全纖維光驅動界面蒸發系統在海水淡化工程中的應用研究進展

丁 倩， 鄧炳耀， 李昊軒

(1. 江南大學 紡織科學與工程學院， 江蘇 無錫 214122; 2. 東華大學 紡織學院， 上海 201620)

面對日益嚴重的淡水資源危機以及實現碳達峰、碳中和的目標，如何付出最小成本持續獲取淡水成了很多研究的重點[1-3]。而太陽光驅動界面水蒸發技術是將吸收的太陽光轉換成熱能，并作用于液-氣界面，實現光-蒸汽轉換效率的大幅度提高，有望成為極具潛力的海水淡化新途徑[4-6]。這種不占用陸地面積，僅利用太陽光和海水即可實現持續地生產淡水且零碳排放的技術，必將在碳中和、碳達峰的大背景下受到重點關注與研究[7-8]。然而，這項技術仍然存在蒸發速率偏低、蒸汽收集困難以及抗生物沉積能力弱等問題的挑戰。

光驅動界面水蒸發系統通常由吸收體、漂浮體以及收集裝置組成。要實現高效的光-蒸汽轉化，這就要求：吸收體必須具有出色的光熱轉換性能且不能與水體直接接觸；漂浮體能夠將水運輸到蒸發界面，使界面蒸發速度與輸送到吸收體的水量達到平衡，并具有出色的熱管理能力；輕質和高透光的收集裝置。隨著研究的深入，眾多學者提出了很多新材料和新結構，以實現較高的蒸發速率，同時，拓展了很多新應用，如海水淡化、污水處理、濕度調節以及海上生態系統構建等。然而，該領域仍存在很多問題亟待解決：如何進一步提高蒸發速率；如何解決蒸汽收集問題；如何通過基礎研究來進一步優化界面處太陽能轉換、能量傳輸、質量傳輸和蒸汽擴散動力學的耦合，以便能夠更深入地理解蒸發所涉及的過程等。

近期國家發展改革委印發的《海水淡化利用發展計劃(2021—2025年)》中指出，2025年全國海水淡化總規模達到290萬t/d以上，并明確鼓勵示范將太陽能等可再生能源用于海水淡化,光驅動界面蒸發的研究必將迎來新的熱潮。基于上述背景，本文對近年來國內外關于光驅動界面水蒸發的研究進展進行綜述，重點總結纖維基蒸發器在界面水蒸發領域中的優勢以及傳統紡織材料在新型領域中所發揮的獨特價值，并對未來的發展趨勢進行展望。

1 光驅動界面蒸發器

1.1 光熱轉換材料(吸收體)的發展

過去幾年世界各地的研究小組通過嘗試各種方法，例如光熱轉換材料的選擇、漂浮結構的構建、熱學管理以及低維水通道的創新等，極大地提高了光-蒸汽轉換效率。光驅動界面水蒸發系統如圖1所示。

圖1 光驅動界面水蒸發系統示意圖Fig.1 Scheme of solar steam generation system

光熱轉換材料是決定蒸發性能的關鍵因素之一[9-10]，而碳材料因成本低廉，光吸收好，穩定性優異等特點，是迄今為止太陽光-蒸汽轉化的主要吸光材料之一(200 nm～200 μm的寬光譜范圍內，具有98%～99%的幾乎恒定的光學吸收)，一些由天然物質炭化得到的材料[11-12]，如天然木材[13]、蘑菇[14]等也具有很好的光吸收性。隨著光-蒸汽轉化技術的發展，等離激元吸收體也被證明具有高效的光吸收和光-蒸汽轉化效率，并已應用于蒸發器中。這是由于一些貴金屬納米粒子如金和銀，會產生局部表面等離子共振(LSPR)效應，使顆粒內部的自由電子氣體振蕩，從而形成熱能[15-16]。此外，有機合成小分子因其具有合成簡單、功能多樣以及穩定性好等優勢，也被越來越多地應用在光驅動海水蒸發領域。當有機合成小分子受到入射光激發時，分子會由基態轉向激發態，隨后分子內運動加劇，以非輻射躍遷的形式消耗激發態能量，產生大量熱，實現光熱的轉換[17]。選擇吸收體時，要從光熱轉換效率、成本以及與漂浮體結合難易程度等角度考慮。Wu等[18]提出了幾種開創性的樹木仿生設計：通過在天然椴木上鉆孔，用加熱板對椴木上表面進行炭化處理的方式，構建了人工孔道陣列和無定形碳層的表面(見圖2(a))，將該仿生設計產品置于海水或濕沙中并經入射光照射時，其頂部黑色表面充當了光吸收劑，可迅速加熱并產生蒸汽。其蒸發速率在使用60 d后仍能保持在1.04 kg/(m2·h)，表現出較高的穩定性。除了樹木，蘑菇、草和植物葉也激發了太陽能蒸發的智能仿生結構設計，并展示了一些最佳性能。考慮到生物質材料的品控不穩定性，基于天然材料開發出來的蒸發器很難在規模化生產中保持高度一致性，因此，在未來的應用中可能會受到一定限制。

1.2 從二維向三維轉變的漂浮體

漂浮結構也會影響界面光-蒸汽轉換的性能。近年來，漂浮結構得到了快速發展，從二維的薄膜結構發展到了三維立體結構，而且三維立體結構也出現不同的形狀，如圓柱、圓錐和樹枝狀等(見圖2(b))。同時太陽光驅動水蒸發領域仍存在一些亟待解決的問題，首先是大多數蒸發器的蒸發速率較低(平均值約為1.5 kg/(m2·h))，盡管有很多報道給出了超過2.0 kg/(m2·h)的高蒸發速率，但因制備復雜，不利于規模化推廣而受限[19-21]。如何提高太陽光利用效率，進一步增加蒸發器的淡水產出量，提高單位面積蒸發器的蒸發速率是目前急需解決的難題[22-23]。Xu等[24]利用靜電紡絲技術制備了雙層納米纖維膜(也稱Janus膜)，上層是疏水膜涂層吸收體，下層為親水層。這種Janus膜具有良好的抗鹽析能力，其蒸發速率達到1.3 kg/(m2·h)，為穩定、便攜的界面加熱型太陽能海水淡化提供了一種解決方案。這種二維纖維材料在界面蒸發中仍存在一些挑戰，例如：蒸發界面與海水距離太近，部分熱量會損耗，造成蒸發速率偏低的情況。為進一步提高蒸發速率，Wang等[25]報道了一種三維結構蒸發器，新型蒸發器由一個基礎蒸發表面和垂直于基礎表面的翅片組成，翅片數量可調，旨在構建一個極其高效的光驅動蒸發系統(見圖2(c))。在蒸發過程中，垂直的翅片極大地提高了有效蒸發面積，同時減少了能量損失，該蒸發器從環境中獲得能量，并循環利用基礎表面和垂直翅片釋放蒸汽冷凝潛熱，減少下方能量損失，顯著增加了蒸發速率。在太陽光照射下，裝有4個翅片的蒸發器可達2.53 kg/(m2·h)的蒸發速率，制作成本也低。太陽光-蒸汽轉換效率遠遠超出了理論極限，實現了100%的光-蒸汽能量轉移。蒸發速率與垂直翅片的數量成正相關，實現了蒸發速率的可控調節。這項工作為優化能源管理，特別是太陽能蒸發系統的潛熱回收再利用提供了重要策略。

圖2 用于光驅動界面蒸發的幾種常見蒸發器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)

隨著研究的深入，借助外部因素進一步提高蒸發速率的研究越來越多，如施加對流和傾斜照射等。文獻[26]率先提出了利用空氣對流輔助蒸發，其制備的圓柱形漂浮體的高度和直徑分別達到6和4 cm。蒸發實驗中，側邊施加6 m/s的空氣對流時，其蒸發速率可達10.9 kg/(m2·h)，大大超出了理論極限值。然而當蒸汽收集裝置罩住蒸發器以后，空氣對流很難穿過玻璃罩而作用于蒸發器上。不過這種思路帶給人們啟示：傾斜的光照對蒸發性能的影響應該被更多地研究。

1.3 蒸汽收集裝置

太陽光驅動界面蒸發產生的蒸汽主要由形狀各異的玻璃罩進行收集，然而隨著蒸汽在玻璃罩表面逐漸冷凝，形成的大量水珠會限制太陽光的進光量，影響蒸發器對太陽光的吸收，導致蒸發器的工作效率逐漸下降。而且很少有研究專門針對長時、高效蒸汽收集裝置的優化設計，而這又是終端收集淡水的關鍵。有研究[27]報道了一種單機逆變結構接收裝置，實現了高效集水的同時，保證吸光量不受影響。蒸發器的頂部是選擇性吸收體，底部是基于疏水納米結構銅的蜂窩狀冷凝器。太陽光照射時，頂層吸收體產生熱加熱海水，產生的蒸汽向蒸發系統底部轉移，在蜂窩狀納米銅表面冷凝，并收集淡水。因頂層隔板阻擋，蒸汽不會在透光面冷凝，避免透光度受影響，其蒸汽收集速率可達1.063 kg/(m2·h)，為穩定、規模化海水淡化提供了一條有前景的途徑。盡管這項研究并未設計冷卻裝置，導致蒸汽收集效率較低，仍需進一步的優化設計，但這種自上而下的蒸汽收集方式很有借鑒意義。另外，超疏水表面處理技術可應用在蒸汽收集裝置內壁的設計上，減少液滴在蒸發器表面的停留時間，可能會成為解決上述難題的方式之一。

2 全纖維蒸發器

2.1 有機/無機復合纖維基蒸發器

納微米纖維因其獨特的微尺度和較大的比表面積，使得纖維基漂浮體在光驅動界面水蒸發領域中展現出獨特的優勢。利用單根纖維作為加熱體，可以加熱纖維表面的水，降低熱學損耗，顯著提高光-蒸汽轉換效率[28]。此外，纖維基漂浮材料大都基于目前比較成熟的紡織加工技術，如編織、針刺、機織等。這些技術已經完成產業化制造，為光驅動界面水蒸發的規模化推廣提供了堅實基礎。為了制備具有光熱特性的纖維集合體，很多學者首先選擇了纖維與無機光熱材料復合的思路。

Zhu等[29]報道了一種基于針刺非織造布，經過噴涂多壁碳納米管(MWCNT)后，具有出色光熱特性的蒸發器。其上、下表面分別由親、疏水纖維構成，經針刺后形成了獨特的單向導水特性，實現了蒸發器的漂浮和汲水功能，其蒸發速率可達1.44 kg/(m2·h)。值得注意的是，這種蒸發器的制造成本僅為2.4美元/m2，是目前已有報道中成本最低的蒸發器。這種低成本、制備工藝成熟、可漂浮的非織造材料基蒸發器為光驅動界面水蒸發的規模化應用打開了思路。此外，還有一些學者報道了碳纖維/棉纖維機織面料[30]、中空間隔織物/氧化石墨烯涂層[31]以及芳綸織物/活性炭復合[32]等蒸發器，為纖維基蒸發器在光驅動界面水蒸發領域的應用提供了理論依據。基于紡織材料的蒸發器可以很容易被規模化生產，盡管其大都屬于二維結構，蒸發速率偏低，卻是最接近產業化的蒸發器。

2.2 純有機纖維基蒸發器

有機/無機復合光熱纖維仍存在一些難以解決的挑戰：纖維與無機光熱材料結合牢度不夠，使得蒸發器壽命較短，且容易導致無機材料脫離纖維，造成污染。隨著有機光熱分子的發展，特別是唐本忠院士首次提出了聚集誘導發光的理念，使得大量具有不同性能的光熱分子被報道，也進一步推動了純有機光熱纖維的快速發展。因有機分子與聚合物有著天然的相容性，有效解決了光熱劑與纖維結合牢度弱的短板，發展潛力不容小覷。

Li等[33]報道了一種摻雜聚集誘導發光(AIE)有機光熱小分子的納米纖維氣凝膠用于光驅動界面水蒸發。這種全纖維氣凝膠底部具有良好的疏水性能，能夠很好地漂浮在水體表面，避免了整體加熱導致熱量流失的弊端(見圖3(a))。而頂層則是親水層，同時通過親水和毛細作用，可將底部的水抽吸到頂層并有效鋪展，實現單根纖維發熱、加熱纖維表面浸潤的水，最大化地提高加熱效率。在功率為1 kW/m2模擬太陽光照射下，其蒸發速率可達到1.43 kg/(m2·h)，蒸發效率為86.5%，表現出了優異的太陽光誘導界面水蒸發性能;并且在1 d的太陽光照射下，其蒸發性能保持不變，展現了較高的使用壽命和抗鹽析能力。

盡管上述直接摻雜的純有機光熱納米纖維具有出色的太陽光吸收并將其轉換成熱的特性。然而，有機分子光熱機制與纖維性質的不相容限制了其光熱轉換效率的提高。這是由于組成纖維的聚合物分子鏈段不可避免地限制了有機光熱分子的運動，從而降低了光熱產出。因此，如何通過改善纖維中的分子運動來提高纖維的光熱效率是一項重要而又具有挑戰性的任務。Li等[34]報道了一種巧妙且又通用的策略：通過同軸紡絲設備制備以溶解AIE分子的油溶液為芯相、聚合物為殼層的芯-殼結構纖維(見圖3(b))。芯-殼結構中的油相與AIE光熱分子的結合最大限度地保留了分子的運動，減弱了輻射衰變。結果表明，這種方法制備的新型芯-殼結構顯著提高了纖維光熱效率，在太陽光照射下，其蒸發速率可達到1.52 kg/(m2·h)(見圖3(c))。通過逆向思考，解放分子運動，這項研究所提出的巧妙且通用策略可顯著提高AIE分子在纖維中的光熱轉換效率，并為下一代綠色、零碳排放的純有機光熱轉換材料走向實際應用提供了基礎。

靜電紡絲制備的二維結構纖維膜并不適合直接用于光驅動界面水蒸發，主要是由于液-氣界面與水體距離太近，熱量損耗過多，蒸發速率很低。為解決這個難題，Li等[35]利用硼氫化鈉水溶液產生大量的氫氣穿過纖維膜，可將二維納米纖維膜迅速膨脹成泡沫狀全纖維三維多孔結構(AFPCF)，且其高度可調。如圖3(d)～(f)所示，真實模擬自然太陽光，在傾斜照射下，不僅蒸發器的上表面，其側面也會吸收太陽光參與蒸發，這就極大地提高了蒸發器的有效蒸發面積。高度可調的AFPCF為研究側邊輔助蒸發帶來了便利，在傾斜模擬太陽光照射下，3 cm高的AFPCF的上表面和側面的溫度分別升高了44.5和39.5 ℃，遠高于垂直照射下的側邊溫度，因此蒸發速率也從垂直照射的2.4 kg/(m2·h)增加到了傾斜照射的3.6 kg/(m2·h)，極大地提高了水蒸發速率。此外，因摻雜的AIE分子不僅光熱轉換能力高，還具有出色的活性氧(ROS)產生能力，使得AFPCF表現出優越的抗菌性能，有效地防止了生物沉積現象，提高了蒸發器的使用壽命。

圖3 幾種典型的純有機纖維基蒸發器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 結束語

太陽光驅動界面水蒸發技術僅利用取之不盡的海水和陽光即可實現海水淡化，為打破傳統高能耗、高碳排放、以陸地資源和寶貴能源換水的格局提供了新思路；為加快實現碳中和、碳達峰的可持續發展提供了新的解決方案。特別是纖維基多功能蒸發器的發展，讓規模化、低成本、高壽命的海水淡化系統的設計與構建成為了可能。此外，隨著研究的深入，蒸發速率還有進一步提升的空間，比如：在設計蒸發器時，考慮環境能量的利用、水蒸發焓變的降低以及冷凝潛熱的再利用等因素，有望進一步提高蒸發器的蒸發速率，甚至可實現全天候的蒸發。

盡管，全纖維界面蒸發系統極具吸引力，但仍然強烈需要長壽命、大規模可擴展、穩定性好、成本效益高度兼容的光熱蒸發材料。通過纖維基蒸發材料表面工程設計以加快蒸發速率的研究還少有涉及，特別是液滴在纖維表面蒸發動態特性鮮有研究，需要進一步探索。其次，高效蒸汽收集裝置的設計仍未解決，是全纖維光驅動界面蒸發系統在海水淡化中的一大瓶頸，而這方面研究卻是少之又少。綜上，學者們還需對光-蒸汽轉化的機制以及纖維基蒸發器、蒸汽收集裝置的設計進行深入研究，才能有效解決上述挑戰，加快全纖維光驅動界面水蒸發走向實用的進程。