太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)及其在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

劉 潔，于振江，楊 蕾，周雪飛,3,*，夏雪芬，張亞雷,3

(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；2. 同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3.上海污染控制與生態(tài)安全研究院，上海 200092；4. 上海華勵(lì)振環(huán)保科技有限公司，上海 200092)

2019年BP公司發(fā)布的《BP世界能源展望》[1]表明，全球一次能源消費(fèi)仍在增長(zhǎng)，且世界人口的快速增長(zhǎng)將進(jìn)一步導(dǎo)致能源緊缺，引起了全球?qū)δ茉窗踩母叨汝P(guān)注。太陽(yáng)能因其廣泛的分布以及豐富的儲(chǔ)量，一直受到學(xué)者的青睞而加以研究應(yīng)用，如太陽(yáng)能發(fā)電、太陽(yáng)能被動(dòng)墻、太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)等。其中，太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)是利用太陽(yáng)能吸收體吸收太陽(yáng)光，并將其直接轉(zhuǎn)換為熱量，從而實(shí)現(xiàn)液體低溫蒸發(fā)的技術(shù)，最早應(yīng)用于海鹽曬制，技術(shù)相對(duì)成熟，憑借清潔、可實(shí)踐性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)高效、可用于偏遠(yuǎn)及貧困地區(qū)等優(yōu)勢(shì)已成為國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的研究熱點(diǎn)。相關(guān)學(xué)者也嘗試將太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)用到環(huán)境領(lǐng)域，如海水淡化、蒸汽滅菌、污水處理、蒸餾等多個(gè)領(lǐng)域，均表現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。基于太陽(yáng)能的光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以促進(jìn)傳統(tǒng)環(huán)境水處理與新能源的結(jié)合，減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴和降低相關(guān)技術(shù)在典型場(chǎng)景下的應(yīng)用成本。隨著光熱材料和蒸發(fā)基礎(chǔ)理論的發(fā)展，基于光熱轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)已在環(huán)境領(lǐng)域得到了重要拓展。

目前，關(guān)于太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)的研究眾多，如何提高太陽(yáng)能蒸發(fā)速率和效率是關(guān)注的重點(diǎn)。其中，太陽(yáng)能吸收體材料是影響太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)速率和效率的直接因素，被學(xué)者們廣泛研究。目前，太陽(yáng)能吸收體材料可分為金屬等離子體材料(Au[2-5]、Ag[6-7]、Al[8]等)、無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料(CuS[9]、Co3O4[10]等)、碳基材料[氧化石墨烯(GO)[11-16]、碳納米管(CNT)[17-20]、還原氧化石墨烯(rGO)[21-23]等]、有機(jī)高分子材料[聚吡咯(PPy)[24]等]這4大類，但文獻(xiàn)中衡量其性能的指標(biāo)有所差異，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)的發(fā)展十分重要。

近年來(lái)，太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)的相關(guān)綜述，主要聚焦在太陽(yáng)能吸收體材料的發(fā)展趨勢(shì)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展演變，而較少關(guān)注其在實(shí)際應(yīng)用方面的發(fā)展，尤其是在環(huán)境相關(guān)領(lǐng)域，缺少系統(tǒng)總結(jié)與分析，這在一定程度上限制了太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用。因此，有必要對(duì)太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)近年來(lái)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)一步梳理和總結(jié)，探討其在環(huán)境領(lǐng)域中的發(fā)展和潛在拓展應(yīng)用。

基于此，本文深入、系統(tǒng)地總結(jié)太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)的現(xiàn)狀，梳理了現(xiàn)有太陽(yáng)能吸收體材料、蒸發(fā)形式的發(fā)展脈絡(luò)，全面介紹了太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用與優(yōu)缺點(diǎn)，提出了該技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域未來(lái)的應(yīng)用思路。

1 太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)

太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)是利用太陽(yáng)能吸收體吸收太陽(yáng)光，并將其轉(zhuǎn)換為熱量，加熱周圍水層，以實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)的一種技術(shù)。太陽(yáng)能蒸發(fā)系統(tǒng)通常由以下幾個(gè)部分組成[25]：太陽(yáng)能吸收層、蒸汽逸散通道、水傳輸通道以及隔熱層。蒸汽逸散通道、水傳輸通道和隔熱層這3部分的作用是提升太陽(yáng)能蒸發(fā)效率，提高蒸發(fā)速率，減少熱量損失。

太陽(yáng)能吸收層是太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)最為重要的部分，其作用是接收太陽(yáng)光，并將其轉(zhuǎn)換為熱能。輻射到地面上的太陽(yáng)光，覆蓋了300～2 500 nm的寬波長(zhǎng)，包括3個(gè)部分：紫外線區(qū)域(300～400 nm，占總能量的3%)、可見光區(qū)域(400～700 nm，占總能量的45%)和紅外區(qū)域(700～2 500 nm，占總能量的52%)。其中，紅外光的熱效應(yīng)最為明顯[26-27]。因此，增強(qiáng)太陽(yáng)能吸收層在紅外光特別是近紅外光波段的吸收，對(duì)提高光熱轉(zhuǎn)換性能特別重要[28-29]。而光譜選擇吸收表面的理論基礎(chǔ)是黑體輻射理論，該理論表明，理想光譜選擇吸收表面需兼具高效吸收太陽(yáng)能輻射和本身向外極低輻射能量2個(gè)條件。因此，太陽(yáng)能吸收層不僅需高的太陽(yáng)能輻射吸收，還需在高溫下保持低發(fā)射率[30]。式(1)[30-31]描述了入射角為θ時(shí)，太陽(yáng)能吸收層的總太陽(yáng)吸收率α(θ)。

(1)

其中：θ——從吸收體的表面法線測(cè)量的光的入射角；

A(λ)——與波長(zhǎng)有關(guān)的太陽(yáng)光譜輻照度；

R(θ,λ)——波長(zhǎng)θ處的總反射率。

目前，衡量太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)性能的指標(biāo)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但大多數(shù)研究者都以式(2)和式(3)[31-34]作為指標(biāo)。

(2)

Q=c(T1-T0)

(3)

其中：η——光熱轉(zhuǎn)換效率；

m——水體在光照下的質(zhì)量損失率，等于蒸發(fā)系統(tǒng)在光照條件下(mlight)和無(wú)光照條件下(mdark)的水體質(zhì)量變化率的差值(mlight-mdark)，kg/(m2·h)；

LV——水體蒸發(fā)過(guò)程中的蒸發(fā)焓，一般為2 260 kJ/kg，1 kJ=2.778×10-4kW·h；

Q——水體的顯熱變化；

c——4.2 kJ/(kg·K)；

T0——水體初始溫度，K；

T1——蒸發(fā)溫度，K；

Copt——吸收體表面的光學(xué)強(qiáng)度；

Pin——入射光能量，kW/m2。

1.2 太陽(yáng)能吸收體材料

(1)材料種類

在實(shí)際應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)高效性、經(jīng)濟(jì)性，太陽(yáng)能吸收體材料需具備以下特征[26-27, 31, 35-38]：高的太陽(yáng)光吸收、低的中紅外光吸收(避免散熱)、高效的光熱轉(zhuǎn)換性能、良好的熱調(diào)控(熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對(duì)流盡可能低)、低成本、良好的可回收性和可擴(kuò)展性、長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。

近年來(lái)，對(duì)太陽(yáng)能吸收體材料的相關(guān)研究很多，取得了很大進(jìn)步。太陽(yáng)能吸收體材料大致可分為金屬等離子體材料、無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料、碳基材料和有機(jī)高分子材料，如表1所示。

表1 太陽(yáng)能吸收體材料的分類[27-28, 31, 33, 39]Tab.1 Classification of Solar Absorber Materials[27-28, 31, 33, 39]

由表1可知：金屬等離子體材料光穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性更好，但相對(duì)于另3種材料成本更高；無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料形態(tài)可調(diào)節(jié)，光熱穩(wěn)定性良好；碳基材料具有寬光譜吸收以及廉價(jià)的成本，但熱導(dǎo)率高導(dǎo)致熱損失；有機(jī)高分子材料結(jié)構(gòu)多樣化，但穩(wěn)定性較差。目前，為進(jìn)一步優(yōu)化太陽(yáng)能吸收體，彌補(bǔ)各類材料的不足，通過(guò)2種或以上的單一材料形成復(fù)合材料以實(shí)現(xiàn)各類需求。

(2)材料結(jié)構(gòu)

研究者們采取調(diào)節(jié)濃度、摻雜、修飾表面等各種方法，盡可能地提高太陽(yáng)能吸收體材料的太陽(yáng)能吸收率。材料的微觀多孔結(jié)構(gòu)有利于太陽(yáng)能吸收，但仍不可避免地以反射和輻射方式損失部分能量。而將材料做成宏觀的3D結(jié)構(gòu)，利用多次反射不僅可以增強(qiáng)對(duì)太陽(yáng)能的吸收，還可以利用周圍環(huán)境能量以及底部的漫反射以及熱輻射，進(jìn)一步提高蒸發(fā)效率。Shi等[34]比較了3D和2D材料的太陽(yáng)能吸收率，3D材料的吸收率(99.4%)大于2D的吸收率(95.5%)，因?yàn)?D材料不僅可以吸收2D底部的漫反射和熱輻射，還可以利用低于周圍溫度的杯壁吸收環(huán)境的能量，使得3D材料的效率接近100%。從碳化的竹子中可以進(jìn)一步證實(shí)，3D的材料可以突破2D材料的吸收限制。在Bian等[40]制作的2D和3D碳化竹子中，2D碳化竹子僅有94.8%的吸收率，而3D材料的太陽(yáng)能吸收率高達(dá)99.6%，效率也高達(dá)132%。因此，將材料制作成3D的形貌可以捕獲幾乎全部的太陽(yáng)光，還能吸收周圍的環(huán)境能量提高效率。

(3)長(zhǎng)效穩(wěn)定性

在實(shí)際應(yīng)用中，材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。研究者們不僅是選擇穩(wěn)定性高的材料，Zhang等[41]還創(chuàng)新性地在以MXene為基的納米海綿上鍍一層2.1 nm的SnO2薄膜，防止MXene的表面氧化，實(shí)現(xiàn)了高效長(zhǎng)期的光熱轉(zhuǎn)換；在重復(fù)使用的30 d中，1 kW/m2光照強(qiáng)度下，可實(shí)現(xiàn)各種廢水(強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、重金屬?gòu)U水和鹽水)的穩(wěn)定出水量[蒸發(fā)速率為1.41 kg/(m2·h)，效率達(dá)84.8%]，還能實(shí)現(xiàn)100 h的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)電(3.6 V)。對(duì)于高性能但穩(wěn)定性較差的材料來(lái)說(shuō)，提高材料的使用壽命很有必要。

(4)技術(shù)成本

太陽(yáng)能吸收體材料的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高效性和經(jīng)濟(jì)性。碳基材料尤其是生物碳基材料，是目前成本最低，且具有良好光熱性能的一類材料，但必須通過(guò)調(diào)控結(jié)構(gòu)減少潛在的熱損失。考慮經(jīng)濟(jì)成本和蒸發(fā)效果，碳基材料會(huì)成為太陽(yáng)能吸收體材料的主流之一。

1.3 太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)形式

為減少各種途徑的熱量損失，研究者們改進(jìn)了太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)的形式，從最初的塊體蒸發(fā)到隨后的界面蒸發(fā)，最后受植物蒸騰系統(tǒng)啟發(fā)，創(chuàng)新性地提出了隔離蒸發(fā)，如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)形式示意圖[25, 31, 42]Fig.1 Schematic Diagram of Solar Photothermal Evaporation Types[25,31,42]

1.3.1 塊體蒸發(fā)

塊體蒸發(fā)是最早使用的一種蒸發(fā)形式，分為底部加熱[圖1(a)]和整體加熱[圖1(b)]，太陽(yáng)能吸收體材料完全浸沒(méi)在水中，吸收太陽(yáng)能后轉(zhuǎn)換成的熱量加熱周圍水體，實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)。這種蒸發(fā)形式與水體的接觸面積過(guò)大，產(chǎn)生的熱量多用于加熱水體，實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)的能量有限，蒸發(fā)效率普遍偏低。另外，這種蒸發(fā)方式的太陽(yáng)能吸收體材料是放置在底部或均勻分散于水中，需透明水體或高強(qiáng)度太陽(yáng)光，使用條件苛刻，回收利用難度高，不便于在開放水域使用。

1.3.2 界面蒸發(fā)

為克服塊體蒸發(fā)的諸多缺陷，學(xué)者們研發(fā)出界面蒸發(fā)形式。圖1(c)為漂浮在水體表面的直接接觸界面蒸發(fā)形式，由太陽(yáng)能吸收體材料和支撐載體(如無(wú)塵紙、濾膜、棉布等)組成。其中的太陽(yáng)能吸收體材料需對(duì)太陽(yáng)能全光譜有強(qiáng)吸收，而支撐載體需滿足低成本、黏附性好、親水性好等要求；這種蒸發(fā)形式減少了材料與水體的接觸面積，實(shí)現(xiàn)了界面局部加熱，但是與水體的直接接觸將導(dǎo)致大量的熱損失。圖1(d)為不與水體有直接接觸的間接接觸界面蒸發(fā)形式，由光熱材料和支撐載體[如木頭、泡沫、氣凝膠以及陽(yáng)極氧化鋁(AAO)等)]構(gòu)成，此時(shí)支撐載體具有一定的厚度且質(zhì)輕，可漂浮在液體上，使液體和蒸發(fā)表面不直接接觸；此外，支撐載體還需作為輸水通道將水體輸送到蒸發(fā)表面。由上述可知，2種界面蒸發(fā)形式的明顯區(qū)別是支撐載體，可以認(rèn)為，直接接觸形式的支撐載體是1D的，間接接觸形式的支撐載體是2D的。1D支撐載體單薄、親水性優(yōu)，光熱材料可以牢固負(fù)載在上面，與水接觸面積較大，對(duì)導(dǎo)熱性沒(méi)有要求；相對(duì)而言，2D支撐載體具有一定的厚度，為多孔材料，便于將水輸送到頂部的熱區(qū)域，要求低熱導(dǎo)。最早使用的2D載體是泡沫(聚三聚氰胺泡沫)、天然多孔材料(木頭、甘蔗、竹子等)，這些支撐載體在一定程度上滿足了較高孔隙率、質(zhì)輕和較小的導(dǎo)熱性；但其性能較為固定化，變化幅度有限。而氣凝膠因其大于85%的高孔隙率、小于0.5 g/cm3的輕比重、大于50 m2/g的表面積以及最小的導(dǎo)熱性得到了研究者的重視[43]，且可定制，在性能上更具有優(yōu)勢(shì)。由此可以看出，1D支撐載體與水接觸面積大，2D支撐載體與水體間接接觸且導(dǎo)熱性低，后者的熱損失相對(duì)較小，理論上講，后者的蒸發(fā)效率更高。

1.3.3 隔離蒸發(fā)

為進(jìn)一步提高太陽(yáng)能蒸發(fā)效率，研究者們提出了隔離蒸發(fā)形式。隔離蒸發(fā)形式將太陽(yáng)能吸收體與大量水體隔離，與界面蒸發(fā)形式相比，進(jìn)一步減少了與水體的接觸面積，降低了熱損失，是3種蒸發(fā)形式中與水體接觸面積最少的。隔離蒸發(fā)也有2種蒸發(fā)形式，一種是受植物蒸騰系統(tǒng)啟發(fā)的樹形結(jié)構(gòu)以及具有二維輸水通道的一體式蒸發(fā)結(jié)構(gòu)，如圖1(e)所示。其中，受植物蒸騰系統(tǒng)啟發(fā)的樹形結(jié)構(gòu)是將太陽(yáng)能吸收體與裝有液體的容器隔離開，輸水通道支撐著太陽(yáng)能吸收體，以及將液體輸送到蒸發(fā)界面，極大程度地減少了熱量傳導(dǎo)到大量液體中，從而減少熱量損失；而具有二維輸水通道的一體式蒸發(fā)結(jié)構(gòu)在形式上與界面蒸發(fā)形式中的間接接觸有相似之處，但帶有二維輸水通道的一體式蒸發(fā)結(jié)構(gòu)實(shí)際上是由太陽(yáng)能吸收體、輸水通道、隔熱材料這3部分組成，蒸發(fā)過(guò)程中僅有一層薄薄的水層與蒸發(fā)位置接觸，輸水通道下方的隔熱材料避免了將熱量傳導(dǎo)給大量液體，在理論上進(jìn)一步減少了熱量損失。另一種隔離蒸發(fā)形式是含水固體的直接蒸發(fā)，如圖1(f)所示，不需輸水通道將水體輸送到蒸發(fā)位置，它本身是含水的固體，由于不涉及大量水，會(huì)將熱傳導(dǎo)損失降到最低。隔離蒸發(fā)形式是最新發(fā)展的一種蒸發(fā)形式，也是目前最為流行的蒸發(fā)形式之一。

本文對(duì)近年來(lái)太陽(yáng)能吸收體材料和蒸發(fā)形式進(jìn)行了匯總，如表2所示。

表2 近年來(lái)太陽(yáng)能吸收體材料和蒸發(fā)形式匯總Tab.2 Summary of Solar Absorber Materials and Evaporation Forms in Recent Years

由表2可知，研發(fā)的光熱材料種類豐富，不僅利用高性能的單一材料，還復(fù)合多種材料進(jìn)一步改善蒸發(fā)性能，其中，3D結(jié)構(gòu)材料表現(xiàn)出更強(qiáng)的蒸發(fā)性能。關(guān)于蒸發(fā)形式：相較于界面蒸發(fā)和隔離蒸發(fā)，塊體蒸發(fā)的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率較低，在近年來(lái)出現(xiàn)的頻率較低；界面蒸發(fā)中的2種蒸發(fā)形式在一定程度上提高了蒸發(fā)性能，在低光照強(qiáng)度下仍有較高的蒸發(fā)速率；塊體蒸發(fā)中完全隔離加熱的蒸發(fā)形式在研究中出現(xiàn)頻率較少，但蒸發(fā)速率在1 kW/m2的光照強(qiáng)度下可達(dá)到4 kg/(m2·h)[82]，而調(diào)整輸水通道加熱的蒸發(fā)形式在低光照強(qiáng)度下表現(xiàn)出較強(qiáng)的蒸發(fā)性能，但仍不及完全隔離蒸發(fā)。由表2可知，部分研究受自然啟發(fā)，直接將具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的自然生物材料用于蒸發(fā)，或仿造自然生物結(jié)構(gòu)用于蒸發(fā)。蒸發(fā)形式和光熱材料在太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)中都極為重要，選擇合適的蒸發(fā)形式和高性能的光熱蒸發(fā)材料是提高太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)性能的重要因素，其中，高性能的光熱材料更大程度上決定了蒸發(fā)性能。

2 太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用

太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)主要應(yīng)用在環(huán)境領(lǐng)域的海水淡化、污水處理、蒸汽滅菌等，在環(huán)境領(lǐng)域是一項(xiàng)新興的技術(shù)。

2.1 海水淡化

圖2 海水淡化 (a)1 kW/m2下部分文獻(xiàn)產(chǎn)水速率的總結(jié)；(b)蒸發(fā)裝置[83]Fig.2 Seawater Desalination (a) Summary of Water Production Rate in Some Literatures under 1 kW/m2; (b)Evaporation Device[83]

海水淡化是目前太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)用最多的領(lǐng)域，是緩解淡水資源緊缺的重要技術(shù)之一。海水淡化常用工藝有反滲透、低溫多效蒸餾和多級(jí)閃蒸，其投資成本高且能耗大。其中，應(yīng)用最廣泛的反滲透技術(shù)需完善的預(yù)處理系統(tǒng)，最大運(yùn)行成本之一是電力，還需定期維護(hù)和清洗；而太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)無(wú)需預(yù)處理，以太陽(yáng)能作為能源，可節(jié)省能源開支，后期維護(hù)成本低，具有更高的經(jīng)濟(jì)性。目前，各類材料在海水淡化的應(yīng)用研究很多[圖2(a)]，光照強(qiáng)度為1 kW/m2時(shí)的產(chǎn)水速率已高達(dá)3 kg/(m2·h)以上，經(jīng)淡化后的水質(zhì)也大都滿足世界衛(wèi)生組織(WHO)和美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)的飲用水標(biāo)準(zhǔn)。Li等[61]通過(guò)制作的雙層聚合物泡沫對(duì)黃海水樣進(jìn)行淡化處理，淡化后的水質(zhì)中Na+、K+、Mg2+、Ca2+濃度大幅度下降，離子截留率超過(guò)99.93%，其中，Na+濃度遠(yuǎn)低于WHO和EPA的標(biāo)準(zhǔn)。黃璐等[84]總結(jié)了太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)近年來(lái)的進(jìn)展，提出海水淡化的最大挑戰(zhàn)是鹽分結(jié)晶和蒸汽冷凝效率低。鹽分結(jié)晶影響蒸發(fā)性能，會(huì)降低太陽(yáng)能吸收體的使用壽命，極大地限制了太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)在海水淡化中的應(yīng)用，而蒸汽冷凝效率低會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)光輻射到蒸發(fā)裝置的強(qiáng)度降低。針對(duì)鹽分結(jié)晶，除了采取太陽(yáng)能吸收體材料表面疏水化處理之外，莫納什大學(xué)的張西旺教授團(tuán)隊(duì)則巧妙地利用鹽結(jié)晶的位置，制作出合適大小的太陽(yáng)能吸收體，使鹽結(jié)晶在太陽(yáng)能吸收體邊緣并自動(dòng)脫落，不僅實(shí)現(xiàn)了海水淡化，還收獲了鹽，但是不普遍適用于所有鹽[77]。對(duì)于蒸汽冷凝效率低的問(wèn)題，Li等[24]通過(guò)調(diào)節(jié)蒸發(fā)系統(tǒng)中的壓力改善了蒸汽冷凝效率，結(jié)果表明，低壓系統(tǒng)相較于環(huán)境壓力的總體效率得到了明顯的提高，這也是改善蒸汽效率的一種手段，目前相關(guān)研究較少。因此，為擴(kuò)大海水淡化的應(yīng)用范圍，當(dāng)務(wù)之急是解決鹽結(jié)晶以及提高蒸汽冷凝效率。此外，多級(jí)海水淡化裝置可利用潛熱提高蒸發(fā)速率，推進(jìn)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程。Chiavazzo等[83]研發(fā)出高效、低成本的多級(jí)海水淡化裝置，如圖2(b)所示。在光照強(qiáng)度為1 kW/m2下，蒸餾速率高達(dá)3 kg/(m2·h)，該裝置可滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)和缺水地區(qū)的淡水需求。

2.2 消毒滅菌

太陽(yáng)能中的UV可以用于消毒，太陽(yáng)能加熱水體也可以殺滅水中的細(xì)菌，但效率普遍偏低，且溫度響應(yīng)時(shí)間也較長(zhǎng)。李金磊[32]利用基于界面加熱的太陽(yáng)能光熱蒸汽技術(shù)產(chǎn)生蒸汽，實(shí)現(xiàn)了響應(yīng)速度快(8.4 min可實(shí)現(xiàn)1個(gè)完整的滅菌循環(huán))，且能量利用效率高(100 J/mL的蒸汽溫度可達(dá)到滅菌溫度121 ℃)的滅菌，這種滅菌方式不僅可以在電力緊缺的地區(qū)使用，還可以在野外等緊急情況下使用。Huang等[81]制作的雙相CuxS復(fù)合納米棒三維分層結(jié)構(gòu)泡沫也可以殺滅細(xì)菌。Zha等[85]也利用太陽(yáng)能蒸發(fā)技術(shù)產(chǎn)生的蒸汽實(shí)現(xiàn)了99.99%以上的滅菌。因此，太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)是一項(xiàng)具有可實(shí)踐性的滅菌方式，可以應(yīng)用在偏遠(yuǎn)地區(qū)或者基礎(chǔ)設(shè)施薄弱地區(qū)的飲用水消毒。

2.3 污水處理

(1)近零排放

隨著工業(yè)的蓬勃發(fā)展，產(chǎn)生的污水也逐步增多。污水處理不當(dāng)會(huì)嚴(yán)重破壞環(huán)境，影響人類生活，最終威脅人類生存。污水處理不當(dāng)?shù)脑虬ㄝ^高的成本投入，且隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高，需投入更多的資金。而太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)，成本較低，蒸發(fā)后的水完全能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，甚至可以回用，帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益；所產(chǎn)生的濃液可通過(guò)進(jìn)一步蒸發(fā)直到結(jié)晶再進(jìn)行焚燒處理，還能參考反滲透濃液的處理方式，如高級(jí)氧化工藝，避免二次污染。Huang等[81]制作的雙相CuxS復(fù)合納米棒三維分層結(jié)構(gòu)泡沫可以凈化有色溶劑，也能實(shí)現(xiàn)油水分離。耦合其他污水處理技術(shù)，理論上可實(shí)現(xiàn)污水的近零排放，但是，污水體量大且成分復(fù)雜，將太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)大批量投入實(shí)際污水處理中，需率先突破材料抗污染和蒸發(fā)過(guò)程的高效率。

(2)高濃度廢水處理

難處理的高濃度廢水一般含有可回收的物質(zhì)，例如高濃度金屬?gòu)U水中可以回收金屬，但按照一般的污水處理流程，回收困難且成本高。利用太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)，不僅可實(shí)現(xiàn)高濃度廢水的高效蒸發(fā)，滿足達(dá)標(biāo)排放的目標(biāo)，還能從水中分離溶質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)廢水處理中的金屬、營(yíng)養(yǎng)鹽以及鹽分等的回收。Xu等[80]受睡蓮結(jié)構(gòu)啟發(fā)，研發(fā)的一種仿生分層結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)10 wt%鹽水以及30 wt%重金屬溶液溶質(zhì)和水的完全分離，蒸發(fā)效率達(dá)到了80%，為高濃度廢水處理提供了新的解決方法。

傳統(tǒng)廢水處理工藝(如活性污泥法、膜生物反應(yīng)器、生物轉(zhuǎn)盤法等)運(yùn)行最大的成本之一是電力，限制了其在電力緊缺等地區(qū)的應(yīng)用，后期維護(hù)成本較大，微生物對(duì)生存環(huán)境有要求，不適用于高海拔等環(huán)境惡劣地區(qū)。太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)幾乎對(duì)電力無(wú)要求，以廉價(jià)且分布廣泛的太陽(yáng)能作為能源，適用于大部分地區(qū)，兼具經(jīng)濟(jì)性和普適性。

2.4 應(yīng)用趨勢(shì)分析

太陽(yáng)能蒸發(fā)技術(shù)在農(nóng)村地區(qū)的污水處理和應(yīng)急場(chǎng)景下的技術(shù)路線如圖3所示，為偏遠(yuǎn)地區(qū)、緊急情況下的飲用水需求和污水處理提供了新的解決方案，也是尿液資源化和污泥、糞便干化新的處理手段。

圖3 農(nóng)村區(qū)域分散污水處理以及應(yīng)急場(chǎng)景下的技術(shù)路線圖Fig.3 Technical Roadmap of Decentralized Wastewater Treatment in Rural Areas and Emergency Scenarios

(1)無(wú)下水處理設(shè)施農(nóng)村區(qū)域分散污水的處理

大部分農(nóng)村區(qū)域污水分散在各個(gè)地方，不便于管理和處理；而低成本的太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)可以有效處理分散的污水，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村地區(qū)污水的達(dá)標(biāo)排放。而且，處理后的污水可以用于廁所沖水，緩解干旱地區(qū)的缺水問(wèn)題，改善用廁環(huán)境。近年來(lái)，農(nóng)村改廁火熱進(jìn)行，偏遠(yuǎn)缺水地區(qū)正是其中的難點(diǎn)之一。利用廉價(jià)的太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)，不僅可以有效處理產(chǎn)生的污水，還可以利用凈化后的水循環(huán)沖水，可以極大程度地緩解廁所沖水困境。

(2)尿液的資源化

僅占生活污水總量1%的尿液含有污水中大部分的COD和絕大部分營(yíng)養(yǎng)鹽(氮、磷、鉀)，為污水處理廠帶來(lái)了極大的負(fù)擔(dān)，也浪費(fèi)了其中的營(yíng)養(yǎng)鹽。利用太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)處理源分離尿液，可以有效回收營(yíng)養(yǎng)鹽，以廉價(jià)的能源低成本實(shí)現(xiàn)尿液的資源化。

(3)在污泥、糞便干化中的應(yīng)用

污泥、糞便干化工藝主要分為機(jī)械壓榨工藝和加熱烘干工藝。2種工藝電力成本高，部分需大量的藥劑投入。太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)節(jié)省能源開支，無(wú)需投入藥劑，還可殺滅部分細(xì)菌，比現(xiàn)有工藝更經(jīng)濟(jì)。Xiao等[86]制備的3D人造樹太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)系統(tǒng)，利用其根部吸收沙地中的少量水分以實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)，這為太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)在污泥、糞便干化中的應(yīng)用提供了應(yīng)用思路。但是，太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)在污泥、糞便干化中的應(yīng)用，需重點(diǎn)討論其抗污染以及長(zhǎng)期運(yùn)行的問(wèn)題。

(4)在應(yīng)急場(chǎng)景下的應(yīng)用

突發(fā)緊急情況下，如地震等自然災(zāi)害的發(fā)生，太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)可以提供凈水，解決缺水問(wèn)題。在野外醫(yī)院，太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)可以提供高溫蒸汽實(shí)現(xiàn)消毒滅菌，減少感染情況的發(fā)生。太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)系統(tǒng)可以制備成便于攜帶的裝置，用于野外生存以及特殊軍事任務(wù)。

隨著太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)的成熟，降低成本、開發(fā)適宜的設(shè)備和裝置是其邁向產(chǎn)業(yè)化的重要一步。而且，需對(duì)太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)的典型應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行詳細(xì)研究和描述，提供成熟的技術(shù)，使其在實(shí)際生活中得以推廣和使用。同時(shí)，需耦合其他成熟技術(shù)完善太陽(yáng)能蒸發(fā)技術(shù)，提高蒸發(fā)性能和能源利用效率。

3 總結(jié)與展望

近年來(lái)，太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)為解決能源匱乏提供了新的技術(shù)思路。太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)的核心是太陽(yáng)能吸收體。隨著研究的深入，蒸發(fā)形式和系統(tǒng)也引起了眾多研究者的重視，但在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用研究還處于初級(jí)階段。本文深入、系統(tǒng)地總結(jié)太陽(yáng)能光熱技術(shù)的現(xiàn)狀，梳理了現(xiàn)有太陽(yáng)能吸收體材料、蒸發(fā)形式的發(fā)展脈絡(luò)，全面介紹了太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用與優(yōu)缺點(diǎn)，提出了該技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域未來(lái)的應(yīng)用展望與思路。目前，研發(fā)的太陽(yáng)能吸收體材料種類豐富，蒸發(fā)形式也在逐步改善以減少熱量損失。但是，太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)的發(fā)展還是初期階段，在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用也還只是萌芽階段，仍存在很多問(wèn)題亟待解決，還有大量的工作亟需完成。

(1)太陽(yáng)能吸收體材料的高效經(jīng)濟(jì)性。目前，雖然很多材料取得了不錯(cuò)的蒸發(fā)效率，但材料成本高昂、制作復(fù)雜，不利于其實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。因此，需發(fā)展廉價(jià)高效的材料，簡(jiǎn)化制作過(guò)程，并進(jìn)一步提升蒸發(fā)性能。碳基材料價(jià)格低廉、光熱穩(wěn)定性好，可以通過(guò)蒸發(fā)形式的調(diào)控降低它的高熱傳導(dǎo)，是實(shí)現(xiàn)高效經(jīng)濟(jì)性的備選材料之一。

(2)太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)中蒸汽冷凝回收效率的研究。大多數(shù)學(xué)者集中在蒸汽的產(chǎn)生，幾乎沒(méi)有研究冷凝回收以及回收過(guò)程中的潛熱利用，但在實(shí)際應(yīng)用中，蒸汽冷凝回收效率不僅會(huì)對(duì)產(chǎn)水量有直接影響，還會(huì)間接影響蒸汽的產(chǎn)生效率。因此，提升蒸汽冷凝回收效率很有必要。

(3)太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)裝置的研發(fā)。實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，研發(fā)裝置十分重要。目前，太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)裝置都較為簡(jiǎn)陋，大多都沒(méi)有充分利用能量。構(gòu)造巧妙的裝置，充分利用其能量，可以加速太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)早日實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。

(4)太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用過(guò)程中存在問(wèn)題的研究。根據(jù)目前太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用，存在如鹽結(jié)晶、材料污染等問(wèn)題，雖然已經(jīng)有相關(guān)的解決措施，但是部分措施犧牲了蒸發(fā)效率，需研究出一種既能避免污染又能實(shí)現(xiàn)高效蒸發(fā)的可靠方法。

(5)在高海拔和太陽(yáng)豐富區(qū)域，與現(xiàn)有水處理技術(shù)耦合，如分散污水、廁所、飲用水消毒等。不僅可降低運(yùn)行成本和突破一些環(huán)境限制，還有望在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)資源化。

(6)仿生學(xué)太陽(yáng)能蒸發(fā)的發(fā)展。自然界存在很多獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，太陽(yáng)能吸收體可以巧妙利用以實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)性能的突破。