太陽能膜蒸餾系統(tǒng)進(jìn)展與展望

李逸航，戴紹鈴，于楨，顧若男，成少安

（浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027）

水是生命之源，隨著人類社會(huì)的發(fā)展，與日俱增的淡水資源需求量以及日益嚴(yán)重的水污染問題導(dǎo)致了全球范圍內(nèi)淡水資源的短缺[1-2]。為了滿足日益增長的淡水需求，從海水、微咸水或濃鹽水經(jīng)脫鹽處理從而獲得淡水的工藝受到人們的廣泛關(guān)注[3]。然而，目前應(yīng)用的反滲透（reverse osmosis，RO）[4-6]、多 級 閃 蒸（multi-stage flash，MSF）[7-8]等技術(shù)存在工作壓力高、能耗大、維護(hù)繁瑣等問題。與之相比，膜蒸餾（membrane distillation，MD）[9-10]脫鹽有工作溫度和壓力低、進(jìn)料濃度范圍寬、對膜的機(jī)械性能要求低等優(yōu)點(diǎn)[11-13]，使其在海水淡化、廢水處理、食品生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用中顯示出優(yōu)異的性能[14-15]。但是，能耗依然是限制MD 工藝發(fā)展的重要因素，此外，MD 的低產(chǎn)水率同樣是阻礙其實(shí)際應(yīng)用的因素之一。

太陽能作為一種分布廣泛的新能源，由于其清潔環(huán)保、取之不盡的優(yōu)點(diǎn)，為眾多學(xué)者所推崇。為了降低MD 的能耗并提升其產(chǎn)水性能，太陽能膜蒸餾（solar-driven membrane distillation，SDMD） 系統(tǒng)成為研究的熱點(diǎn)之一[10,16]。目前，光熱轉(zhuǎn)換的方法已經(jīng)成熟，主要的研究集中在將太陽能高效引入MD 中。根據(jù)太陽能引入位置的不同，可以將各種構(gòu)型的SDMD 裝置分為外置型、頂部型、進(jìn)料型以及膜型四大類。但由于溫度極化、能量損失、膜污染等問題，SDMD 裝置在能量利用效率、循環(huán)穩(wěn)定性等方面仍有不足。為了指導(dǎo)SDMD 的進(jìn)一步發(fā)展，本文對不同構(gòu)型的SDMD 裝置的發(fā)展現(xiàn)狀以及瓶頸進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并討論了各項(xiàng)技術(shù)的局限性及未來的挑戰(zhàn)。

1 膜蒸餾裝置的原理及構(gòu)型

1.1 膜蒸餾的原理

膜蒸餾系統(tǒng)是膜技術(shù)和傳統(tǒng)蒸餾工藝的有效結(jié)合，采用疏水微孔膜為分隔介質(zhì)，以膜兩側(cè)蒸汽壓力差為傳質(zhì)傳熱驅(qū)動(dòng)力的分離過程[10]。一般將MD裝置分為進(jìn)料側(cè)、疏水膜以及滲透側(cè)三個(gè)部分。進(jìn)料側(cè)通入高溫的進(jìn)料溶液，并與膜直接接觸。滲透側(cè)通過保持低溫來與進(jìn)料側(cè)形成溫差從而提供蒸汽跨膜的驅(qū)動(dòng)力。蒸汽在膜與進(jìn)料溶液的接觸界面處產(chǎn)生，并在蒸汽壓差的驅(qū)動(dòng)下透過多孔膜在滲透側(cè)冷凝。

1.2 膜蒸餾的構(gòu)型

基于滲透側(cè)的不同形式，在實(shí)際應(yīng)用中常見的有4 種MD 構(gòu)型[9]（圖1），分別是直接接觸膜蒸餾（direct contact membrane distillation，DCMD）、氣隙膜蒸餾（air gap membrane distillation，AGMD）、掃氣膜蒸餾（sweeping gas membrane distillation，SGMD） 以及真空膜蒸餾（vacuum membrane distillation，VMD）。

圖1 膜蒸餾的4種構(gòu)型

DCMD 是最簡單的MD 構(gòu)型。在DCMD 中，滲透側(cè)為低溫流體，蒸汽跨膜后直接被流體冷卻并凝結(jié)。DCMD廣泛用于脫鹽工藝和水溶液濃縮中，例如食品工業(yè)[17]和酸生產(chǎn)[18]等。但由于冷流體直接與膜接觸，帶走了大量進(jìn)料側(cè)熱流體的熱量，導(dǎo)致其效率較低。AGMD在膜與冷流體之間留出一部分的空氣間隙，從而大大減少了冷熱流體之間的傳熱損失，提高了效率。但氣隙的存在會(huì)增加傳質(zhì)的額外阻力，不利于蒸發(fā)的進(jìn)行，多用于脫鹽[19]和從廢水中去除污染物[20-21]。SGMD 通過使用惰性氣體吹掃滲透側(cè)，使蒸汽首先混合在惰性氣體中，然后在外部的冷凝器中凝結(jié)。由于無需在膜組件內(nèi)凝結(jié)，SGMD可以在減少傳熱損失的同時(shí)提高蒸汽的傳質(zhì)系數(shù)[22-23]。但由于少量的蒸汽擴(kuò)散到大量的惰性氣體中，因此需要外設(shè)龐大的冷凝器才能高效收集蒸汽。在VMD 構(gòu)型中，滲透側(cè)處于負(fù)壓狀態(tài)。蒸汽被吸出并在組件外部冷凝，減小了進(jìn)料側(cè)的傳熱損失，且無需配備大面積的冷凝裝置，多用于分離揮發(fā)性水溶液[24]以及濃縮[25]。

2 太陽能膜蒸餾裝置的設(shè)計(jì)

2.1 太陽能膜蒸餾的分類

經(jīng)過十幾年的發(fā)展，SDMD相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)有了諸多分支和研究。為了更加方便地概述各類研究的成果，本文通過光熱轉(zhuǎn)換相對膜蒸餾裝置發(fā)生的位置，將SDMD分為外置型、頂部型、進(jìn)料型（納米顆粒流體型）以及膜型（雙功能膜增強(qiáng)型）四大類。

外置型SDMD 中光熱轉(zhuǎn)換發(fā)生在膜蒸餾裝置外，是一種將光熱轉(zhuǎn)換與膜蒸餾技術(shù)耦合的系統(tǒng)[26-38]，如圖2(a)所示。外置型SDMD與MD最大的區(qū)別在于熱源。對于外置型SDMD研究的重點(diǎn)集中在光熱轉(zhuǎn)換部分，即如何高效地實(shí)現(xiàn)太陽能對流體的加熱。其工作流程是利用太陽能將進(jìn)料溶液加熱后直接進(jìn)入膜蒸餾裝置實(shí)現(xiàn)淡水的分離。由于膜蒸餾易于實(shí)現(xiàn)的脫鹽條件，一些常見的光熱轉(zhuǎn)換裝置例如太陽能平板集熱器、太陽池等均可與膜蒸餾裝置相耦合，從而實(shí)現(xiàn)脫鹽或提高能源利用效率的目的。

頂部型SDMD中光熱轉(zhuǎn)換發(fā)生在膜蒸餾裝置的頂部，通常是一種基于潛熱利用的SDMD形式[39-42]。在結(jié)構(gòu)上，頂部型SDMD具有多個(gè)蒸發(fā)冷凝面，如圖2(b)所示。太陽輻射在裝置頂部轉(zhuǎn)換為熱量并加熱第1 級的蒸發(fā)層（進(jìn)料側(cè)），隨后產(chǎn)生蒸汽并在第1級冷凝層的底部凝結(jié)并釋放潛熱。蒸汽潛熱中的熱量通過導(dǎo)熱片傳遞到第2級的蒸發(fā)層并進(jìn)行加熱，繼續(xù)產(chǎn)生蒸汽，從而實(shí)現(xiàn)潛熱的利用。

圖2 4種太陽能膜蒸餾系統(tǒng)

納米顆粒流體型SDMD中光熱轉(zhuǎn)換發(fā)生在膜蒸餾裝置的進(jìn)料側(cè)，是將吸光的納米顆粒摻入進(jìn)料溶液中形成懸浮液［圖2(c)］，當(dāng)納米顆粒吸收太陽輻射后，其溫度會(huì)升高，并強(qiáng)烈加熱周圍流體，使進(jìn)料溶液溫度升高，驅(qū)動(dòng)蒸汽產(chǎn)生[43-44]。

雙功能膜增強(qiáng)型SDMD中光熱轉(zhuǎn)換與蒸發(fā)過程均發(fā)生在膜蒸餾裝置的疏水膜進(jìn)料側(cè)，通過各種納米材料來增強(qiáng)太陽能吸收，使吸熱界面與蒸發(fā)界面相重合的一種SDMD 裝置[45-63]。如圖2(d)所示，雙功能膜增強(qiáng)型SDMD的通過物理或化學(xué)的方法對膜進(jìn)行改性使其同時(shí)具備光熱轉(zhuǎn)換和疏水的特性。裝置頂部為透光面，太陽光穿透進(jìn)料液在底部光熱膜上轉(zhuǎn)換為熱量，并驅(qū)動(dòng)進(jìn)料側(cè)的蒸發(fā)。此外，雙功能膜增強(qiáng)型SDMD還可耦合電加熱裝置來提高進(jìn)料溶液溫度，實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定和高效的淡水產(chǎn)率。雙功能膜增強(qiáng)型SDMD是以上SDMD構(gòu)型中唯一能夠克服溫度極化的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而可以極大提高SDMD的滲透速率。

2.2 太陽能膜蒸餾裝置性能參數(shù)

疏水膜的性能是影響MD性能的關(guān)鍵，但由于不同的制造工藝，需要一些表征膜性能的參數(shù)來量化不同膜性能之間的差異。液體進(jìn)入壓力（liquid entry pressure，LEP）是表征膜分離性能的關(guān)鍵參數(shù)。LEP是膜進(jìn)料側(cè)所能承受的最大壓力，當(dāng)壓力超過LEP后，進(jìn)料側(cè)液體會(huì)通過膜的孔隙進(jìn)入滲透側(cè)，從而造成污染。LEP 取決于膜的孔徑和疏水性，小的孔徑與高的接觸角（高疏水性）能夠提高LEP。另一方面，進(jìn)料側(cè)液體的成分也會(huì)影響膜的LEP，Gostoli 等[64]指出溶液中乙醇濃度的增加會(huì)使膜的LEP線性減小，故一般以純水狀態(tài)下測試得到的LEP為判斷的基準(zhǔn)。

由于傳統(tǒng)MD過程中蒸汽在膜界面產(chǎn)生，并吸收大量的熱量，這導(dǎo)致膜附近液體的溫度低于整體進(jìn)料溫度，稱為溫度極化。溫度極化因子（temperature polarization factor，TPF）是用于表征光熱膜溫度極化程度大小的性能參數(shù)，用來描述膜附近熱邊界層內(nèi)的溫度梯度，計(jì)算公式見式(1)。

式中，Qp為通過吸熱體吸收的熱通量，W/m2；QV為蒸發(fā)熱通量，W/m2；hf為進(jìn)料側(cè)的換熱系數(shù)，W/(m2·℃)。對于傳統(tǒng)MD，Qp為零，說明TPF 必定小于100%，而對于SDMD，由于太陽能的輸入，通過結(jié)構(gòu)和材料方面的改進(jìn)可以將Qp值提高甚至超過QV，使TPF 的值接近或超過100%，從而消除或逆轉(zhuǎn)溫度極化。

另外，蒸發(fā)器的產(chǎn)水效率也是常用的性能參數(shù)。太陽能利用效率ηI是指入射光中被用于產(chǎn)生蒸汽的比例，能夠表明太陽能的利用效率，計(jì)算公式見式(3)[54]。

式中，J'和J分別表示膜在有光照與無光照下的滲透量，kg/(m2·s)；?H為蒸汽的蒸發(fā)潛熱，J/(kg·K)；I為入射光強(qiáng)，W/m2。與太陽能利用效率相對應(yīng)，如果除太陽光外還存在其他熱源輸入的情況，則可以用ηt來表示整個(gè)系統(tǒng)的效率，計(jì)算公式見式(4)。

式中，A為太陽光輻射面積，m2；Hh為利用外熱源將進(jìn)料溶液從環(huán)境溫度加熱到進(jìn)入膜蒸餾裝置前的溫度所消耗的熱量（W），以利用進(jìn)料的質(zhì)量流量mF（kg/s）、水的比熱容C［J/(kg·K)］、進(jìn)料溶液溫度TF（K）以及環(huán)境溫度Tp（K）進(jìn)行計(jì)算。

3 太陽能膜蒸餾的研究進(jìn)展

3.1 外置型太陽能膜蒸餾

Banat等[33]將太陽能蒸餾器與MD裝置耦合，設(shè)計(jì)了一種SDMD 裝置，是已知最早的外置型SDMD裝置［圖3(a)］。當(dāng)SDMD裝置工作時(shí)，進(jìn)料溶液被太陽能蒸餾器加熱后進(jìn)入MD裝置中，太陽能蒸餾器與MD裝置可同時(shí)脫鹽。其研究結(jié)果表明，在相同的進(jìn)料溫度下，MD裝置的產(chǎn)水量比蒸餾器高出一個(gè)數(shù)量級（約13 倍）。該裝置在室外平均0.25sun 的光強(qiáng)下可實(shí)現(xiàn)約1.2kg/(m2·h)的產(chǎn)水率。除利用蒸餾器外，Nakoa 等[27]曾利用鹽度梯度太陽池轉(zhuǎn)換并儲(chǔ)存太陽能［圖3(b)］。MD進(jìn)料溶液在太陽池底部的下對流區(qū)（lower convection zone，LCZ）被加熱后進(jìn)入MD 裝置中完成脫鹽過程。該裝置在平均0.31sun 的室外光強(qiáng)下的產(chǎn)水率最高可達(dá)6kg/(m2·h)。

圖3 外置型太陽能膜蒸餾裝置

太陽能集熱器是另一種常見的光熱轉(zhuǎn)換裝置，被大規(guī)模用于光熱發(fā)電或家用太陽能熱水器中。將太陽能集熱器與MD裝置結(jié)合是提高M(jìn)D裝置性能的另一種策略。Soomro 等[31]將MD 裝置與光熱電站耦合構(gòu)建了一種復(fù)合SDMD系統(tǒng)，并通過仿真計(jì)算研究了其性能，研究結(jié)果顯示，該復(fù)合系統(tǒng)在夏季的光照條件下，其產(chǎn)水率高達(dá)13kg/(m2·h)［圖4(a)］。Fath等[26]將太陽能集熱器與螺旋狀的蒸餾模塊［圖4(b)］組合后，構(gòu)建了一種新型的SDMD 裝置。得益于較高的比表面積，該裝置在夏季可實(shí)現(xiàn)11.2kg/(m2·d)的 日 產(chǎn) 水 量［圖4(c)］。Guillén-Burrieza等[38]將AGMD與太陽能平板收集器連接在一起獲得最高7kg/(m2·h)的蒸餾水產(chǎn)率。Raluy 等[32]構(gòu)建了一種SDMD裝置并對其5年內(nèi)的性能進(jìn)行了研究，該試驗(yàn)裝置每天的產(chǎn)水量介于0.5～12kg/(m2·d)之間，且在冬季時(shí)達(dá)到最大產(chǎn)水量。除模擬試驗(yàn)外，外置型SDMD 在工廠中也有廣泛的研究，Koschikowski 等[36]分別在埃及、摩洛哥、德國等5個(gè)不同的國家共安裝了8 個(gè)SDMD 試點(diǎn)工廠，SDMD 的 滲 透 流 量 可 達(dá) 到 8～42kg/(m2·d)。Schwantes 等[29]設(shè)計(jì)了由太陽能或柴油機(jī)廢熱驅(qū)動(dòng)的兩回路SDMD 系統(tǒng)［圖4(d)］，在65～80℃的交替進(jìn)料溫度下日產(chǎn)水量可達(dá)23.8kg/(m2·d)。

圖4 基于太陽能集熱器的外置型太陽能膜蒸餾裝置

光伏太陽能集熱器（PV/T）是一種可實(shí)現(xiàn)太陽能分級利用的先進(jìn)技術(shù)[28,35]。Kalogirou 等[34]的研究結(jié)果表明，PV/T 每年可將太陽能光伏系統(tǒng)的平均效率提高2.8%～7.7%，與此同時(shí)滿足房屋49%的熱水需求。將PV/T與MD裝置耦合也可實(shí)現(xiàn)高效的海水淡化。Hughes等[30]將實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的AGMD與濃縮光伏/熱能系統(tǒng)（CPV/T）耦合，實(shí)現(xiàn)了最大約為3.4kg/(m2·h)的蒸餾水通量［圖5(a)］。Al-Hrari等[37]通過試驗(yàn)與仿真研究了CPV/T 與DCMD 耦合后的復(fù)合系統(tǒng)的淡水產(chǎn)量和熱效率等性能［圖5(b)］。該復(fù)合系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)約為18%的發(fā)電效率以及3kg/(m2·h)的淡水產(chǎn)率。

圖5 基于光伏太陽能集熱器的外置型太陽能膜蒸餾裝置

盡管外置型SDMD 已有大規(guī)模的應(yīng)用研究，但由于光熱轉(zhuǎn)換器與MD 的分離，必然會(huì)導(dǎo)致傳熱過程中大量的熱量損失，使SDMD 裝置的太陽能利用率較低。此外，MD 的加熱方式會(huì)導(dǎo)致溫差極化現(xiàn)象的出現(xiàn)，進(jìn)而導(dǎo)致MD 裝置性能的惡化。

3.2 頂部型太陽能膜蒸餾

Xue 等[40]首次構(gòu)建了一種頂部型多級AGMD 裝置［圖6(a)］。該裝置的頂部通過商業(yè)的選擇性吸收體實(shí)現(xiàn)高效的光熱轉(zhuǎn)換，吸收體下方是緊貼著的吸水海綿以及疏水膜。鹽水通過毛細(xì)作用進(jìn)入海綿后被吸熱體加熱后變成蒸汽，蒸汽透過疏水膜進(jìn)入下方的水收集器中凝結(jié)，并將潛熱釋放給下一級，驅(qū)動(dòng)鹽水的膜蒸餾過程，從而實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)潛熱的多級利用。在1sun的模擬光照條件下，2級的SDMD裝置可實(shí)現(xiàn)1.02kg/(m2·h)的淡水產(chǎn)率，并達(dá)到72%的高太陽能利用效率。Chiavazzo等[39]進(jìn)一步探究了級數(shù)對多級太陽能膜蒸餾裝置性能的影響，并構(gòu)建了一種更為緊湊的被動(dòng)式多級AGMD裝置［圖6(b)］，該裝置的進(jìn)料側(cè)由厚度僅為1mm 的合成纖維親水層構(gòu)成，親水層能夠明顯提高吸熱體對水層的加熱效果。膜的擴(kuò)散側(cè)僅有1mm 厚，使得蒸汽的傳質(zhì)阻力大大降低?；谏鲜鼋Y(jié)構(gòu)，在0.8sun 的模擬光強(qiáng)下，10 級的被動(dòng)式SDMD 裝置的產(chǎn)水率可達(dá)3kg/(m2·h)。Chiavazzo 等還指出，在頂部型SDMD裝置中，疏水膜并不是必需的結(jié)構(gòu)。盡管疏水膜可將進(jìn)料溶液與冷凝液完全分開從而避免污染問題，但是去掉疏水膜后，該多級裝置仍能夠正常運(yùn)行。類似地，Huang 等[41]提出了另一種被動(dòng)的無膜多級MD裝置［圖6(c)］。該裝置中的每一級均由垂直排列的同心銅筒組成，銅筒的內(nèi)側(cè)為冷凝面，外側(cè)為蒸發(fā)面，蒸發(fā)層的進(jìn)料側(cè)同樣利用吸水材料的毛細(xì)力向上供水，依次實(shí)現(xiàn)潛熱的多級利用。由于垂直分布的結(jié)構(gòu)，該裝置即使沒有疏水膜也可避免污染。此外，該裝置可通過控制蒸發(fā)面積與吸光面積的比率以實(shí)現(xiàn)無聚光條件下的熱集中，使蒸發(fā)層達(dá)到很高的蒸發(fā)溫度，在1sun 的模擬光強(qiáng)下，該裝置最高可實(shí)現(xiàn)約1.84kg/(m2·h)的產(chǎn)水率，并在3 倍熱濃縮后達(dá)到2.2kg/(m2·h)的產(chǎn)水率。Xu 等[65]發(fā)現(xiàn)將界面蒸發(fā)與多級MD 裝置相結(jié)合，可顯著提高SDMD 的太陽能利用效率。通過對蒸發(fā)器的面積、蒸發(fā)級數(shù)以及相鄰蒸發(fā)器間的距離等參數(shù)的優(yōu)化，該裝置最大可實(shí)現(xiàn)約385%的太陽能利用效率以及5.78kg/(m2·h)的產(chǎn)水率［圖6(d)］。

圖6 頂部型太陽能膜蒸餾裝置

除商業(yè)的選擇性吸收體外，其他的光熱材料也可實(shí)現(xiàn)高效的光熱轉(zhuǎn)換。Wang 等[42]利用太陽能電池片作為頂部的吸光體，通過太陽能電池發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的廢熱驅(qū)動(dòng)膜蒸餾過程，使該頂部型SDMD裝置能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)電與脫鹽。在1sun 下，該裝置可實(shí)現(xiàn)約1.77kg/(m2·h)的穩(wěn)定淡水產(chǎn)率，同時(shí)該裝置的光電轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)11%。

構(gòu)建多級結(jié)構(gòu)以回收蒸發(fā)潛熱是提高SDMD裝置性能的一種有效措施之一。不同結(jié)構(gòu)的SDMD裝置在性能上存在著明顯的差異，因此需要更加完善的理論來指導(dǎo)頂部型SDMD 的設(shè)計(jì)和研究。此外，頂部型SDMD仍存在一定的溫差極化效應(yīng)，如何有效消除溫差極化也需進(jìn)一步研究。

3.3 納米顆粒流體型太陽能膜蒸餾

除了器件形態(tài)的吸光體，納米尺度的光熱顆粒也是良好的光熱轉(zhuǎn)換材料。將光熱納米顆粒摻入進(jìn)料溶液中也是實(shí)現(xiàn)SDMD 系統(tǒng)的策略之一。Zhang等[55]將納米流體用于MD 裝置中以增強(qiáng)太陽光的吸收，并評估了包括Ag、Ni、Cu、石墨等十多種材料制成的光學(xué)納米流體對SDMD性能的研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，TiN納米流體可表現(xiàn)出最大的光譜吸收率、最小的沉淀電位和最高的淡水產(chǎn)率。與對照組（35g/L NaCl水溶液）相比，TiN納米流體的添加可顯著提高M(jìn)D 的太陽能利用效率（約57.4%），在5kW/m2的太陽強(qiáng)度下，該裝置實(shí)現(xiàn)了2.77kg/(m2·h)的淡水產(chǎn)率。然而，必須指出的是，納米顆粒之間容易出現(xiàn)團(tuán)聚引起納米流體分層，最終導(dǎo)致SDMD性能的下降，此外，如何高效回收納米顆粒也有待進(jìn)一步研究[66-67]。因此，采用納米流體增強(qiáng)SDMD裝置的性能仍需進(jìn)一步研究。

3.4 雙功能膜增強(qiáng)型太陽能膜蒸餾

在MD中，疏水膜由于蒸發(fā)吸熱而導(dǎo)致較為嚴(yán)重的溫度極化，通過在疏水膜上沉積適量的光熱材料，可使膜兼具加熱功能，從而改善膜表面的溫度極化問題并增強(qiáng)膜的滲透通量。現(xiàn)有諸多吸光材料例如炭黑、石墨烯等碳基材料、等離激元材料以及金屬氧化物等材料都有用于雙功能膜增強(qiáng)型SDMD的研究。由于雙功能膜增強(qiáng)型SDMD研究較多，本文將相關(guān)文獻(xiàn)及性能統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 雙功能膜增強(qiáng)型太陽能膜蒸餾文獻(xiàn)及性能統(tǒng)計(jì)

炭黑納米顆粒是一種常用的吸光材料，在全光譜范圍內(nèi)具有良好的光響應(yīng)[46,52]。Said 等[61]將官能化的親水炭黑（CB）納米顆粒利用黏合劑涂覆在具有較高機(jī)械強(qiáng)度的疏水PTFE 膜上，形成光熱膜，在室外條件下達(dá)到0.55kg/(m2·h)的平均滲透通量。Dongare 等[60]將官能化的炭黑通過靜電紡絲的涂覆在疏水PVDF膜上［圖7(a)］，并對其在聚光條件下的性能進(jìn)行了測試，得到太陽能蒸發(fā)效率超過20%。Wu等[59]利用炭黑與疏水PVDF膜之間的疏水相互作用，使用蒸發(fā)涂層法將炭黑沉積到PCDF膜表面。得到的光熱膜對太陽能的利用效率達(dá)到近75%。Huang 等[57]將還原氧化石墨烯通過沉積的方式涂覆到PTFE 膜的表面，使其對光吸收率達(dá)到了近85%，在全光譜范圍內(nèi)具備更高的吸收率。

等離激元材料是另一種常用于雙功能膜增強(qiáng)型SDMD 的吸光材料。Ag 或Au 等貴金屬納米顆粒，能吸收特定波長的光并將其轉(zhuǎn)換為熱量[47-48]。Politano等[56]在疏水PVDF膜中摻入銀納米顆粒，合成含等離激元的混合基質(zhì)膜。在紫外光照后，銀納米顆粒共振并發(fā)熱，使膜界面的溫度比整體進(jìn)料溫度高出23℃，有效抑制了溫度極化，TPF值能夠達(dá)到106.5%。Ye 等[54]將Ag 納米顆粒涂覆在PVDF 膜表面，在紫外燈照射下也表現(xiàn)出了53%的總蒸發(fā)效率。

除上述材料外，Li 等[53]還提出了利用Fe3O4改性疏水膜［圖7(b)］。Fe3O4納米顆粒在紅色和近紅外區(qū)域具有顯著的光熱效應(yīng)，并具有良好的生物相容性與低毒性，是水處理領(lǐng)域中的理想材料。MD性能方面，由于Fe3O4納米顆粒與PVDF-HFP 納米纖維間的配位作用使得Fe3O4納米顆粒具有很強(qiáng)的界面附著力，不易脫落。在脫鹽性能方面也顯示出了53%的高效太陽能蒸發(fā)效率。摻銻的氧化錫（ATO）是另一種常用的具有紅外作用的功能性無機(jī)納米粒子。Dai 等[50]將ATO 引入水性聚氨酯中（WPU）制備隔熱膜，發(fā)現(xiàn)可見光的透射率高達(dá)80%，而紅外區(qū)域僅為0.62%，說明ATO/WPU 薄膜吸收了大部分紅外輻射，表現(xiàn)出極好的光熱性能。Huang 等[58]將ATO 摻入PVDF 紡絲溶液中利用靜電紡絲制備PVDF/ATO納米纖維膜。在紅外輻射下雜化膜的溫度提高了約13℃，從而降低了溫度極化的影響。

圖7 雙功能膜增強(qiáng)型膜蒸餾裝置

聚多巴胺（PDA）是一種高分子材料，具有堅(jiān)固的黏附性和親水性，在表面改性陽離子中得到了廣泛的應(yīng)用。PDA 還具有廣泛的光吸收能力和顯著的光熱轉(zhuǎn)換性能[68-69]，從而確保了其在高效太陽能海水淡化中的應(yīng)用潛力。此外，PDA 的生物相容性[70-71]、低毒性和可生物降解的特性使其成為水凈化領(lǐng)域中的環(huán)境友好材料[72]。Wu 等[59]通過物理涂覆的方法將PDA覆于親水PVDF膜表面，然后利用三氯硅烷疏水改性制備疏水PDA-PVDF 光熱膜［圖7(c)］。PDA-PVDF 膜在可見光區(qū)顯示出優(yōu)秀的吸光性能，吸光率可達(dá)97.0%，并在純太陽能加熱的情況下實(shí)現(xiàn)了0.49kg/(m2·h)的膜通量。

盡管通過涂覆的方式能夠?qū)⒓{米材料固定在疏水膜表面，并達(dá)到消除溫度極化的目的，但這同時(shí)也會(huì)帶來兩方面的問題。一方面，在進(jìn)料溶液長期沖刷下，涂覆在膜表面的吸光材料極易脫落，進(jìn)而使膜性能下降。另一方面，納米顆粒的涂覆也會(huì)減小膜的平均孔徑，進(jìn)而增加蒸汽擴(kuò)散的傳質(zhì)阻力。在MD 中加入墊片是提高其性能的一種方法[73]。墊片是一種置于疏水膜與進(jìn)料溶液之間的間隔物，不僅可以用作固定的湍流促進(jìn)劑，以減輕膜的結(jié)垢并通過降低穿過膜的邊界層傳質(zhì)系數(shù)來增強(qiáng)滲透，較高熱導(dǎo)率的金屬墊片還可以提高進(jìn)料溶液與膜界面的傳熱系數(shù)，從而緩解溫度極化[73]。基于上述優(yōu)點(diǎn)，一些學(xué)者開始研制較高吸光性能的墊片來實(shí)現(xiàn)太陽能增強(qiáng)的MD 裝置。Tan 等[62]利用熱分解法將Pt納米片修飾到泡沫鎳上得到具有光熱轉(zhuǎn)換性能的Pt-Ni 金屬墊片，光照后，與不加Pt 修飾的泡沫鎳墊片相比，Pt-Ni 表面溫度提高了近20℃。而在MD 性能方面，與傳統(tǒng)聚丙烯墊片相比，Pt-Ni 金屬墊片使每單位體積餾出物的加熱器輸入能量顯著降低約28%，這一結(jié)果證明了利用金屬墊片增強(qiáng)SDMD 性能的可行性。隨后Ang 等[51]進(jìn)一步探究了這一結(jié)構(gòu)對于消除溫度極化的作用，首先制造了基于銀納米顆粒的等離激元材料加熱的金屬墊片［圖7(d)］，通過在泡沫鎳上合成Pt納米片，然后在Pt 納米片上還原出Ag 納米顆粒的方法，形成牢固的三維多孔網(wǎng)絡(luò)。這一網(wǎng)絡(luò)的光熱轉(zhuǎn)換效率可達(dá)98%。在性能方面，當(dāng)光強(qiáng)超過0.4sun后膜界面溫度即可超過進(jìn)料溫度，從而達(dá)到減小溫度極化影響的目的。

雙功能膜增強(qiáng)型SDMD受到了諸多學(xué)者的關(guān)注與研究，但在太陽能利用效率以及產(chǎn)水性能方面還未能達(dá)到較高的水平，需要研制具有更高性能的裝置才可能擴(kuò)大并用于實(shí)際生產(chǎn)中。另外，由于雙功能膜增強(qiáng)型SDMD 需要陽光透過進(jìn)料溶液加熱膜，所以在處理有色廢液時(shí)的性能還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)語

近幾年，SDMD作為一種清潔環(huán)保的脫鹽淡化裝置得到了廣泛關(guān)注。通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)與光熱材料開發(fā)，SDMD在廢熱利用、消除溫度極化、實(shí)現(xiàn)高的產(chǎn)水率等方面展示出了優(yōu)異的性能和令人滿意的結(jié)果，特別是三維多孔網(wǎng)絡(luò)納米吸光材料的開發(fā)，SDMD的光熱轉(zhuǎn)化效率已達(dá)到98%，顯示出良好的潛在應(yīng)用價(jià)值。但要實(shí)現(xiàn)SDMD 的規(guī)?；瘜?shí)際應(yīng)用，仍需解決以下三方面的挑戰(zhàn)。

（1）穩(wěn)定性。SDMD裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性是今后擴(kuò)大化應(yīng)用的重中之重。其中，疏水膜是膜蒸餾裝置的核心，但在長時(shí)間運(yùn)行過程中，鹽顆粒造成的膜堵塞、進(jìn)料溶液對膜的腐蝕等問題，需要進(jìn)一步研究。此外，在光熱轉(zhuǎn)換的過程中，吸光體材料的穩(wěn)定性以及壽命也是必須考慮的問題。開發(fā)高穩(wěn)定性的吸光材料和疏水膜，并對SDMD系統(tǒng)進(jìn)行長時(shí)間運(yùn)行試驗(yàn)，是今后基礎(chǔ)研究的重點(diǎn)方向。

（2）產(chǎn)水性能的提高。在產(chǎn)水量方面，SDMD裝置的產(chǎn)水量相對偏低。在主動(dòng)式海水淡化領(lǐng)域，反滲透海水淡化是公認(rèn)最經(jīng)濟(jì)有效的淡化方式，與之相比，SDMD能源利用效率較低，這導(dǎo)致較高的運(yùn)行和維護(hù)成本。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以消除或減弱溫差極化和濃差極化，是提高SDMD產(chǎn)水量和長期運(yùn)行穩(wěn)定性的有效手段，而合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)如光的分頻、毛細(xì)蒸發(fā)等是進(jìn)一步提高蒸發(fā)性能的研究方向。

（3）成本和擴(kuò)大化評估。對于實(shí)際應(yīng)用，成本和可推廣性是常被忽略的問題。高成本的吸收體材料和較為復(fù)雜的合成方法均會(huì)阻礙該裝置在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的推廣，開發(fā)具有更低成本和更簡工藝的MD裝置值得深入研究。此外，裝置在使用期間的服務(wù)周期、維護(hù)成本、占地成本、實(shí)際產(chǎn)能等因素，都缺乏相應(yīng)的成本分析模型進(jìn)行指導(dǎo)，也需要綜合的評估體系來進(jìn)行對比。最后，適當(dāng)?shù)膶ρb置的面積加以放大，評估其經(jīng)濟(jì)性能，對于它的推廣應(yīng)用也極為重要。