界面光熱轉換水蒸發系統用纖維材料的研究進展

葛 燦， 張傳雄， 方 劍

(1. 蘇州大學 紡織與服裝工程學院， 江蘇 蘇州 215021； 2. 蘇州大學 現代絲綢國家工程實驗室，江蘇 蘇州 215123； 3. 紡織工業科學技術發展中心， 北京 100020)

淡水資源和化石能源的日益匱乏已成為制約全球社會發展和進步的重要因素，而且化石能源的過度利用也造成了嚴重的環境污染。太陽能是地球表面最具有利用前景的可再生能源，太陽每秒照射到地球上的能量相當于燃燒500×104t煤釋放的熱量。只要能夠利用到達地球表面太陽能總量的0.1%，就足以滿足全球每年的能源需求[1]。光熱轉換技術可綜合利用水資源和太陽能資源，通過加熱水體產生蒸汽，可應用于海水淡化、消毒滅菌以及能量收集等。這項技術使用清潔的太陽光作為唯一能源，可以成為補充陸地淡水供應的重要途徑，具有巨大的發展前景[2]。

經過多年努力，界面光熱轉換水蒸發系統的光熱轉換效率已得到顯著提升。為獲得穩定高效的界面光熱轉換水蒸發效率，選擇合適的輸水材料與結構具有重要意義[3]。同時，在蒸發過程中累積的鹽分會削弱光吸收量，并阻塞輸水通道和蒸汽逸出通道，導致蒸發效率降低和性能不穩定[4]，因而需要設計出低成本、高效，且可自調節的拒鹽結構[5-6]。

除追求高光熱轉換效率，未來的發展更應關注如何讓界面光熱轉換水蒸發系統從實驗室走向工廠，要著重提升系統的環保性、耐用性、不同材料之間的兼容性、大規模工業化應用的可行性等。纖維材料種類繁多，有特殊的柔韌性和力學強度，具有功能多樣化、輕質、成本低和可裁剪性等優勢。在界面光熱轉換水蒸發系統中使用纖維材料可在保障系統出色的效率和性能的同時，減少制造和運行成本并提升實用性，有助于推動此項新技術早日實現實際應用[7]。本文綜述了界面光熱轉換水蒸發技術的主要原理、發展歷程和應用領域，重點介紹了纖維材料在界面光熱轉換水蒸發系統中應用的研究現狀，并針對該領域目前所面臨的挑戰，分析展望纖維材料在界面光熱轉換水蒸發體系中的應用前景。

1 光熱轉換技術

1.1 光熱轉換作用原理

光熱轉換材料可有效地吸收太陽光能量，將其轉換為熱能用于水體蒸發。相比于自然條件下的水體蒸發，使用光熱轉換材料能夠極大地加快蒸發速率，并迅速產生蒸汽[8]。常用的光熱轉換材料有等離子基材料、半導體材料和碳基材料等。半導體材料和等離子基材料相對而言由于穩定性和成本問題，難以大規模投入生產使用[9]。碳基材料呈現天然黑色，有很強的寬帶譜光吸收能力，成本低且穩定性高[10]。除此之外，碳基材料具有良好的加工性能，易與其他性能優良的材料復合，制造出高效光熱轉換系統所需的各種結構[11]。這些特性使得碳基材料成為最有希望實際應用的光熱轉換材料之一。

1.2 光熱轉換體系演變

為將光能轉換后產生的熱量集中用于加熱水體，提高能量利用效率，光熱轉換體系經歷了底部加熱、整體加熱、界面加熱的逐步演變過程，如圖1所示[12]。

圖1 光熱轉換體系演變過程Fig.1 Evolution of solar steam generation system

1.2.1 底部加熱

太陽能蒸餾是最常見的底部加熱系統。將光熱轉換材料放置在容器底部，當太陽光照射到材料上后散發熱量加熱水體產生蒸汽。該設計中熱量在容器底部產生，而蒸汽在液體中上層產生，從產生熱量到表面蒸發的過程中，大量的熱量用于加熱整個水體，用于產生蒸汽的熱量只占少數，造成了嚴重的熱量損失，蒸發效率只有40%左右。

1.2.2 整體加熱

整體加熱是將能夠直接吸收太陽能進行光熱蒸發的納米粒子均勻地分散在液體中。由圖1可知，相對于底部加熱，整體加熱系統中大量熱量已從液體底部轉移到中上層，但蒸發效率只能實現小幅度提高，遠不能滿足實際應用的要求；且納米粒子在長期太陽光輻射下的穩定性和分散性，以及在回收液體時如何分離納米粒子而不對水體造成污染都是該體系面臨的難題。

1.2.3 界面加熱

受整體加熱的啟發，為進一步減少局部加熱的水量，最大程度地減少不必要的熱量損耗，設計出了界面加熱系統。由圖1可知，界面加熱系統將能量轉換和蒸汽產生都集中在氣-液界面，僅有表層水體被加熱，底層水體幾乎沒有升溫，最大化地利用了熱能。與底部加熱和整體加熱系統相比，界面加熱表現出更高的能量轉換效率和蒸發速率，以及更出色的可重復使用性、耐用性和環保性[13]。

圖2示出界面光熱轉換水蒸發系統組成示意圖[14]，多為由光熱轉換層和輔助層復合的多層蒸發結構[15]。當太陽光照射到光熱轉換層時被轉換為熱能用于水蒸發，而輔助層的主要功能為輸送水分和減少熱量損失[16]。

圖2 界面光熱轉換水蒸發系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of interfacial solar steam generation system

界面加熱系統有著良好的簡便性、獨立性、高效性和耐用性，所用材料應具有以下特性：光熱轉換材料具有寬帶譜光吸收性，密度低可浮在水面；隔熱材料導熱系數小，可集中熱量減少熱量損耗；輸水材料具有高親水性，可保障水分的持續輸送；整體結構孔隙度高，可最大化與水體接觸且便于排出蒸汽[17]。

2 光熱轉換水蒸發的應用領域分析

2.1 海水淡化

使用界面光熱轉換水蒸發技術可將海水、湖水、河水，甚至是污水轉換為符合健康標準的清潔飲用水。圖3示出界面光熱海水淡化模型圖[18]。

圖3 光熱海水淡化模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of photothermal desalination setup

圖中左側是高鹽度海水，在氣-液界面放置光熱轉換材料，入射光照射到光熱轉換材料表面將光能轉換為熱能用于海水蒸發，蒸發后的水蒸汽遇到冷的玻璃罩凝結，由于重力作用，水滴沿著玻璃罩下滑，最終在右側的收集池內蓄積淡水。

2.2 殺菌消毒

為獲得符合健康標準的飲用水，需要對水體進行有效的殺毒滅菌。傳統的殺菌消毒方法是使用臭氧或氯化物等消毒劑，這種方法副作用明顯，影響水質。部分新型抗菌劑如銀粒子、抗菌肽等效果較好，但成本和實用性仍無法滿足需求[19]。將界面光熱轉換水蒸發技術用于殺菌是一種經濟、簡便且高效的方法。蒸發過程中產生的高溫水蒸汽，使菌體在瞬時高溫下發生蛋白質變性，結構被破壞變得不穩定，進而失去活性。為充分殺菌，需要大量供能以保證有足夠高的蒸汽溫度和足夠長的蒸汽暴露時間，但眾多經濟不發達的地區無法承受相關成本。在這一應用中，界面光熱轉換水蒸發技術是由太陽光供能，光熱轉換材料的耐用性較好，唯一需要消耗替換的是水，因此，該技術成本低廉，使用價值高[20]。

2.3 光熱發電

在光熱轉換海水淡化技術中，從太陽能輸入到最終回收得到淡水的過程中存在巨大的能量浪費，若能對環境中各項能源充分利用，同時將太陽能轉換為電能或化學能等其他能量[21]，將產生更高的經濟、生態和社會價值。在界面光熱轉換水蒸發過程中，用光熱轉換膜上的溫差或鹽度差發電，是開發能量多元化利用，提高利用效率的有效方式。

鹽度差發電是利用已蒸發淡化去鹽的淡水和未處理的高鹽度鹽水間的鹽度差，驅使水從濃度低的一側流向濃度高的一側，通過水流動帶來的勢能驅動發電機或利用水體中離子的傳輸產生電流[22]。溫差發電是利用光熱轉換復合膜在不均勻的光照射下，不同位置水蒸發速率不均勻，蒸汽的氣壓差驅使水體在系統內部流動，將熱能轉換為水體流動的動能，光熱轉換膜自帶離子電荷，水流的運動帶動離子傳輸產生電流。圖4示出溫度差發電裝置發電機制示意圖[23]。

圖4 溫度差發電機制Fig.4 Mechanism of thermoelectric power generation

3 纖維材料在光熱轉換中的應用

在界面光熱轉換水蒸發領域中，材料的選擇、改性和使用對于提升系統性能具有重要作用。纖維材料具有種類繁多、功能多樣化、成本低、原料豐富、輕便耐用等優勢。除此之外，纖維材料易于復合改性使得光熱轉換系統可具備更加豐富的功能。使用纖維材料不僅能提升界面光熱轉換水蒸發系統的運行效率，更有利于推動該技術走向規模化應用。例如，使用碳纖維[24]、活性炭纖維氈[25]、改性設計的纖維素纖維[26-27]、濕法紡絲制備的二維過渡金屬碳/氮化物(MXene)纖維[28]作為光熱轉換材料；使用低成本的棉[29]、親水性非織造布[30]、聚乙烯醇纖維[24,31]作為輸水材料；使用改性中空纖維織物[32]、低導熱系數的聚偏二氟乙烯-六氟丙烯納米纖維膜[33]作為熱量管理材料。以易于復合改性的纖維為原料，通過合理的結構設計可使光熱轉換系統具備出色的拒鹽性能，增加循環使用壽命[4,34]。

3.1 界面光熱轉換材料

高效界面光熱轉換材料需要具有出色的光吸收性能以及光熱轉換性能。其中光吸收性能包括材料可吸收的太陽光譜的范圍和對每個波長的光吸收能力，這需要其具有低的光發射率和高的光吸收率。光熱轉換材料會通過熱輻射散失熱量，特別是在較高溫度下這種熱輻射損失可能會很大，降低吸收體的熱發射率可有效抑制這些輻射損耗[35]。

Lin等[26]以纖維素纖維為原料，將其放置在體積比為1∶25∶60的H2SO4、水、乙醇混合溶液中，再以160 ℃常壓加熱4 h得到炭化纖維素纖維，測得其在1 kW/m2光照條件下，光吸收率達到92.2%，水蒸發速率達到0.959 kg/(m2·h)，樣品在循環使用20次后仍保持出色性能，具有強的光吸收性和低反射率。Li等[25]利用活性炭纖維氈高比表面積、良好的光吸收能力、低導熱性、高孔隙率(93%)、低成本和優良的穩定性優勢，輔之以懸浮隔熱結構組成光熱轉換系統，根據紅外光譜圖顯示，該系統中熱量集中在界面用于蒸發，熱量利用率高；由于表面粗糙，活性炭纖維氈的光反射率為5.8%，光吸收率為94%，在1 kW/m2光照下光熱轉換效率達到79.4%，水蒸發速率為1.22 kg/(m2·h)。

3.2 輸水材料

輸水材料設計時需要找到最佳的運行條件，使毛細作用吸收的水量與蒸發消耗的水量相匹配，從而獲得最高的系統效率和最小的能量損失。若輸水速率過高，大部分從水體中吸收的水分堆積在界面水蒸發系統表面，這會削弱到達光熱轉換材料的太陽光，使光熱轉換效率降低，輸水速率與光熱轉換效率更加不匹配，產生惡性循環，導致水蒸發速率降低。若輸水速率偏低，界面層上水量不夠，由光能轉換而來的熱能無法得到充分利用，能量利用效率降低，也可導致水蒸發速率降低[36]。輸水材料的結構設計多樣、性能各異。三維多孔結構材料的芯吸能力最強，毛細作用效果最好，但孔隙中的水分會導致熱導率增加，產生更多的傳導熱損失，減少了熱量集中效果[37]。設計一維和二維輸水通道可將隔熱結構與輸水結構分離，隔熱結構中的氣孔被設計成封閉結構，以減少熱損失；而輸水結構中的氣孔是打開的，以保證水的充分和連續輸送，使輸水和隔熱之間的矛盾需求得到平衡[14]。

Qi等[17]利用靜電紡絲技術制備二氧化硅/羧化多壁碳納米管/聚丙烯腈混合納米纖維膜，用棉紗作為輸水材料，吸水性能好的棉紗通過毛細作用將水份輸送到蒸發表面。為便于觀察，使用墨水測試棉紗的毛細管效應，其可在2 min內將水分吸附到15 cm高，優異的毛細管效應可確保脫鹽過程中持續穩定輸水。在1 kW/m2光照下該系統光熱轉換效率為82.52%，蒸發速率為1.28 kg/(m2·h)。

Li等[33]在膜蒸餾技術中使用真空輔助過濾將Fe3O4與聚偏二氟乙烯/六氟丙烯納米纖維膜通過強界面黏合力結合。納米纖維膜的孔徑在膜蒸餾過程中對水蒸汽的擴散起著至關重要的作用，原因如下：首先，在具有合適孔徑的情況下，由于蒸汽壓差，高溫的水蒸汽可快速通過孔；其次，較大的接觸角可防止液體和鹽離子滲透；最后，高孔隙率不僅增加了水分子的擴散速度，提高傳質效率，而且降低了導熱系數。

3.3 熱量管理材料

熱量傳遞的主要途徑有熱傳導、熱輻射以及熱對流。降低熱傳導損失可通過使用低導熱系數的隔熱材料，減小系統內部、系統與環境之間的溫差，將熱量集中在界面加熱層等。物體溫度越高熱輻射越劇烈，損失的能量越大，可通過增加有效蒸發面積的方式來降低光熱轉換材料表面的溫度，減少熱輻射損失。熱對流往往是伴隨熱傳導和熱輻射產生的，解決方案與前二者相同。除減少熱量的損失，還可通過利用潛熱、回收損失的熱量來提高效率。

圖5示出活性炭-燈芯草光熱轉換水蒸發系統的掃描電鏡照片[38]。燈芯草具有天然多孔結構，其纖維無縫互連形成開放的原纖維網絡結構。Zhang等[38]以燈芯草為骨架結構，通過添加活性炭與其復合制備光熱轉換水蒸發材料。燈芯草開放的原纖維網絡結構使入射光進入骨架并發生強散射和內部反射，使骨架中的水也被加熱形成蒸汽，由于空氣的導熱系數低，多孔的原纖維骨架孔隙中充滿了大量氣體，可有效減少蒸汽產生過程中的熱量損失。受榕樹的啟發，Zhang等[39]將滌綸設計成類似于榕樹粗壯根莖的柱狀管道，滌綸柱通過減少光熱層與水體之間的接觸面積，從而減少熱量損失。類似于榕樹從葉和根的兩側蒸騰過程，該分層結構利用織物蒸發層底面區域和滌綸柱的側面區域用于蒸發，提高了能量利用效率。

圖5 活性炭-燈芯草光熱轉換水蒸發系統的掃描電鏡照片Fig.5 SEM images of activated carbon-juncus effusus solar steam generation system.(a)Cross-section；(b)Surface；(c)Radial section

Wu等[40]制備了由棉、硫化銅、瓊脂糖氣凝膠組成的界面光熱轉換水蒸發系統，棉棒通過澆鑄改性后熱導率達到0.04 W/(m·K)，可極大地減少從蒸發表面損失至底層水體的熱量。以1 kW/m2的光強度照射1 h后，光熱氣凝膠的表面溫度達到約33.5 ℃，而容器中水體的溫度仍為加熱前的24.1 ℃。 裸露棉棒的側壁溫度低于環境溫度，能夠從環境中吸收能量用于水蒸發，由于棉棒出色的熱量管理性能，該系統的蒸發效率高達94.9%。

3.4 拒鹽材料

隨著光熱轉換效率的逐漸提高，在海水淡化應用中，海水中的鹽分在光熱轉換材料表面的堆積會堵塞輸水通道，降低蒸發效率并影響系統的穩定性。使用傳統方法除鹽會帶來額外成本并有一定的操作難度，處理不慎將會損傷界面光熱轉換材料的性能，因此，需要設計出一種低成本、高效并有自調節功能的拒鹽結構[41]。

Ni等[27]用親水性黑色纖維素織物作為光熱轉換層，用白色纖維素織物作為輸水拒鹽結構，白色纖維素織物具有多孔性和親水性，可將水吸至光熱轉換層，同時將濃縮的鹽平流并擴散回水體中。將該裝置懸浮在3.5% NaCl的模擬海水中，每天在1 kW/m2條件下光照5 h，測試7 d后未觀察到鹽堆積在表面。將該界面蒸發結構放置在3.5% NaCl的模擬海水中，并在其頂部放置40 g的白色固體顆粒NaCl，用強度為1 kW/m2的模擬光源照射，頂部的鹽分逐漸被溶解，且蒸發反應仍正常進行，1 h后頂部鹽分被完全溶解排出光熱轉換結構。該結構具有出色的拒鹽性能，可長時間穩定運行并溶解和排斥鹽類沉積物。

Li等[42]使用超親水炭化綠藻和棉線制備出一種遷移結晶裝置，與傳統拒鹽設計使鹽分溶解到液體的原理不同，該設計使用棉線將鹽分遷移，使鹽分全部結晶在棉線上，通過直接清洗棉線上的鹽分反復使用。將棉線的一端插入鹽水中，另一端露出容器1～2 cm，由于NaCl溶液對棉線的附著力最強，且遠大于內聚力，因此，NaCl溶液首先浸入棉線中，一旦有鹽顆粒形成晶核，溶質顆粒順序地堆疊在晶核表面上，使得晶核連續生長并形成結晶。在自然光照下進行太陽光蒸發實驗時，隨著時間的推移，棉線表面的鹽結晶逐漸增加，而中間黑色部分的光熱轉換表面沒有鹽分累積，該設計可同時收集鹽分和淡水，在連續反應15 d后光熱轉換過程仍可高效穩定運行。

綜合近年來刊發的文章統計得出，若光熱轉換系統要具備出色的蒸發效果，光吸收率至少要達到90%以上，水蒸發效率至少要達到80%以上，熱導率至少要低于0.05 W/(m·K)，蒸發速率至少要達到1 kg/(m2·h)以上。表1示出近年來使用纖維材料的光熱轉換系統的主要性能指標。可以看出，使用纖維材料可在保障系統出色的蒸發效率和性能的前提下，減少制造成本，提升實用性。除使用傳統纖維材料，也可將現有的材料進行改性，使其擁有纖維的形貌特征獲得特定性能。

表1 纖維材料用于界面光熱轉換的總結Tab.1 Performance of photothermal conversion systems using fibrous materials

4 結束語

近年來，界面光熱轉換水蒸發技術蒸發效率逐漸增強，未來更需要將研究重心從提升效率轉移到降低成本、簡化生產制造流程、增加耐用性、提升環境友好性、提高實用性能等方面，使光熱轉換技術從理論階段走向實際應用。

纖維材料在這一技術的應用中具有以下優勢：1)種類繁多，功能多樣化，可滿足光熱轉換領域中不同應用的需求；2)易與其他材料進行合成改性復合，以優化性能；3)成本較低，原料豐富，輕便耐用，易于裁剪，實用性突出。許多纖維材料已被證實可用于界面光熱轉換水蒸發技術，若能進一步開發新型高效多功能纖維材料和界面水蒸發系統，將極大地推動界面光熱轉換水蒸發技術的實際應用。