何泓貝　朱清楷　任海濤

摘 要：隨著淡水資源短缺的問題日益加劇，太陽能熱脫鹽技術(shù)受到越來越多研究者的關(guān)注。太陽能水熱蒸發(fā)相比其他海水淡化方式具有成本低、污染小等特點，獲得高效光熱蒸發(fā)效率的關(guān)鍵在于如何更好地將收集的太陽能轉(zhuǎn)換為熱能并減少熱量損失。此外，若要維持蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率并延長使用壽命，需要其具備優(yōu)異的耐鹽性能?？椢锞哂械氖杷啥嗫捉Y(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)高效的水運輸，優(yōu)異的柔韌性和彈性能與蒸發(fā)器更好地兼容。文章綜述了織物基太陽能蒸發(fā)器的優(yōu)勢、光熱原理不同光熱材料的光熱效果以及提高耐鹽性和蒸發(fā)速率的方法。最后對太陽能蒸發(fā)器的未來發(fā)展和應用方向進行了展望。

關(guān)鍵詞：織物；太陽能蒸發(fā)器；海水淡化；光熱

中圖分類號：TS102.1 文獻標志碼：A 文章編號：1009-265X（2023）06-0267-10

水是生命之源，地球雖然有13億8600萬立方千米的總水量，但其主要分布在海洋，人類能飲用的淡水資源只有3500萬立方千米，而陸地上淡水湖和淡水河的水量不足地球總水量的1%，全球近20%的人口面臨水資源短缺的問題［1］。全球水危機正籠罩著許多國家，為了減輕水資源問題，海水淡化技術(shù)應運而生。然而，海水淡化廠幾乎都以化石燃料為主要熱源。在中東地區(qū)一座海水淡化廠每年要排放7600萬噸的二氧化碳［2］，而且海水淡化還會產(chǎn)生另一種副產(chǎn)物：高鹽鹵水［3］。從海水中提取淡水后，鹽廢水通常會被送回海洋，并在重力作用下沉入海底，使得海底鹽分含量增加和氧氣含量驟降，進而對海洋生態(tài)系統(tǒng)造成破壞。倘若沒有新的可替代能源，預計到2050年，海水淡化廠產(chǎn)生的鹽廢水將成為巨大的問題，排放的二氧化碳也會增加到4億噸［4］。由于水資源缺乏的地區(qū)大多太陽能充裕，且太陽能水熱蒸發(fā)成本較低，同時此方法也契合碳中和理念。因此，具有低成本的太陽能熱脫鹽技術(shù)可為海水淡化提供新途徑。

1 海水淡化技術(shù)

海水淡化技術(shù)是將海水中大量的鹽分和礦物質(zhì)去除而獲得淡水的工藝。根據(jù)從海水中脫鹽模式的不同，傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)主要分為熱法和膜法。

熱法是通過將海水加熱，蒸發(fā)的水蒸氣冷凝成淡水。這種方法對水質(zhì)的要求較低，所得水純度較高。目前主流的熱法海水淡化技術(shù)包括低溫多效蒸餾技術(shù)和多級閃蒸技術(shù)。低溫多效蒸餾技術(shù)利用罐內(nèi)低壓以降低料液沸點，使低于70 ℃的原料海水通過多次的蒸發(fā)和冷凝得到蒸餾水；多級閃蒸技術(shù)通過制造低壓條件，降低海水沸點獲得大量蒸汽。多級閃蒸技術(shù)是目前海水淡化中最成熟的技術(shù)，主要在海灣地區(qū)使用。然而，該技術(shù)需要對海水進行預處理，操作工藝復雜，設備要求高，多用于大型海水淡化工程。這兩者占海水淡化總份額約為25%［5］。膜法是指海水在外力作用下通過半透膜，鹽分被截留而水通過膜淡化海水的方法，主要包括反滲透法，電滲析以及膜蒸餾法。目前比較成熟的工藝是反滲

透法，其工藝是將預處理去除大部分雜質(zhì)后的海水，在海水側(cè)施加高于兩側(cè)溶液滲透壓差的壓力，分離出淡水與濃鹽水。反滲透法能在常溫下進行操作，耗能較低，運行效果穩(wěn)定，但是需要高壓設備，原水利用率只有75%～80%，膜壽命較低，且需要定期更換和清洗。占海水淡化總份額約為69%［4］。

除了主要的熱法和膜法之外，還有化學法，主要包括水合物法［6］和離子交換法［7］。這兩種化學法目前還在發(fā)展階段，尚未在商業(yè)中廣泛運用。傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)如圖1所示。

1.1 太陽能海水淡化技術(shù)

太陽能海水淡化技術(shù)是一種利用太陽能來提取海水中的鹽分，從而達到淡化海水的目的。其原理是太陽能吸收材料通過接收太陽輻射并將其轉(zhuǎn)化為熱量以提高水的溫度，從而促進蒸發(fā)。根據(jù)Clausius-Claperon方程，液態(tài)水會蒸發(fā)直至空氣中蒸汽的分壓等于水在給定溫度下的飽和壓力。利用太陽能使海水發(fā)生相變實現(xiàn)蒸發(fā)可以將海水淡化成能直接飲用的水，也可用作農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水等。近幾年太陽能蒸發(fā)器的蒸發(fā)效果見表1。根據(jù)太陽能吸收器的放置方式不同，可分為太陽能分散吸收器和太陽能表面吸收器兩種類型［8］。

1.1.1 分散太陽能吸收器

分散吸收器主要是利用分散在海水中的納米顆粒（NPs），主要包括金屬NPs和碳基NPs，納米顆粒均勻分散在水中，能與特定波長的光，尤其是近紅外光相互作用，通過等離子體共振或者電子躍遷引起電磁場變化，電磁波和水界面處的物質(zhì)相互作用使納米顆粒被加熱。

分散吸收器主要是通過提高光學吸收效率來提高光熱轉(zhuǎn)換效率。該吸收器會導致熱量分散，熱量會通過熱傳遞和熱輻射傳遞到整個水體中，導致蒸汽轉(zhuǎn)化效率較低。Kuzmenkov等［12］測試了兩種主要尺寸為49 nm和72 nm的多壁碳納米管，以及110 nm的Fe3O4顆粒。發(fā)現(xiàn)Fe3O4懸浮液的蒸發(fā)效率最高可達58%。而多壁碳納米管體系的蒸發(fā)效率最高為67%。Ulseta等［13］的實驗結(jié)果表明，尺寸為（51±17） nm的石墨懸浮液蒸發(fā)效率可達70%，這是由于石墨顆粒的形狀接近球形，使懸浮液具有更好的穩(wěn)定性。

由于分散的NPs在水中的界面體積比較大，NPs中轉(zhuǎn)化的熱量可以迅速向水中轉(zhuǎn)移。然而，NPs的傳熱量較低，且NPs周圍的氣泡成核具有較高的閾值［14］，太陽照射導致的局部溫度升高不足以使NP-水界面處的氣泡成核［15-16］。

1.1.2 表面太陽能吸收器

相比于分散太陽能吸收器，表面太陽能吸收器更具優(yōu)勢。表面吸收器漂浮在水上，有的漂浮物本身就是吸收器，太陽能加熱浸潤在蒸發(fā)器中的水；有的被放置在漂浮物上，單獨的漂浮物可以帶來良好的隔熱效果，熱量更加集中。與水分隔的結(jié)構(gòu)更方便其回收利用。

表面吸收器的光熱材料和光熱原理與分散吸收器并沒有太大差別，表面吸收器的金屬NPs或碳基材料裝載在多孔支架中，支架具有輸送水的功能，使水與光熱材料接觸，由于加熱的只有少量浸潤的水，而不是整個水體，熱量傳導到整個水體較少。與分散吸收器相比，表面吸收器加熱的水可以更快達到更高的溫度，因此蒸發(fā)速率更快。此外，由于整個水體保持在較低的溫度下，其與環(huán)境的溫差較小，因此水體與環(huán)境的熱交換較少。與NP懸浮液相比，加載到支架中的NPs也可以避免加熱過程中NPs的聚集和損失，方便NPs的回收利用。

1.2 太陽能海水淡化技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

太陽能海水淡化技術(shù)由于存在蒸發(fā)率低的問題還未被廣泛應用。這要求裝置不僅要具備高的光熱轉(zhuǎn)化效率，還要擁有良好的隔熱性能或特定結(jié)構(gòu)來抑制或減少熱量散失，良好的親水性能來實現(xiàn)高效水運輸。目前來看，表面太陽能蒸發(fā)器可具備上述特性。但是想要讓太陽能海水淡化技術(shù)廣泛應用于商業(yè)，還需要其具備高耐鹽性能和防污性能來維持裝置的長時間穩(wěn)定工作，簡化生產(chǎn)工藝和降低材料成本。

2 織物基太陽能蒸發(fā)器

2.1 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)

在追求高蒸發(fā)性能的同時，需要滿足熱損失、水供應與鹽結(jié)晶三者之間的平衡。過量的水供應會導致更大的熱損失，過快的水蒸發(fā)會導致鹽在蒸發(fā)器表面結(jié)晶從而影響光熱性能。織物結(jié)構(gòu)太陽能蒸發(fā)器屬于表面太陽能吸收器，因具有優(yōu)異的性能和較低的價格而受到研究者的青睞?？椢镒陨淼氖杷啥嗫捉Y(jié)構(gòu)利用毛細效應可提供高效的水運輸。此外，織物結(jié)構(gòu)具備的柔韌性與彈性可以使表面蒸發(fā)器具備更好的兼容性，并且可以改變織物基底的吸附性能，使其與光熱材料更好地結(jié)合。目前有關(guān)太陽能蒸發(fā)器的研究中，主要使用了棉、麻、尼龍、芳綸、腈綸、聚丙烯（PP）非織造材料以及水凝膠作為基底。

2.1.1 多孔結(jié)構(gòu)

非織造材料具有多孔結(jié)構(gòu)，耐化學性能優(yōu)異。由于纖維結(jié)構(gòu)的毛細效應，表現(xiàn)出優(yōu)異的水分輸送性能，其具有的疏松多孔結(jié)構(gòu)也有利于通過反射和散射來捕獲更多的太陽光。非織造材料雖然價格便宜，但它的強度和耐久性都不及紡織材料。

非織造材料本身具有很強柔韌性，可以與漂浮物良好兼容，對光熱材料也有很好的吸附性，可以通過簡單的物理方法進行負載。Sun等［17］采用浸涂法將炭黑（CB）負載到PP非織造布上，然后通過多巴胺（PDA）原位聚合將CB@PP進行包覆，得到具有超親水性的PDA/CB@PP。得益于超高的親水性，PDA/CB@PP織物在凈化海水時表現(xiàn)出顯著的耐鹽性。Li等［18］以PP非織造布為基底，通過浸涂法制備了RGO@PP非織造布，并建立了橋式蒸發(fā)系統(tǒng)，在避免熱量流失到海水的同時，在上下兩側(cè)形成共蒸發(fā)模式（見圖2）。值得注意的是，此蒸發(fā)器上累積的鹽結(jié)晶需要通過洗滌來清除，這需要蒸發(fā)器材料具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，以避免在洗滌過程中損壞。

2.1.2 3D結(jié)構(gòu)

除了使用疏松多孔結(jié)構(gòu)的無紡布作為基底材料，也有研究者通過編織使蒸發(fā)器具有3D結(jié)構(gòu)來獲得更大程度的光捕獲，這使得紡織技術(shù)在太陽能海水淡化上具有更廣闊的應用。

3D結(jié)構(gòu)通過多次散射和全向光吸收，達到最大程度的光捕獲。有研究者改善蒸發(fā)器表面的三維結(jié)構(gòu)來提高光熱性能，Lei等［19］設計了一種3D蜂窩狀織物裝飾親水性的Ti3C2Tx（MXene），并編織成太陽能蒸發(fā)器（見圖3）。以泡沫作為隔熱屏障，在泡沫中心嵌入棉織物作為水路，通過凹面結(jié)構(gòu)獲得最大的光捕獲，可以獲得最小的熱損失。蒸發(fā)器在1個太陽光照射下的蒸發(fā)效率高達93.5%，蒸發(fā)速率為1.62 kg/（m2·h）。

以水凝膠為基底的蒸發(fā)器由于水凝膠表面光滑，有研究者改變其形貌結(jié)構(gòu)來減少對光的反射。Guo等［20］以聚乙烯醇（PVA）作為基底，Ti2O3作為太陽能吸收劑，通過冷凍干燥法制備了海綿狀水凝膠，具有優(yōu)異的機械性能和低導熱率。在實驗中發(fā)現(xiàn)PVA能顯著降低水的潛熱，在黑暗條件下水凝膠的蒸發(fā)速率遠高于本體水。在1個太陽光下蒸發(fā)效率為90%，蒸發(fā)速率為3.6 kg/（m2·h）。Lei等［21］以石墨烯作為光熱材料，利用鹽模板方法，將特定粒度的NaCl固化到PVA中，最后將鹽溶解得到海綿狀的太陽能蒸發(fā)器。在1個太陽光下蒸發(fā)效率為93.5%，蒸發(fā)速率為2.04 kg/（m2·h）。也有研究者利用十二烷基硫酸鈉（SDS）作為發(fā)泡劑將活性炭粉末（AC）和PVA的混合漿液通過機械攪拌均勻打發(fā)，制備了具有高彈性的海綿狀水凝膠蒸發(fā)器［22］，改善了表面結(jié)構(gòu)和機械性能。

除了改善蒸發(fā)器表面形貌，也可以改變蒸發(fā)器的整體結(jié)構(gòu)來降低漫反射。Tu等［23］通過將高密度黑色尼龍纖維（BNF）插入PVC泡沫基材上，使用靜電植絨技術(shù)來構(gòu)建3D結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了1.10 kg/（m2·h）的高蒸發(fā)速率（蒸發(fā)效率為72.8%），在真實海水蒸發(fā)條件下表現(xiàn)出良好的耐久性和穩(wěn)定性，黑暗條件下，BNF植絨板表面堆積的鹽晶體會自動溶解，并輸送回本體。Lei等［24］利用“纖維-紗線-織物”的層次結(jié)構(gòu)，通過在纖維表面構(gòu)建聚多巴胺（PDA）/聚乙烯亞胺（PEI）-MXene-PDA/PEI核殼涂層，設計了垂直麻-紗線陣列的三維織物蒸發(fā)器（見圖4）。具有親水性PDA/PEI和Ti3C2Tx光熱材料修飾的三維織物蒸發(fā)器在1個太陽光照下的蒸發(fā)量可達3.95 kg/（m2·h）。該獨特的結(jié)構(gòu)增強了對流擴散效應，在質(zhì)量分數(shù)14%的鹽水中，于1個太陽光下照射120 h后，表面也沒有任何鹽晶體。

2.1.3 橋式結(jié)構(gòu)

與表面蒸發(fā)器不同，橋式結(jié)構(gòu)讓負載在蒸發(fā)器表面的光熱材料與水分離，能最大程度減少熱量傳遞到水體中。然而，由于橋式結(jié)構(gòu)水供應較少，鹽結(jié)晶堆積是不得不考慮的難題。目前通常的做法是用水洗去鹽結(jié)晶，也有研究者另辟蹊徑，如Liu等［25］設計了織物懸掛間接接觸蒸發(fā)系統(tǒng)（見圖5）。將親水光熱織物懸掛在空氣中，織物的兩個邊浸入兩個海水罐，在太陽光照射下，光熱織物產(chǎn)生的熱量可以被限制在織物內(nèi)部，該裝置在1個太陽光照射下（1.0 kW/m2），海水淡化的蒸發(fā)速率為1.94 kg/（m2·h），太陽能效率為89.9%。高濃度的鹽水可以從弧形織物的底部滴下，不會出現(xiàn)固體鹽堆積的現(xiàn)象。

這兩種橋式結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器都有各自的缺點，Li［18］設計的蒸發(fā)器避開了蒸發(fā)器鹽結(jié)晶的問題，蒸發(fā)器使用繁瑣，使用壽命較短；Liu［25］設計的蒸發(fā)器讓具有高熱的濃鹽水滴落，增加了熱損失，并且裝有濃鹽水的水槽需要定期清理，不符合目前海水淡化的趨勢。相比之下，He等［26］提出了一種通過Janus離子選擇水凝膠實現(xiàn)離子的電遷移除鹽，打破了歷史上對水對流的依賴，并顯著降低了熱損失（見圖6）。水凝膠的離子選擇性使陽離子向下轉(zhuǎn)移，陰離子向上轉(zhuǎn)移，在蒸發(fā)器上下表面形成了兩個高鹽區(qū)，在蒸發(fā)器內(nèi)建立了電勢，利用離子遷移來增加耐鹽性。7 d內(nèi)能穩(wěn)定快速地去除鹽水中的鹽，在質(zhì)量分數(shù)15%的鹽水中可達到6.86 kg/（m2·h）蒸發(fā)速率。

Janus離子選擇水凝膠從蒸發(fā)表面分別降低陽離子和陰離子濃度，由此產(chǎn)生的電遷移提高了耐鹽性，而不是像傳統(tǒng)的耐鹽策略那樣增加水流，因此，熱量損失被巧妙地減少，蒸發(fā)效率達到了前所未有的高度。

2.2 功能性修飾

2.2.1 光熱性能

太陽能光譜的波長范圍在200～2500 nm，其輻射能主要分布在可見光區(qū)和紅外區(qū)，前者約占太陽輻射總能量的50%，后者約占43%，太陽紫外區(qū)占總能量的7%。理想的光熱材料需要能吸收波長在200～2500 nm的全太陽光譜的光且具有優(yōu)秀的光熱轉(zhuǎn)換能力。

目前研究的光熱材料有金屬NPs（包括Au、Ag、Al、Pt），金屬氧化物，以及碳基材料（包括碳，石墨，聚吡咯以及MXenes）等。

光熱機理分為3類：等離子體局域加熱，電子空穴的產(chǎn)生和弛豫，分子的熱振動［27］。一些金屬NPs（如Au［28］、Ag［29］、Cu［30］、Al［31］）可以有效地與特定波長的光相互作用并產(chǎn)生熱，這主要是因為等離子體共振，自由電子集體激發(fā)并產(chǎn)生熱電子，熱電子具有很高的動能，可以將光能轉(zhuǎn)化為熱。在MoS2［32］、CuS［33］、Fe3O4［34］等半導體的非輻射弛豫中，太陽光照射產(chǎn)生電子-空穴對，電子-空穴對將激發(fā)到帶隙邊緣并發(fā)射聲子，將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能［35］（見圖7）。碳基NPs在可見光和近紅外范圍具有很高的光吸收效率，這是因為π電子云擁有相近的能級，電子可以很容易地從π軌道激發(fā)到π*軌道，通過晶格振動將這種能量轉(zhuǎn)化為熱量。Mu等［36］將聚4-乙烯基吡啶（P4VP）納米纖維與Au NPs相結(jié)合，制備了P4VP-Au NP復合薄膜，在3.4 kW/m2的太陽光照下，太陽能熱轉(zhuǎn)換效率為77%，蒸發(fā)速率為3.4 kg/（m2·h）。石墨烯衍生物也被添加到水凝膠中，擁有極高的光熱轉(zhuǎn)化效率：Zhou等［37］將還原氧化石墨烯（rGO）負載到聚乙烯醇（PVA）框架中，rGO滲透在聚合物網(wǎng)絡中，具有的毛細水通道可以增加水的運輸。在1個太陽照射下的蒸發(fā)效率為95%，蒸發(fā)速率為2.5 kg/（m2·h）。為了降低成本，也有很多研究者將天然植物碳化作為光熱材料。天然植物如樹木［38］、蘑菇［39］等可以通過簡單的碳化過程制備成光熱材料。天然植物具有自漂浮性，低導熱性和親水性，還有多孔微結(jié)構(gòu)作為水通道，是良好的蒸發(fā)器材料。

在實際應用中，可能涉及不止一種光熱機理，尤其是對于包含兩種或兩種以上組分的光熱化合物。MXenes是一種新型的過渡金屬碳化物，是一種極好的二維納米材料，在近紅外區(qū)域具有很強的吸收特性。Xiao等［40］使用乳液浸漬涂層法來制備超疏水織物復合材料，MXene納米片和PDA層通過氫鍵連接，聚二甲基硅氧烷在織物表面形成顆粒，改善了表面粗糙度，使織物具有超疏水性，防止織物表面的鹽積累。此蒸發(fā)器在1個太陽光下的蒸發(fā)速率為1.526 kg/（m2·h），蒸發(fā)效率為93.3%。

值得注意的是，半導體在光照下，生成的電子-空穴對具有強還原氧化能力，可以降解有機物，解決了傳統(tǒng)界面蒸發(fā)體系中非揮發(fā)性雜質(zhì)殘留導致的二次污染問題［11］，同時光熱具有的殺菌效果也能防止生物污染［41］，讓蒸發(fā)器在實際使用中擁有更長的壽命，但是降低了光熱轉(zhuǎn)化效率。

2.2.2 耐鹽性能

蒸發(fā)器表面的鹽沉積影響了以毛細管為基礎的水運輸，優(yōu)異的耐鹽性能可有效維持蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率并延長其使用壽命，目前增加耐鹽性能的方式有兩種。a）增加親水性減少鹽沉積：通過提高親水性使蒸發(fā)器中離子濃度降低，不足以使高濃度海水結(jié)晶。b）增加疏水性減少鹽沉積：通過排斥鹽離子來減小蒸發(fā)器表面的鹽濃度來減少鹽結(jié)晶。而最新的研究表明，可以利用離子的電遷移除鹽［26］。也有研究者不在蒸發(fā)器的耐鹽性上做研究，而是通過洗滌來清除積累的鹽結(jié)晶［18，42］。積累的鹽會影響織物的性質(zhì)，Shoeibi等［43］發(fā)現(xiàn)由于鹽的沉積，織物的毛細現(xiàn)象有所減弱，這會使水通道堵塞，嚴重影響蒸發(fā)性能。

2.2.2.1 親水改性

改善親水性可以使用超親水材料作為基底，比如PVA或丙烯酰胺，也可以在蒸發(fā)器表面涂覆親水性膜。一般來說蒸發(fā)材料的頂部和基材的親水性不同，底部通常比頂部更親水，一方面可以改善水的運輸，另一方面，在頂部被加熱的水較少，增加了蒸發(fā)速率。Zhou等［37］設計的氧化石墨烯（rGO）滲透到聚乙烯醇（PVA）制備的混合水凝膠太陽能蒸發(fā)器，擁有極高的親水性，水蒸發(fā)后離子濃度不足以引起結(jié)晶，即使海水鹽度為20%，也能保持其蒸發(fā)速率和防污性能。而Sun等［17］采用浸涂法制備的具有超親水性的PDA/CB@PP，不僅可以防止鹽的結(jié)晶，還可以重新溶解其表面的鹽顆粒，織物的親水多孔結(jié)構(gòu)保留了水通道，可以提供持續(xù)的供水，防止了鹽的積累。

除此之外，Meng等［44］通過涂覆聚乙烯亞胺（PEI）在不破壞MXene膜結(jié)構(gòu)的情況下，成功地調(diào)節(jié)了MXene膜的表面電荷，提高了MXene膜的親水性，由于靜電斥力和粒度篩分的協(xié)同作用，表現(xiàn)出優(yōu)異的透水性和高耐鹽性。除了對原本親水性較低的材料通過改性來提高其親水性，還可以用具有高親水性的網(wǎng)格材料來提高水分的輸送速率［19，37］。

2.2.2.2 疏水改性

與親水改性相反，對蒸發(fā)器表面進行疏水改性也可以增加其耐鹽性能，親水性水路運送的水無法進入吸收器內(nèi)部，被限制在水路內(nèi)。水通道頂部的鹽濃度增加，在濃度梯度的驅(qū)動下，鹽可以從高濃度向低濃度轉(zhuǎn)移，最終回到水體中，在裝置中不會有鹽沉積。Xiao等［40］使用聚二甲基硅氧烷對丙綸進行改性，使織物具有超疏水性并提升其穩(wěn)定性。Tang等［45］通過使用全氟硅烷改變MXene的親水性，得到超疏水MXene納米片。

針對MXene材料，除了可以改善其親水或疏水性能來提高耐鹽性，還可以通過插入金屬離子來實現(xiàn)對鹽的截留，增加其耐鹽性能。如Ding等［46］通過Al3+離子的嵌入制備非溶脹MXene膜。Al3+離子充當黏合劑，以抑制MXene膜在水中的溶脹和實現(xiàn)對鹽的截留，對NaCl的截留率高（約89.5%～99.6%），水通量大（約1.1～8.5 L/（m2·h））。在相鄰MXene納米片之間插入Al3+不僅可以固定MXene層間距，而且可以讓水快速滲透并截留鹽溶質(zhì)。

2.3 熱管理和水供應

良好的熱管理可以很大程度上防止熱量散發(fā)到環(huán)境中，以提高熱轉(zhuǎn)化為蒸汽的效率。太陽能主要通過傳導、輻射和對流［47-49］3種傳熱方式損失。減少向水體中的導熱散熱是最重要的一環(huán)。在沒有任何熱管理設計的情況下，若吸收器直接與水體接觸，會有7%的輻射損失，5%的對流損失和43%的傳導損失［50］。水路設計是實現(xiàn)連續(xù)高效水運輸?shù)年P(guān)鍵因素，水源定向持續(xù)的流向局部加熱區(qū)，才能高效地產(chǎn)生水蒸氣。

為了實現(xiàn)熱損失和水供應之間的平衡，近年來表面太陽能吸收器主要分為兩種類型：親水雙層結(jié)構(gòu)和具有專用輸水通道的孔道結(jié)構(gòu)。親水泡沫在使用過程中會被水浸泡，其導熱率接近于水，遠高于干燥狀態(tài)，使用整個漂浮材料吸水，這實際上會影響局部熱化。一些研究者在非濕潤性漂浮物中安裝了獨立的親水性水通道［19，23］，來最大程度地減少熱量流失。

為了設計理想的保溫層并使其漂浮在水面上，一般采用導熱系數(shù)低且密度低的材料，如木材、氣凝膠、聚苯乙烯泡沫等。木材一直是研究的熱門材料［51］，由于木材的各向異性紋理，減少了橫平面方向的熱傳導［52］，在同樣的導熱系數(shù)下，木材的隔熱效果要好很多，能最大限度地減少熱量損失到水體中。除了木材具有各向異性的熱傳導，江金魚等［53］發(fā)現(xiàn)了以環(huán)氧樹脂作為基體，以碳纖維作為增強相的碳纖維增強環(huán)氧樹脂。熱量會優(yōu)先沿碳纖維的軸向方向由高溫區(qū)域傳導至低溫區(qū)域，可以有效地實現(xiàn)定向散熱，在海水淡化的隔熱保溫層可能有潛在應用。

在1個太陽光下，目前大部分蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率都低于疏水多孔材料的吸水速率（1.87 kg/（m2·h））［54］，且遠低于常見親水多孔材料（超過1000 kg/（m2·h））［55］。因此，由于蒸發(fā)速率較低，水供應并不會限制蒸發(fā)，使用專用水通道的非濕潤泡沫可在實現(xiàn)高效水運輸?shù)耐瑫r有效減少熱損失。

3 結(jié)論與展望

為了緩解全球水危機，出于成本和環(huán)?？紤]，太陽能海水淡化是最為理想的技術(shù)。雖然目前太陽能蒸發(fā)器的蒸發(fā)效率相對較低，為家庭提供清潔用水還不切實際，但在提供家庭飲用水方面仍有意義。

要想實現(xiàn)高蒸發(fā)速率，高光熱轉(zhuǎn)換效率和耐鹽性、優(yōu)秀的熱管理和水供應缺一不可。以下方法可以提高太陽能蒸發(fā)器的蒸發(fā)效果。

a） 改變蒸發(fā)器的表面形貌或者改變蒸發(fā)器的整體結(jié)構(gòu)，來獲得最大的光捕獲。

b）使用具有親水性孔道的疏水材料來減少熱損失?？椢锝Y(jié)構(gòu)的材料擁有優(yōu)異的親水性，由于其吸水速率高于蒸發(fā)速率，水供應不會限制蒸發(fā)速率。

c）通過提高親水性或者增加疏水性來提升耐鹽性能。優(yōu)異的耐鹽性能可有效維持蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率并延長其使用壽命。

d）改進蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)。表面太陽能蒸發(fā)器中的橋式結(jié)構(gòu)具有最小的熱損失，它避免了熱量向水體傳導并在下表面也形成了蒸發(fā)面。

目前蒸發(fā)速率最高的太陽能蒸發(fā)器是Janus水凝膠和棉織物構(gòu)成橋式結(jié)構(gòu)的太陽能表面吸收器［26］，擁有超高的蒸發(fā)速率（6.86 kg/（m2·h））。雖然上下兩側(cè)形成共蒸發(fā)模式會極大提高蒸發(fā)速率，并顯著降低熱損失，但是其結(jié)構(gòu)復雜，不方便其實際應用。

在實際應用中，除了需要考慮壽命和換膜成本的問題，生物污染也會是一大挑戰(zhàn)，在追求光熱效果的同時，也要考慮抗菌等問題。大多數(shù)太陽能蒸發(fā)器是為偏遠和欠發(fā)達地區(qū)的應用而提出，這些地區(qū)水資源缺乏但太陽能充裕。隨著太陽能海水淡化技術(shù)的不斷完善，未來一定能得到更加廣泛的運用。

參考文獻：

［1］陳振宇，張倍源，席聰霞，等.基于多元線性回歸分析的水資源供需問題研究［J］.新型工業(yè)化，2021，11（6）：27-28.

CHEN Zhengyu， ZHANG Beiyuan， XI Congxia， et al. Research on the supply and demand of water resources based on multiple linear regression analysis［J］. The Journal of New Industrialization， 2021，11（6）：27-28.

［2］LIU J， CHEN S， WANG H， et al. Calculation of carbon footprints for water diversion and desalination projects［J］. Energy Procedia， 2015， 75： 2483-2494.

［3］BIANCHELLI S， MARTIRE M L， POLA L， et al. Impact of hypersaline brines on benthic meio-and macrofaunal assemblages： A comparison from two desalination plants of the Mediterranean Sea［J］. Desalination， 2022， 532： 115756.

［4］KAMAL A， Al-GHAMDI S G， KO M. Assessing the impact of water efficiency policies on Qatar's electricity and water sectors［J］. Energies， 2021， 14（14）： 4348.

［5］SALEH L， MEZHER T. Techno-economic analysis of sustainability and externality costs of water desalination production［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2021， 150： 111465.

［6］徐政濤，謝應明，孫嘉穎，等.水合物法海水淡化技術(shù)研究進展及展望［J］.熱能動力工程，2020，35（7）：1-11.

XU Zhengtao， XIE Yingming， SUN Jiaying， et al. Research progress and prospect of hydrate based desalination technology［J］. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power， 2020，35（7）：1-11.

［7］LIU Y， WANG J， WANG L. An energy-saving "nanofil-tration/electrodialysis with polarity reversal （NF/EDR）" integrated membrane process for seawater desalination. Part III. Optimization of the energy consumption in a demonstration operation［J］. Desalination， 2019， 452： 230-237.

［8］PANG Y， ZHANG J， MA R， et al. Solar-thermal water evaporation： A review［J］. ACS Energy Letters， 2020， 5（2）： 437-456.

［9］BAI Z， XU H， YANG B， et al. Fe3O4/diatomite-decorated cotton evaporator for continuous solar steam generation and water treatment［J］. Materials， 2022， 15（17）： 6110.

［10］ZAHMATKESH B B， NIAZMAND H， GOHARSHADI E K. Synergistic effect of Fe3O4 nanoparticles and Au nanolayer in enhancement of interfacial solar steam generation［J］. Materials Research Bulletin， 2023， 162： 112178.

［11］王誠，董欣欣，張華，等.光熱-光催化雙功能Au@Cu2O二元異質(zhì)結(jié)的制備及其對水的清潔處理［J］.現(xiàn)代紡織技術(shù)，2023，31（6）：43-50.

WANG Cheng， DONG Xinxin， ZHANG Hua， et al. Preparation of bifunctional Au@Cu2O binary heterojunctions with photothermal effect and photocatalysis for clean water generation［J］. Advanced Textile Technology， 2023， 31（6）： 43-50.

［12］KUZMENKOV D M， STRUCHALIN P G， OLKHOVSKII A V， et al. Solar-driven desalination using nanoparticles［J］. Energies， 2021， 14（18）： 5743.

［13］ULSET E T， KOSINSKI P， BALAKIN B V. Solar steam in an aqueous carbon black nanofluid［J］. Applied Thermal Engineering， 2018， 137： 62-65.

［14］SCHIFFBAUER J， LUO T. Liquid phase stabilization versus bubble formation at a nanoscale curved interface［J］. Physical Review E， 2018， 97（3）： 033106.

［15］HOGAN N J， URBAN A S， AYALA-OROZCO C， et al. Nanoparticles heat through light localization［J］. Nano-Letters， 2014， 14（8）： 4640-4645.

［16］NI G， MILJKOVIC N， GHASEMI H， et al. Volumetric solar heating of nanofluids for direct vapor generation［J］. Nano Energy， 2015， 17： 290-301.

［17］SUN S， SUN B， WANG Y， et al. Carbon black and polydopamine modified non-woven fabric enabling efficient solar steam generation towards seawater desalination and wastewater purification［J］. Separation and Purification Technology， 2021， 278： 119621.

［18］LI Z， LEI H， MU Z， et al. Reduced graphene oxide composite fiber for solar-driven evaporation and seawater desalination［J］. Renewable Energy， 2022， 191： 932-942.

［19］LEI Z， SUN X， ZHU S， et al. Nature inspired MXene-decorated 3D honeycomb-fabric architectures toward efficient water desalination and salt harvesting［J］. Nano-Micro Letters， 2021， 14（1）： 1-16.

［20］GUO Y， ZHOU X， ZHAO F， et al. Synergistic energy nanoconfinement and water activation in hydrogels for efficient solar water desalination［J］. ACS Nano， 2019， 13（7）： 7913-7919.

［21］LEI W， LIU Y， KHAN S， et al. Synergistically regulated surface structure and water transportation of sponge hydrogel evaporator for efficient water desalination［J］. Desalination， 2022， 533：115780.

［22］AQIANG C， MENG Y， HONGDA Y， et al. Sustainable self-cleaning evaporators for highly efficient solar desalination using a highly elastic sponge-like hydrogel.［J］. ACS Applied Materials & Interfaces，2022. 14（31）： 36116-36131.

［23］TU C， CAI W， CHEN X， et al. A 3D-structured sustainable solar-driven steam generator using super-black nylon flocking materials［J］. Small， 2019， 15（37）： 1902070.

［24］LEI Z， ZHU S， SUN X， ET AL. A multiscale porous 3D-fabric evaporator with vertically aligned yarns enables ultra-efficient and continuous water desalination［J］. Advanced Functional Materials， 2022， 32（40）： 2205790.

［25］LIU Z， WU B， ZHU B， ET AL. Continuously producing watersteam and concentrated brine from seawater by hanging photothermal fabrics under sunlight［J］. Advanced Functional Materials， 2019， 29（43）： 1905485.

［26］HE N， YANG Y， WANG H， et al. Ion-transfer engineering via Janus hydrogels enables ultrahigh performance and salt-resistant solar desalination［J］. Advanced Materials， 2023： 35（24）： 2300189.

［27］CHEN C J， KUANG Y D， HU L B. Challenges and opportunities for solar evaporation［J］. Joule， 2019， 3（3）： 683-718.

［28］LIU C X， HUANG J F， HSIUNG C E， et al. High-performance large-scale solar steam generation with nanolayers of reusable biomimetic nanoparticles［J］. Advanced Sustainable Systems， 2017， 1（1/2）： 1600013.

［29］LIU F， LIANG W， HE J， et al. Fabrication of Ag nanoparticles doped hypercrosslinked polymers monoliths for solar desalination［J］. Polymer， 2021， 231： 124115.

［30］GU Y， LI X， LI X， et al. Facilepreparation of Cu2S/Cu mesh for high-performance solar water evaporation［J］. ChemistrySelect， 2021， 6（31）： 7901-7905.

［31］GUO X， WANG H， GAO H， et al. Thermal performance of hydrophobic α-Al2O3 ceramic membrane for solar-thermal membrane coupling water desalination process［J］. Solar Energy， 2022， 231： 27-40.

［32］WANG Q， JIA F， HUANG A， et al. MoS2@ sponge with double layer structure for high-efficiency solar desalination［J］. Desalination， 2020， 481： 114359.

［33］SONG C， WANG L， LI X， et al. A Chitin/CuS composite film for efficient solar seawater desalination［J］. Inorganic Chemistry Communications， 2021， 133： 108886.

［34］LI W， CHEN Y， YAO L， et al. Fe3O4/PVDF-HFP photothermal membrane with in-situ heating for sustainable， stable and efficient pilot-scale solar-driven membrane distillation［J］. Desalination， 2020， 478： 114288.

［35］WANG T， HUANG H， LI H， et al. Carbon materials for solar-powered seawater desalination［J］. New Carbon Materials， 2021， 36（4）： 683-701.

［36］MU S， NAN J， SHI C， et al. A flexible polymer nanofiber-gold nanoparticle composite film for solar-thermal seawater desalination［J］. Macromolecular Rapid Communications， 2020， 41（24）： 2000390.

［37］ZHOU X， ZHAO F， GUO Y， et al. A hydrogel-based antifouling solar evaporator for highly efficient water desalination［J］. Energy & Environmental Science， 2018， 11（8）： 1985-1992.

［38］KAREN W M J， WANG Z， LIEW W Y H， et al. Low-cost and sustainable carbonized sawdust based solar absorber for solar vapor generation towards seawater desalination［J］. Waste and Biomass Valorization， 2023： 1-10.

［39］FENG X， ZHAO J， SUN D， et al. Novel onion-like graphene aerogel beads for efficient solar vapor generation under non-concentrated illumination［J］. Journal of Materials Chemistry A， 2019， 7（9）： 4400-4407.

［40］XIAO W， YAN J， GAO S， et al. Superhydrophobic MXene based fabric composite for high efficiency solar desalination［J］. Desalination， 2022， 524： 115475.

［41］毛欽清，張麗莎.多功能光熱材料在海水淡化中研究進展與應用［J］.廣東化工，2022，49（19）：86-87.

MAO Qinqing， ZHANG Lisha. Researchprogress and application of multifunctional photothermal materials in seawater desalination［J］. Guangdong Chemical Industry， 2022， 49（19）： 86-87.

［42］ZHU B， KOU H， LIU Z X， et al. Flexible and washable CNT-embedded PAN nonwoven fabrics for solar-enabled evaporation and desalination of seawater［J］.ACS Applied Materials & Interfaces， 2019， 11（38）： 35005-35014.

［43］SHOEIBI S， SAEMIAN M， KARGARSHARIFABAD H， et al. A review on evaporation improvement of solar still desalination using porous material［J］. International Communications in Heat and Mass Transfer， 2022， 138： 106387.

［44］MENG B， LIU G， MAO Y， et al. Fabrication of surface-charged MXene membrane and its application for water desalination［J］. Journal of Membrane Science， 2021， 623： 119076.

［45］TANG S， WU Z， FENG G， et al. Multifunctional sandwich-like composite film based on superhydrophobic mxene for self-cleaning， photodynamic and antimicrobial applications［J］.SSRN Electronic Journal， 2022， 454： 140457.

［46］DING L， LI L， LIU Y， et al. Effective ion sieving with Ti3C2Tx MXene membranes for production of drinking water from seawater［J］. Nature Sustainability， 2020， 3（4）： 296-302.

［47］IBRAHIM I， SEO D H， MCDONAGH A M， et al. Semiconductor photothermal materials enabling efficient solar steam generation toward desalination and wastewater treatment［J］. Desalination， 2021， 500： 114853.

［48］ZHANG L， BAI B， HU N， et al. Efficient 3D-interfacial solar steam generation enabled by photothermal nanodia-monds paint-coat with optimized heat management［J］. Applied Thermal Engineering， 2020， 171： 115059.

［49］BAI B， YANG X， TIAN R， et al. A high efficiency solar steam generation system with using residual heat to enhance steam escape［J］. Desalination， 2020， 491： 114382.

［50］HUANG J， HE Y， HU Y， et al. Steam generation enabled by a high efficiency solar absorber with thermal concentration［J］. Energy， 2018， 165： 1282-1291.

［51］HU C， LI W， ZHAO H Y， et al. Salt-resistant wood-based solar steam generator with top-down water supply for high-yield and long-term desalination of seawater and brine water［J］. Chemical Engineering Journal， 2023， 460： 141622.

［52］YANG J， CHEN Y， JIA X， et al. Wood-based solar interface evaporation device with self-desalting and high antibacterial activity for efficient solar steam generation［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2020， 12（41）： 47029-47037.

［53］江金魚，何浩宇，黃磊，等.碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合板材的制備及其各向異性傳熱和彈性變形行為［J］.現(xiàn)代紡織技術(shù)，2023，31（4）：111-118.

JIANG Jinyu， HE Haoyu， HUANG Lei， et al. Preparation， anisotropic heat transfer and elastic deformation of CF/EP composite plates［J］， Advanced Textile Technology， 2023， 31（4）： 111-118.

［54］TAN M， WANG J， SONG W， et al. Self-floating hybrid hydrogels assembled with conducting polymer hollow spheres and silica aerogel microparticles for solar steam generation［J］. Journal of Materials Chemistry A， 2019， 7（3）： 1244-1251.

［55］LI T A， LIU H， ZHAO X P，et al. Scalable and highly efficient mesoporous wood-based solar steam generation device： Localized heat， rapid water transport［J］. Advanced Functional Materials，2018， 28（16）：1707134.

Research progress on fabric-based solar evaporators

HE Hongbei， ZHU Qingkai， REN Haitao

Abstract： With the increasing shortage of freshwater resources， using seawater desalination to produce freshwater is a broaden incremental technology for achieving water resource utilization. The current main methods of seawater desalination include reverse osmosis membrane method and distillation method. Compared with traditional seawater desalination technology， solar-driven water evaporation is less costly and more environmentally friendly. In recent years， low-cost solar thermal desalination has been favored by many researchers.

According to the different placement methods of solar absorbers， they can be divided into two types： suspended solar absorbers andsurface solar absorbers. The photothermal materials and principles of the two evaporators are not significantly different. They both absorb specific wavelengths of light and cause electromagnetic field changes through plasma resonance or electron transitions. The interaction between electromagnetic waves and substances at the water interface heats up nanoparticles. The suspended solar absorber heats the bulk water， while the surface solar absorber heats the water soaked in the evaporator. Compared with suspended solar absorbers， surface solar absorbers have more advantages.

The loose porous structure of fabrics can provide efficient water transportation， and the flexibility and elasticity of the fabric structure can provide better compatibility with surface solar absorbers. It can also modify the fabric's properties to better combine with photothermal materials. In current research on solar-driven water evaporation， cotton， linen， nylon， aramid， acrylic， and nonwovens are mainly used as substrate materials， and metal nanoparticles， metal oxides， and carbon-based materials as photothermal materials.

Improving the salt resistance of the evaporator can effectively maintain its evaporation rate and extend its service life. There are two ways to improve the salt resistance： increasing the hydrophilicity or hydrophobicity of the evaporator.In improving evaporation performance， it is necessary to balance heat loss， water supply， and salt crystallization. Excessive water can lead to more heat loss， and rapid water evaporation can cause salt to crystallize on the surface of the evaporator， thereby affecting photothermal performance. In order to achieve a balance between heat loss and water supply， there have been two main types of surface solar absorbers in recent years： hydrophilic bilayer structure and structure with dedicated water transport channels. The hydrophilic bilayer structure loses more heat due to wetting during use， and the water absorption rate of the water transport channels structure is higher than the evaporation rate， which does not limit evaporation and can effectively reduce heat loss.

At present， thesolar-driven water evaporation with the highest evaporation rate is the surface solar absorber with a bridge structure composed of Janus hydrogel and cotton fabric. The evaporation efficiency of solar-driven water evaporation is relatively low， making it impractical to provide water for households. However， a solar evaporator with a solar thermal area of 1 square meter can meet the drinking water needs of households. With the continuous improvement of solar desalination technology， it will definitely be more widely used in remote and underdeveloped areas in the future.

Keywords： fabric; solar evaporator; desalination of seawater; photothermal

收稿日期：20230515 網(wǎng)絡出版日期：20230626

基金項目：國家自然科學基金項目（52070143，21806121）

作者簡介：何泓貝（2000—），男，四川成都人，碩士研究生，主要從事太陽能水熱蒸發(fā)方面的研究。

通信作者：任海濤，E-mail：renhaitao@tiangong.edu.cn