太陽(yáng)能界面蒸發(fā)可持續(xù)離網(wǎng)脫鹽技術(shù)研究

許兵，楊曉彤，劉佳，張旭，3，姚興潔，郭培勛，張新玉

（1.山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250101；2.濟(jì)南水務(wù)集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250012；3.揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127）

隨著全球環(huán)境污染問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，水生態(tài)環(huán)境不斷受到影響，導(dǎo)致本不豐富的淡水資源更加匱乏。為滿足日常淡水的需求，許多地區(qū)逐漸通過(guò)淡化海水和含鹽地下水獲得淡水〔1-2〕。在過(guò)去的十幾年時(shí)間里，海水淡化技術(shù)發(fā)展迅速，膜蒸餾（Membrane distillation，MD）、多級(jí)閃蒸（Multistage flash，MSF）、多效蒸餾（Multiple-effect distillation，MED）和正滲透（Forward osmosis，F(xiàn)O）技術(shù)已逐步應(yīng)用于海水淡化領(lǐng)域，與反滲透（Reverse osmosis，RO）脫鹽工藝相比，其電耗顯著降低〔3〕。然而，傳統(tǒng)的脫鹽淡化能耗高，需要消耗大量化石燃料，造成空氣污染并加劇全球氣候變暖〔4〕。特別是近年來(lái)，隨著新冠肺炎疫情、俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)沖突等問(wèn)題的出現(xiàn)，石油、煤炭等資源的市場(chǎng)價(jià)格以及運(yùn)費(fèi)暴漲，對(duì)傳統(tǒng)海水淡化工藝的推廣應(yīng)用造成了不同程度的影響。

從可持續(xù)發(fā)展的角度考慮推廣清潔環(huán)保海水淡化技術(shù)是解決水資源短缺問(wèn)題的最佳選擇。目前已有許多國(guó)家和地區(qū)利用太陽(yáng)能進(jìn)行海水淡化，其應(yīng)用及發(fā)展前景非常廣闊。特別是近幾年，世界上有120多個(gè)國(guó)家設(shè)定了“碳中和”的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，推廣可再生能源，采用太陽(yáng)能、風(fēng)能甚至工業(yè)余熱、潮汐能等進(jìn)行離網(wǎng)海水淡化是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)〔5〕。在此基礎(chǔ)上，筆者介紹了離網(wǎng)脫鹽技術(shù)的研究意義及前景，重點(diǎn)討論了太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)的基本原理，進(jìn)一步歸納總結(jié)了現(xiàn)階段利用太陽(yáng)能進(jìn)行界面蒸發(fā)脫鹽的各類技術(shù)，最后總結(jié)了太陽(yáng)能界面蒸發(fā)脫鹽技術(shù)目前存在的問(wèn)題和今后的研究方向，為推動(dòng)離網(wǎng)脫鹽技術(shù)的發(fā)展提供一定的參考。

1 離網(wǎng)脫鹽技術(shù)

離網(wǎng)脫鹽技術(shù)是不通過(guò)電網(wǎng)系統(tǒng)而利用可再生能源，將海水中多余的鹽分及礦物質(zhì)去除得到淡水。傳統(tǒng)并網(wǎng)脫鹽工藝消耗大量化石燃料，成本及環(huán)境污染問(wèn)題較為突出，特別是一些偏遠(yuǎn)欠發(fā)達(dá)的地區(qū)，當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)難以供應(yīng)傳統(tǒng)海水淡化所需的電能，限制了海水淡化技術(shù)的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化。而由可再生能源驅(qū)動(dòng)的離網(wǎng)脫鹽技術(shù)可以解決電能短缺對(duì)海水淡化技術(shù)應(yīng)用的限制，更有利于產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展，特別是太陽(yáng)能界面蒸發(fā)離網(wǎng)脫鹽技術(shù)具有高產(chǎn)水量、低成本、維護(hù)簡(jiǎn)單和占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足欠發(fā)達(dá)地區(qū)居民對(duì)淡水的需求，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效應(yīng)，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)

2.1 太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)基本原理

太陽(yáng)能界面水蒸發(fā)技術(shù)是利用太陽(yáng)能在光熱材料表面促進(jìn)水汽相變的技術(shù)，通過(guò)將光生熱量局限在材料表面用于蒸發(fā)，極大地降低了材料向體系外傳遞的熱量損失。許多研究人員探索將太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)用于海水淡化，以緩解沿海地區(qū)淡水資源匱乏的問(wèn)題〔6〕。利用太陽(yáng)能界面蒸發(fā)制備淡水，包括以下幾個(gè)過(guò)程：1）將光能轉(zhuǎn)換為熱能；2）獲得的熱量用于表面水體受熱蒸發(fā)；3）水蒸氣冷凝成核形成液滴并回收潛熱〔7-8〕。

近幾年，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的空氣-水界面蒸發(fā)技術(shù)引起了許多學(xué)者的關(guān)注。圖1為典型太陽(yáng)能界面水蒸發(fā)系統(tǒng)的能量流動(dòng)示意，其中光熱材料位于空氣-水界面處。太陽(yáng)輻射是系統(tǒng)中唯一的能量輸入，其被分成5部分：1）漫反射能量損失；2）水蒸發(fā)消耗的能量，包括水蒸發(fā)水顯熱和潛熱；3）光熱材料-水界面的能量反射損失；4）空氣對(duì)流能量損失；5）下層水的熱傳導(dǎo)能量損失。

圖1 太陽(yáng)能界面水蒸發(fā)系統(tǒng)的能量流動(dòng)示意Fig.1 Schematic diagram of energy flow in solar water evaporation system

為了減少能量損失，光熱材料的應(yīng)用起著重要的作用。材料的光熱機(jī)理是太陽(yáng)光輻射到材料表面后，在材料內(nèi)部會(huì)激發(fā)電場(chǎng)，光能將通過(guò)分子熱振動(dòng)，電子空穴的產(chǎn)生和弛豫，局部等離子體加熱等機(jī)理將光能轉(zhuǎn)化為熱能，如圖2所示〔9〕。

圖2 太陽(yáng)輻射光譜與不同材料的光熱效應(yīng)機(jī)理Fig.2 Absorption ranges of earth spectrum and mechanisms of photothermal effect of different materials

由于界面處光熱材料對(duì)光的響應(yīng)速度極快，可快速使表面熱化，并通過(guò)選擇性加熱和蒸發(fā)表面水，而不是全部水，能量利用效率大大提高，甚至在相對(duì)較低的太陽(yáng)輻射條件下也能夠達(dá)到較高的蒸發(fā)效率〔10〕。基于這些優(yōu)點(diǎn)，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的空氣-水界面蒸發(fā)技術(shù)在未來(lái)海水淡化方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 太陽(yáng)能界面蒸發(fā)光熱轉(zhuǎn)換材料

地球表面的太陽(yáng)能輻射光譜波長(zhǎng)范圍為280~2 500 nm〔11〕。為了獲取更多的太陽(yáng)能，高性能的光熱轉(zhuǎn)換材料是關(guān)鍵，應(yīng)滿足具有較大的光譜吸收范圍，并具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)特征。疏松多孔的結(jié)構(gòu)能夠使其利用毛細(xì)作用不斷補(bǔ)充蒸發(fā)所消耗的水分，并且可以在內(nèi)部多次反射太陽(yáng)光束從而更有效地吸收太陽(yáng)能，減少界面反射能量損失〔12〕。常見(jiàn)的光熱材料有碳材料、金屬及其氧化物、高分子聚合物以及相關(guān)復(fù)合材料〔13〕。

碳基材料具有較大的光譜吸收范圍，主要是因?yàn)槠洳牧现芯哂兴缮⒌摩须娮咏Y(jié)構(gòu)，使電子保持在更易被激發(fā)的基態(tài)，容易吸收光能而釋放熱量，光熱轉(zhuǎn)換效率較高〔14〕。碳基材料主要包括碳化植物、碳黑粉末、碳納米管、石墨烯等，具有密度低、性能穩(wěn)定、無(wú)有毒有害物質(zhì)、可塑性高、寬譜吸收等諸多優(yōu)點(diǎn)〔15〕。碳納米管以及石墨烯等材料，價(jià)格較為高昂；而碳化植物材料如碳化蘑菇、碳化木材、碳化向日葵等，價(jià)格便宜，易于獲取，并且天然植物材料可再生，經(jīng)過(guò)一定的處理后在太陽(yáng)能界面蒸發(fā)領(lǐng)域也表現(xiàn)出高的水蒸發(fā)效率，碳材料的制備工藝見(jiàn)圖3，其制備過(guò)程簡(jiǎn)單，操作方便〔16〕。Xi CHEN等〔1〕開發(fā)了一種具有表面不對(duì)稱潤(rùn)濕性的Janus木材蒸發(fā)器，頂部為疏水的太陽(yáng)能吸收器，具有防水和耐鹽性，木材蒸發(fā)器底部親水結(jié)構(gòu)能夠利用毛細(xì)作用快速吸水，所開發(fā)的Janus木材蒸發(fā)器對(duì)20% NaCl水溶液的蒸發(fā)效率達(dá)到82.0%，并且在10個(gè)周期的測(cè)試中依舊能夠表現(xiàn)出很高的蒸發(fā)效率。在所有已知的耐鹽蒸發(fā)器中，這種Janus木材蒸發(fā)器具有相對(duì)高的蒸發(fā)效率和持續(xù)的耐鹽性能，并且所需的木材來(lái)源廣泛、成本低，Janus木材蒸發(fā)器在可持續(xù)離網(wǎng)脫鹽和廢水零排放領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。表面碳化的植物材料在光吸收轉(zhuǎn)化及孔徑調(diào)節(jié)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，木材具有分布廣泛、可生物降解和優(yōu)異的隔熱保溫性能，且易于生產(chǎn)和獲取，具有重要的研究?jī)r(jià)值。

圖3 光熱碳材料的制備Fig.3 Preparation of photothermal carbon materials

金屬材料在光照下可以觸發(fā)等離子體共振效應(yīng)，當(dāng)入射光頻率與材料振蕩頻率一致時(shí)，會(huì)激發(fā)產(chǎn)生熱電子，與入射磁場(chǎng)產(chǎn)生共振效應(yīng)而釋放熱量。應(yīng)用于太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)的金屬材料的制備工藝如圖4〔17〕。Mingwei ZHU等〔18〕研究了一種添加金屬納米粒子的太陽(yáng)能蒸發(fā)裝置，通過(guò)將Pb、Au、Ag納米顆粒負(fù)載到天然木材的3D介孔基質(zhì)中，在400~2 500 nm的光譜范圍內(nèi)光吸收能力達(dá)到99%，同時(shí)該蒸發(fā)裝置能夠有效從底部吸收水分，在陽(yáng)光照射下可以穩(wěn)定產(chǎn)生蒸汽。Lin ZHOU等〔8〕通過(guò)將Au納米粒子沉積到多孔模板上，制備了一種新型的等離子吸收器，在550~2 500 mm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，平均吸光度達(dá)到99%。其他金屬材料，如Ge、Al、In等，也已被用于納米光熱材料研究。Wei SUN等〔19〕用拉曼光譜對(duì)鍺納米晶體的光熱效應(yīng)進(jìn)行了量化，發(fā)現(xiàn)鍺納米晶體的光熱效應(yīng)與尺寸有關(guān)，且優(yōu)于硅納米晶體，鍺納米晶體顆粒在海水淡化領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。K. BAE等〔20〕設(shè)計(jì)了一種表面負(fù)載等離子體的絕熱納米聚焦結(jié)構(gòu)，通過(guò)在氧化鋁模板上進(jìn)行擴(kuò)孔工藝表面鍍金，使其具有黑色金膜，形成類似于山脊或山谷結(jié)構(gòu)，太陽(yáng)光平均吸收率為91%。金屬材料具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效率和高穩(wěn)定性，然而材料價(jià)格昂貴且具有較高的光反射系數(shù)，在進(jìn)行改性時(shí)往往需要考慮其自身固有的缺陷，優(yōu)化光吸收和成本等問(wèn)題，在未來(lái)有希望大規(guī)模應(yīng)用于光熱海水淡化中。

圖4 光熱金屬材料的制備Fig.4 Preparation of photothermal metal materials

高分子聚合物柔韌性高，易于制成各種形狀，然而，相比其他材料，能夠達(dá)到寬譜吸收和較高穩(wěn)定性能的高分子材料相對(duì)較少。高分子材料在太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)中的作用機(jī)制如圖5所示〔13〕，高分子聚合物與水相互作用使聚合物網(wǎng)絡(luò)中含有3種水：結(jié)合水、間隙水和自由水，在太陽(yáng)照射下，聚合物網(wǎng)絡(luò)可利用太陽(yáng)能產(chǎn)生水蒸氣。V. KASHYAP等〔21〕將PEDOT-PSS水凝膠在石墨毯表面聚合，制成具有柔性且防堵塞的太陽(yáng)能脫鹽裝置，可穩(wěn)定高效處理高鹽水。Fei ZHAO等〔7〕設(shè)計(jì)了基于聚乙烯分子網(wǎng)格的層狀納米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生器，能夠有效將光能轉(zhuǎn)化為熱能。Xuan WU等〔22〕開發(fā)了一種用于太陽(yáng)能界面蒸發(fā)的聚多巴胺-木材蒸發(fā)裝置，通過(guò)將聚多巴胺顆粒添加到天然木材的上表面，能夠有效進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換，天然木材中的維管束能夠憑借毛細(xì)作用將水輸送到蒸發(fā)表面，在太陽(yáng)輻射為96 mW/cm2的條件下，水蒸發(fā)效率可達(dá)到87%。聚合物密度較低，并且可以通過(guò)3D打印等加工手段，制備成漂浮體，進(jìn)一步提高了凈水裝置的可適用性，但是高分子聚合物材料適宜于較為溫和的環(huán)境，在強(qiáng)光照射下容易發(fā)生老化、破損等現(xiàn)象，其環(huán)境耐性較低，在很大程度上限制了其適用范圍〔11〕。

圖5 高分子材料在太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)中的作用機(jī)制Fig.5 Action mechanism of polymer materials in solar interfacial evaporation technology

一些研究也表明，各種光熱復(fù)合材料，能集其所長(zhǎng)，更容易提高水蒸氣產(chǎn)生速率，大大提高其在太陽(yáng)能界面蒸發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用〔23〕。

3 現(xiàn)階段太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的離網(wǎng)脫鹽應(yīng)用研究

3.1 太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的多級(jí)閃蒸和多效蒸餾脫鹽技術(shù)

傳統(tǒng)太陽(yáng)能蒸發(fā)技術(shù)主要借助光熱材料間接加熱，更適合在船舶、沙漠和其他淡水資源匱乏的地區(qū)生產(chǎn)淡水，較為簡(jiǎn)單的蒸發(fā)裝置可以直接漂浮在水面上，利用透明材料（如玻璃）作為光透射表面，并促進(jìn)水蒸氣冷凝〔24〕。這些簡(jiǎn)單的太陽(yáng)能蒸發(fā)裝置可在合適的環(huán)境下生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)淡水，但是熱效率極低。目前，應(yīng)用較為廣泛的太陽(yáng)能熱脫鹽技術(shù)通常是MSF或MED單元與太陽(yáng)能加熱器連接，如圖6所示〔25〕。MSF和MED海水淡化技術(shù)已比較成熟，并且MSF和MED可有效回收冷凝潛熱〔2〕。MSF和MED工藝即使在相對(duì)較低的蒸發(fā)溫度下，通過(guò)降低上部空間中的蒸汽壓力也可實(shí)現(xiàn)高效水蒸發(fā)。

圖6 MSF與MED單元示意Fig.6 MSF and MED distillation units

3.2 太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的膜蒸餾脫鹽技術(shù)

MD是一種新型分離純化技術(shù)，原水加熱后產(chǎn)生的水蒸氣通過(guò)疏水膜，在另一側(cè)冷流液化，使膜表面產(chǎn)生蒸汽壓差以驅(qū)動(dòng)水蒸氣傳輸〔26〕。目前，膜蒸餾主要包括以下幾種形式：直接接觸膜蒸餾（Direct contact Membrane Distillation，DCMD）、氣隙式膜蒸餾（Air-gap Membrane Distillation，AGMD）、掃氣式膜蒸餾（Sweeping Gas Membrane Distillation，SGMD）和真空膜蒸餾（Vacuum Membrane Distillation，VMD）〔27〕。每種膜蒸餾都有其自身的特點(diǎn)，AGMD在太陽(yáng)能水蒸發(fā)領(lǐng)域具有獨(dú)特的潛熱回收優(yōu)勢(shì)〔28〕。AGMD系統(tǒng)流程如圖7（a）所示〔29〕，太陽(yáng)能AGMD中，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成海水的熱能，產(chǎn)生的高溫水蒸氣通過(guò)膜進(jìn)入蒸餾室，并在冷流側(cè)傳熱表面凝結(jié)成液體，流入和流出的水以逆流模式循環(huán)，水蒸氣凝結(jié)釋放的熱量將繼續(xù)加熱進(jìn)水，因此，熱能利用率顯著提高。最近，一些學(xué)者將MD膜與光熱材料相結(jié)合，直接將太陽(yáng)能界面加熱用于MD。P. D. DONGARE等〔30〕通過(guò)靜電紡絲法將碳黑和PVA混合沉積在PVDF膜的表面，設(shè)計(jì)了一種直接由太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的光子納米太陽(yáng)能膜蒸餾系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，陽(yáng)光直接加熱膜一側(cè)的水形成水蒸氣，在蒸汽壓的作用下，水蒸氣透過(guò)PVDF膜，并在膜的另一側(cè)冷凝，能量利用率大大提高。在此基礎(chǔ)上開發(fā)出的多級(jí)太陽(yáng)能膜蒸餾工藝則進(jìn)一步提高了能量利用效率。E.CHIAVAZZO等〔31〕設(shè)計(jì)了一種多梯度太陽(yáng)能蒸餾器，該裝置可在戶外運(yùn)行并能夠滿足偏遠(yuǎn)或貧困地區(qū)的日常用水需求，其主要特點(diǎn)是冷凝水通過(guò)多級(jí)潛熱回收和多級(jí)循環(huán)使冷凝潛熱直接用于加熱水體，有效降低了熱損失，系統(tǒng)水分蒸發(fā)效率和能量利用率顯著提升。Yixiu DONG等〔32〕研發(fā)了具有自由流動(dòng)蒸發(fā)通道的多級(jí)光熱膜蒸餾（MS-PMD）裝置，如圖7（b）所示，太陽(yáng)輻射穿透頂部聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）蓋和薄水層，直接加熱光熱膜表面的海水，水蒸氣通過(guò)膜孔在鋁板冷凝，并用于加熱下一級(jí)給水，實(shí)現(xiàn)潛熱的有效回收。該裝置太陽(yáng)能吸收、蒸汽傳輸、能量傳遞都在蒸發(fā)通道中，使蒸發(fā)表面溫度穩(wěn)定，大大降低了溫度極化，并且產(chǎn)水和耐鹽性能顯著提高，能夠穩(wěn)定運(yùn)行8 h且無(wú)鹽沉積。

圖7 AGMD系統(tǒng)流程（a）和MS-PMD裝置原理（b）Fig.7 Schematic diagram of AGMD （a） and schematic diagram of MS-PMD （b）

3.3 溫室海水淡化脫鹽技術(shù)

地球上許多沿海干旱和半干旱地區(qū)，如以色列等中東地區(qū)，日照較為充足，但淡水資源匱乏，因此，利用溫室脫鹽技術(shù)來(lái)緩解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)缺水問(wèn)題是一個(gè)不錯(cuò)的選擇〔33〕。傳統(tǒng)的溫室脫鹽技術(shù)如圖8所示〔34〕，海水、微咸水進(jìn)入上部溫室屋頂，由太陽(yáng)能輻射加熱蒸發(fā)水蒸氣，在室內(nèi)凝結(jié)成液滴，并通過(guò)重力作用輸送給土壤中的作物，減少傳統(tǒng)噴灌所消耗的能量，多余的水可以儲(chǔ)存在水箱中備用。水蒸氣蒸發(fā)吸收熱量也使室內(nèi)保持涼爽，更利于作物生長(zhǎng)。溫室脫鹽裝置簡(jiǎn)單、靈活、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、安裝和操作成本低，所獲得的淡水可以灌溉作物，更重要的是，該技術(shù)可以直接利用太陽(yáng)能〔34-35〕。M. T. CHAIBI等〔36〕調(diào)研了Tunis的溫室屋頂，并研究了屋頂透光率對(duì)太陽(yáng)能蒸餾器的水分蒸發(fā)和作物產(chǎn)量的影響。J.LINDBLOM等〔37〕開發(fā)了脫鹽水的冷凝灌溉工藝，使用太陽(yáng)能加熱蒸發(fā)海水，產(chǎn)生的水蒸氣進(jìn)入地面水平管道，滲透到土壤中，該研究設(shè)計(jì)了一條長(zhǎng)50 m、平均產(chǎn)水量1.8 kg/m的管道，可滿足基本灌溉要求。溫室脫鹽技術(shù)具有非常高的實(shí)用價(jià)值，特別是在中低緯度較為干旱且日照充足的地區(qū)，是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要工藝。

圖8 溫室脫鹽流程示意Fig.8 Schematic diagram of greenhouse desalination

3.4 太陽(yáng)能加濕除濕海水淡化技術(shù)

太陽(yáng)能加濕除濕（Humidification-dehumidification，HDH）海水淡化技術(shù)通過(guò)太陽(yáng)能對(duì)空氣進(jìn)行加濕和除濕來(lái)獲得淡水。典型的太陽(yáng)能HDH系統(tǒng)主要包括4個(gè)過(guò)程：太陽(yáng)能熱收集、海水加熱、淡水集聚和空氣循環(huán)〔38〕。太陽(yáng)能HDH海水淡化系統(tǒng)如圖9所示〔39〕，太陽(yáng)能水加熱循環(huán)產(chǎn)生熱水，太陽(yáng)能空氣加熱循環(huán)產(chǎn)生熱空氣，加濕器產(chǎn)生濕空氣，除濕器產(chǎn)生淡水。太陽(yáng)能水加熱循環(huán)由真空管太陽(yáng)能集熱器、流量計(jì)和閘閥3部分組成。太陽(yáng)能集熱器是一個(gè)真空管系統(tǒng)，由20個(gè)真空管和一個(gè)儲(chǔ)存海水的不銹鋼水箱組成。與傳統(tǒng)的海水淡化方法相比，太陽(yáng)能HDH技術(shù)具有投資成本低、蒸發(fā)壓力小、太陽(yáng)能熱獲取便捷、蒸發(fā)過(guò)程溫和、設(shè)備規(guī)模小、產(chǎn)水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)，操作溫度約為70~90 ℃，可在炎熱和潮濕的氣候下經(jīng)濟(jì)高效地運(yùn)行〔40〕。A. FOUDA等〔41〕提出了一種用于濕熱地區(qū)HDH海水淡化的太陽(yáng)能集成系統(tǒng)，在不同的運(yùn)行和設(shè)計(jì)條件下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了暫態(tài)分析和參數(shù)研究，結(jié)果表明，隨著空氣溫度、空氣濕度和太陽(yáng)能集熱器面積的增加，系統(tǒng)的淡水生產(chǎn)力、系統(tǒng)水回收率均增加，且該系統(tǒng)在濕熱氣候地區(qū)運(yùn)行極為經(jīng)濟(jì)高效。S. M. SOUFARI等〔42〕在伊朗建造了一個(gè)淡水生產(chǎn)能力為10 kg/h的太陽(yáng)能HDH測(cè)試裝置，該裝置主要包括平板太陽(yáng)能收集器、加濕器和除濕器，能夠高效生產(chǎn)淡水。太陽(yáng)能HDH脫鹽系統(tǒng)在海水淡化工藝中具有重要的影響。

圖9 太陽(yáng)能HDH海水淡化系統(tǒng)流程Fig.9 Schematic diagram of solar HDH desalination system

3.5 多能耦合脫鹽技術(shù)

在利用太陽(yáng)能進(jìn)行海水淡化過(guò)程中，也存在諸多缺陷，如日照不穩(wěn)定，特別是陰雨天氣，大大限制了太陽(yáng)能脫鹽設(shè)備的運(yùn)行。為了彌補(bǔ)這些缺陷，通過(guò)將太陽(yáng)能與其他可再生能源耦合，可解決太陽(yáng)能不穩(wěn)定的問(wèn)題〔43〕。風(fēng)能是一種被廣泛利用的可再生能源，具有無(wú)污染、分布范圍廣、技術(shù)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。太陽(yáng)能和風(fēng)能的耦合可有效解決太陽(yáng)能脫鹽夜間無(wú)法運(yùn)行的問(wèn)題。現(xiàn)階段主要有兩種太陽(yáng)能和風(fēng)能耦合的海水淡化技術(shù)，一種是用風(fēng)能和太陽(yáng)能互補(bǔ)發(fā)電，可充分利用風(fēng)能和太陽(yáng)能的發(fā)電優(yōu)勢(shì)并通過(guò)電能驅(qū)動(dòng)進(jìn)行RO脫鹽；另一種方式是利用太陽(yáng)能直接加熱海水，風(fēng)能發(fā)電儲(chǔ)存電能，當(dāng)太陽(yáng)能不足時(shí)，以電能驅(qū)動(dòng)RO，該方案更為節(jié)能，效率也得到進(jìn)一步地提高。C. KORONEOS等〔44〕研究了風(fēng)能和太陽(yáng)能耦合的海水淡化綜合模型，將兩者結(jié)合，降低了海水淡化成本，并實(shí)現(xiàn)了電力存儲(chǔ)。D. MENTIS等〔45〕在愛(ài)琴海的島嶼上采用風(fēng)力發(fā)電與太陽(yáng)能光伏發(fā)電耦合進(jìn)行了海水脫鹽，生產(chǎn)的淡水成本遠(yuǎn)低于市場(chǎng)價(jià)格。2017年，我國(guó)將太陽(yáng)能和風(fēng)能耦合的海水淡化設(shè)備安裝于三沙市趙述島，太陽(yáng)能風(fēng)能互補(bǔ)技術(shù)全面優(yōu)化資源配置，確保系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行，有效解決了南海諸多區(qū)域缺水的問(wèn)題。因此，憑借自然資源綜合利用、傳熱增強(qiáng)、能源回收和綜合效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)的多能量耦合海水淡化技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用潛力。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

海水淡化屬于能源密集型產(chǎn)業(yè)，近年來(lái)能源短缺問(wèn)題嚴(yán)重，利用可再生能源進(jìn)行離網(wǎng)脫鹽的意義愈發(fā)重大。

目前，由太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的可持續(xù)離網(wǎng)脫鹽技術(shù)，特別是基于空氣-水表面的太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)，由于各種光熱轉(zhuǎn)換材料和蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)不斷創(chuàng)新，大大提高了太陽(yáng)能利用率和淡水生產(chǎn)率，使其在緩解淡水資源短缺問(wèn)題中具有極大應(yīng)用潛力，然而，現(xiàn)有的太陽(yáng)能界面蒸發(fā)系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換效率、水傳輸效率以及界面處的蒸汽液化效率限制了太陽(yáng)能界面蒸發(fā)離網(wǎng)脫鹽技術(shù)的市場(chǎng)化、產(chǎn)業(yè)化，并且在海岸地區(qū)的海水脫鹽項(xiàng)目，系統(tǒng)可能面臨腐蝕、顆粒沉積等問(wèn)題，導(dǎo)致設(shè)備維護(hù)繁瑣、使用壽命縮短，未來(lái)的研究方向可朝著以下幾個(gè)方向進(jìn)行：1）設(shè)計(jì)開發(fā)具有追光功能的蒸發(fā)材料，結(jié)合計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，進(jìn)一步優(yōu)化可控的蒸發(fā)速率、蒸汽溫度和蒸汽擴(kuò)散角；2）將高效太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)與其他太陽(yáng)能應(yīng)用相結(jié)合，如引入多功能介質(zhì)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能蒸餾殺菌或光催化凈水，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的多重利用；3）從化學(xué)、物理學(xué)等學(xué)科角度出發(fā)深入研究脫鹽過(guò)程中的鹽結(jié)晶問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；4）開發(fā)高性能、低能耗、高穩(wěn)定性的蒸發(fā)設(shè)備，應(yīng)用于太陽(yáng)能海水淡化的工藝仍有待進(jìn)一步優(yōu)化。