕。目前，膜蒸馏主要包括以下几种形式：直接接触膜蒸馏（Direct contact Membrane Distillation，DCMD）、气隙式膜蒸馏（Air-gap Membrane Distillation，AGMD）、扫气式膜蒸馏（Sweeping Gas Membrane Distillation，SGMD）和真空膜蒸馏（Vacuum Membrane Distillation，VMD）〔27〕。每种膜蒸馏都有其自身的特点，AGMD在太阳能水蒸发领域具有独特的潜热回收优势〔28〕。AGMD系统流程如图7（a）所示〔29〕，太阳能AGMD中，将太阳能转化成海水的热能，产生的高温水蒸气通过膜进入蒸馏室，并在冷流侧传热表面凝结成液体，流入和流出的水以逆流模式循环，水蒸气凝结释放的热量将继续加热进水，因此，热能利用率显著提高。最近，一些学者将MD膜与光热材料相结合，直接将太阳能界面加热用于MD。P. D. DONGARE等〔30〕通过静电纺丝法将碳黑和PVA混合沉积在PVDF膜的表面，设计了一种直接由太阳能驱动的光子纳米太阳能膜蒸馏系统。在该系统中，阳光直接加热膜一侧的水形成水蒸气，在蒸汽压的作用下，水蒸气透过PVDF膜，并在膜的另一侧冷凝，能量利用率大大提高。在此基础上开发出的多级太阳能膜蒸馏工艺则进一步提高了能量利用效率。E.CHIAVAZZO等〔31〕设计了一种多梯度太阳能蒸馏器，该装置可在户外运行并能够满足偏远或贫困地区的日常用水需求，其主要特点是冷凝水通过多级潜热回收和多级循环使冷凝潜热直接用于加热水体，有效降低了热损失，系统水分蒸发效率和能量利用率显著提升。Yixiu DONG等〔32〕研发了具有自由流动蒸发通道的多级光热膜蒸馏（MS-PMD）装置，如图7（b）所示，太阳辐射穿透顶部聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）盖和薄水层，直接加热光热膜表面的海水，水蒸气通过膜孔在铝板冷凝，并用于加热下一级给水，实现潜热的有效回收。该装置太阳能吸收、蒸汽传输、能量传递都在蒸发通道中，使蒸发表面温度稳定，大大降低了温度极化，并且产水和耐盐性能显著提高，能够稳定运行8 h且无盐沉积。

图7 AGMD系统流程（a）和MS-PMD装置原理（b）Fig.7 Schematic diagram of AGMD （a） and schematic diagram of MS-PMD （b）

3.3 温室海水淡化脱盐技术

地球上许多沿海干旱和半干旱地区，如以色列等中东地区，日照较为充足，但淡水资源匮乏，因此，利用温室脱盐技术来缓解农业生产缺水问题是一个不错的选择〔33〕。传统的温室脱盐技术如图8所示〔34〕，海水、微咸水进入上部温室屋顶，由太阳能辐射加热蒸发水蒸气，在室内凝结成液滴，并通过重力作用输送给土壤中的作物，减少传统喷灌所消耗的能量，多余的水可以储存在水箱中备用。水蒸气蒸发吸收热量也使室内保持凉爽，更利于作物生长。温室脱盐装置简单、灵活、机动性强、安装和操作成本低，所获得的淡水可以灌溉作物，更重要的是，该技术可以直接利用太阳能〔34-35〕。M. T. CHAIBI等〔36〕调研了Tunis的温室屋顶，并研究了屋顶透光率对太阳能蒸馏器的水分蒸发和作物产量的影响。J.LINDBLOM等〔37〕开发了脱盐水的冷凝灌溉工艺，使用太阳能加热蒸发海水，产生的水蒸气进入地面水平管道，渗透到土壤中，该研究设计了一条长50 m、平均产水量1.8 kg/m的管道，可满足基本灌溉要求。温室脱盐技术具有非常高的实用价值，特别是在中低纬度较为干旱且日照充足的地区，是当地农业生产中的重要工艺。

图8 温室脱盐流程示意Fig.8 Schematic diagram of greenhouse desalination

3.4 太阳能加湿除湿海水淡化技术

太阳能加湿除湿（Humidification-dehumidification，HDH）海水淡化技术通过太阳能对空气进行加湿和除湿来获得淡水。典型的太阳能HDH系统主要包括4个过程：太阳能热收集、海水加热、淡水集聚和空气循环〔38〕。太阳能HDH海水淡化系统如图9所示〔39〕，太阳能水加热循环产生热水，太阳能空气加热循环产生热空气，加湿器产生湿空气，除湿器产生淡水。太阳能水加热循环由真空管太阳能集热器、流量计和闸阀3部分组成。太阳能集热器是一个真空管系统，由20个真空管和一个储存海水的不锈钢水箱组成。与传统的海水淡化方法相比，太阳能HDH技术具有投资成本低、蒸发压力小、太阳能热获取便捷、蒸发过程温和、设备规模小、产水水质好等优点，操作温度约为70~90 ℃，可在炎热和潮湿的气候下经济高效地运行〔40〕。A. FOUDA等〔41〕提出了一种用于湿热地区HDH海水淡化的太阳能集成系统，在不同的运行和设计条件下，对系统进行了暂态分析和参数研究，结果表明，随着空气温度、空气湿度和太阳能集热器面积的增加，系统的淡水生产力、系统水回收率均增加，且该系统在湿热气候地区运行极为经济高效。S. M. SOUFARI等〔42〕在伊朗建造了一个淡水生产能力为10 kg/h的太阳能HDH测试装置，该装置主要包括平板太阳能收集器、加湿器和除湿器，能够高效生产淡水。太阳能HDH脱盐系统在海水淡化工艺中具有重要的影响。

图9 太阳能HDH海水淡化系统流程Fig.9 Schematic diagram of solar HDH desalination system

3.5 多能耦合脱盐技术

在利用太阳能进行海水淡化过程中，也存在诸多缺陷，如日照不稳定，特别是阴雨天气，大大限制了太阳能脱盐设备的运行。为了弥补这些缺陷，通过将太阳能与其他可再生能源耦合，可解决太阳能不稳定的问题〔43〕。风能是一种被广泛利用的可再生能源，具有无污染、分布范围广、技术化程度高等优点。太阳能和风能的耦合可有效解决太阳能脱盐夜间无法运行的问题。现阶段主要有两种太阳能和风能耦合的海水淡化技术，一种是用风能和太阳能互补发电，可充分利用风能和太阳能的发电优势并通过电能驱动进行RO脱盐；另一种方式是利用太阳能直接加热海水，风能发电储存电能，当太阳能不足时，以电能驱动RO，该方案更为节能，效率也得到进一步地提高。C. KORONEOS等〔44〕研究了风能和太阳能耦合的海水淡化综合模型，将两者结合，降低了海水淡化成本，并实现了电力存储。D. MENTIS等〔45〕在爱琴海的岛屿上采用风力发电与太阳能光伏发电耦合进行了海水脱盐，生产的淡水成本远低于市场价格。2017年，我国将太阳能和风能耦合的海水淡化设备安装于三沙市赵述岛，太阳能风能互补技术全面优化资源配置，确保系统稳定安全运行，有效解决了南海诸多区域缺水的问题。因此，凭借自然资源综合利用、传热增强、能源回收和综合效率高等诸多优点的多能量耦合海水淡化技术具有广阔的发展前景和应用潜力。

4 结语与展望

海水淡化属于能源密集型产业，近年来能源短缺问题严重，利用可再生能源进行离网脱盐的意义愈发重大。

目前，由太阳能驱动的可持续离网脱盐技术，特别是基于空气-水表面的太阳能界面蒸发技术，由于各种光热转换材料和蒸发器结构不断创新，大大提高了太阳能利用率和淡水生产率，使其在缓解淡水资源短缺问题中具有极大应用潜力，然而，现有的太阳能界面蒸发系统的光热转换效率、水传输效率以及界面处的蒸汽液化效率限制了太阳能界面蒸发离网脱盐技术的市场化、产业化，并且在海岸地区的海水脱盐项目，系统可能面临腐蚀、颗粒沉积等问题，导致设备维护繁琐、使用寿命缩短，未来的研究方向可朝着以下几个方向进行：1）设计开发具有追光功能的蒸发材料，结合计算机自动控制系统，进一步优化可控的蒸发速率、蒸汽温度和蒸汽扩散角；2）将高效太阳能界面蒸发技术与其他太阳能应用相结合，如引入多功能介质实现太阳能蒸馏杀菌或光催化净水，实现太阳能的多重利用；3）从化学、物理学等学科角度出发深入研究脱盐过程中的盐结晶问题，以实现蒸发设备的长期稳定运行；4）开发高性能、低能耗、高稳定性的蒸发设备，应用于太阳能海水淡化的工艺仍有待进一步优化。