面向水處理與有機(jī)溶劑回收的太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)與材料

毛停停，李雙福，黃李茗銘，周川玲，韓凱

（中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

淡水是人類維系生命和生存的重要資源之一。自21 世紀(jì)以來，隨著世界人口的不斷增長(zhǎng)以及國(guó)際經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展帶動(dòng)的工業(yè)用水大幅增加，淡水資源的供應(yīng)面臨著嚴(yán)峻的壓力。將海水凈化成為可供給人類使用的淡水已經(jīng)成為當(dāng)前解決水資源短缺的關(guān)鍵手段。傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)包括反滲透、電滲析、蒸餾等需耗費(fèi)大量的熱能或電能，而這些能量大部分來源于化石燃料[1?2]。所以，尋找一種綠色清潔的技術(shù)實(shí)現(xiàn)海水淡化已經(jīng)成為當(dāng)前亟待解決的問題。

太陽能是自然界中最為豐富、廉價(jià)的資源，且對(duì)環(huán)境友好，不產(chǎn)生二次污染，是最理想的清潔能源。為實(shí)現(xiàn)最小成本下水資源的生產(chǎn)，利用太陽能蒸發(fā)海水得到淡水的概念被提出。最初，將光熱納米粒子置于散裝水中進(jìn)行蒸發(fā)，但此種方法熱損失極大、能量轉(zhuǎn)換效率很低，阻礙了其實(shí)際應(yīng)用[3]。為解決這一問題，有學(xué)者提出界面蒸發(fā)的概念，即將太陽能吸收器連接到空氣?水界面進(jìn)行界面加熱[4]。界面蒸發(fā)技術(shù)在極大程度上實(shí)現(xiàn)了光熱材料與散裝水的分離，熱損失的減小使能量轉(zhuǎn)換效率得到有效提高。此后，太陽能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)技術(shù)在海水淡化領(lǐng)域受到了廣泛的研究和關(guān)注[5?6]，并推動(dòng)這一領(lǐng)域進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。

在醫(yī)藥、精細(xì)化工飛速發(fā)展的形勢(shì)下，有機(jī)溶劑作為原料、反應(yīng)介質(zhì)或清洗劑已成為常用的溶劑。有機(jī)溶劑純化和回收的成本已經(jīng)占工業(yè)運(yùn)營(yíng)成本的一半，現(xiàn)階段有機(jī)溶劑的回收方法如高溫驅(qū)動(dòng)蒸餾或高壓驅(qū)動(dòng)有機(jī)溶劑納濾，這通常是一個(gè)能源密集型的過程。在國(guó)家雙碳目標(biāo)政策要求下，尋求更節(jié)能的方法來分離回收有機(jī)溶劑刻不容緩。基于對(duì)海水淡化體系的認(rèn)識(shí)，界面蒸發(fā)技術(shù)可同樣適用于界面蒸發(fā)回收有機(jī)溶劑。

利用太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)進(jìn)行海水淡化仍屬于一個(gè)新興方向，近幾年的光熱材料越來越多，本文綜述了最新的光熱材料如金屬基等離子體材料、碳基材料、半導(dǎo)體、生物質(zhì)材料等在海水淡化、污水處理領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，并基于對(duì)水蒸發(fā)體系的認(rèn)知延伸到有機(jī)溶劑體系中，為有機(jī)溶劑純化回收提供了一個(gè)新的研究方向，并對(duì)太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)的前景和面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了詳細(xì)討論。

1 太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)

一個(gè)完整的太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分：光源、太陽能吸收層、保溫隔熱層、水源、逸散的蒸汽[7]。如圖1 所示，太陽光為系統(tǒng)提供最初的攝入能量，光熱材料在吸收光能后將其轉(zhuǎn)換為熱能。毛細(xì)作用力將水輸送至太陽能吸收層，在此液態(tài)水被加熱發(fā)生相變成為氣態(tài)水逸散至空氣中，完成蒸發(fā)。由于熱傳導(dǎo)，太陽能吸收層的熱量會(huì)向下傳遞，而保溫隔熱層可以有效地阻止熱量進(jìn)入散裝水從而減少熱損失。此外，由于光照過程中光熱材料還會(huì)產(chǎn)生熱輻射、與空氣的熱對(duì)流、與隔熱層或水體的熱傳導(dǎo)而產(chǎn)生不可避免的熱損耗。這個(gè)過程中涉及的能量損失計(jì)算如式(1)～式(3)所示[8]。

圖1 太陽能界面蒸發(fā)示意圖

式中，Qrad、Qconv、Qcond為熱輻射、熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)損失，W；Apro為蒸發(fā)表面積，m2；ε為材料的熱發(fā)射率；σ為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，5.6×108W/(m2·K4)；h為（空氣）對(duì)流傳熱系數(shù)，一般為5 W/(m2·K)；cp為水的比熱容，4.2kJ/(kg·℃)；m為散裝水的質(zhì)量，kg；T0、T1、T2和T3分別為蒸發(fā)界面的平均溫度、環(huán)境溫度、散裝水的初始溫度和最終溫度，℃。

太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換效率是評(píng)價(jià)太陽能蒸發(fā)器性能的一個(gè)關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，能量轉(zhuǎn)換效率η通常由式(4)以及式(5)、式(6)計(jì)算[7?8]。

式中，M為水的凈蒸發(fā)速率，M=m1（光照下蒸發(fā)速率）?m2（暗室蒸發(fā)速率），kg/(m2·h)；hlv為總蒸發(fā)焓變，其中包括從液體到蒸汽的顯熱（液態(tài)水由T2升溫至T0所需熱量）和潛熱（Q'：在T0溫度下水由液態(tài)到氣態(tài)的蒸發(fā)焓），kJ/kg；Pin為入射太陽光強(qiáng)度，kW/m2。

根據(jù)整個(gè)太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)中的總能量流動(dòng)分析可得，當(dāng)沒有額外的能量進(jìn)入太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)時(shí)，光熱材料的能量轉(zhuǎn)換效率一定小于100%。但從理論上推測(cè)，如果可以從環(huán)境中獲得額外能量如熱能、風(fēng)能等，那么環(huán)境反向?qū)ο到y(tǒng)輸入的能量就有可能大于系統(tǒng)本身所損失的能量，在假定100%的太陽?蒸汽能量傳遞效率的情況下，大大提高蒸發(fā)速率，使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于理論極限[9?10]。目前這種想法已被驗(yàn)證可以實(shí)現(xiàn)。此外，另一種提高蒸發(fā)速率的方法是降低蒸發(fā)焓。降低蒸發(fā)焓的方式主要有兩種：①三維限域，通過特殊的仿生設(shè)計(jì)、分層結(jié)構(gòu)降低水的蒸發(fā)焓以提高蒸發(fā)速率[11?12]；②氫鍵作用，在有機(jī)水凝膠材料中由于有機(jī)官能團(tuán)與水分子間的氫鍵作用，當(dāng)水分子被限制在分子網(wǎng)格中時(shí)，它們更有可能以小團(tuán)簇而不是單個(gè)分子的形式逃離。因此，水被蒸發(fā)所需蒸發(fā)焓比傳統(tǒng)潛熱更低[13]。

太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)在水處理方面應(yīng)用廣泛，首先在海水淡化領(lǐng)域太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)可處理不同濃度的海水，甚至于鹽濃度高達(dá)10%的死海海水經(jīng)界面蒸發(fā)后鹽度降低了4個(gè)數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)低于世界衛(wèi)生組織（WHO）和美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)水平，主要離子（Na+、Mg2+、Ca2+、K+、B3+）的濃度顯著降低[14]。其次，相較于蒸餾、膜分離技術(shù)，界面蒸發(fā)系統(tǒng)對(duì)含有重金屬離子（Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+）的工業(yè)廢水具有更高的離子去除率，對(duì)含有機(jī)染料廢水的截留率高達(dá)99.9%，有機(jī)染料的吸收峰完全消失[15]。利用太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)去除含揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）廢水也逐漸受到研究人員的關(guān)注。Zhang 等[16]設(shè)計(jì)了一種超交聯(lián)親水性聚合物網(wǎng)絡(luò)凝膠（SWEG）的概念，凝膠網(wǎng)絡(luò)中強(qiáng)大的氫鍵作用使SWEG能夠從含VOC 的水中提取水分，在1kW/m2的光照下VOC 去除率可達(dá)99.99%。此外，太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)也可實(shí)現(xiàn)與其他領(lǐng)域耦合，如界面蒸發(fā)系統(tǒng)促進(jìn)光催化處理As(Ⅲ)[17]、界面蒸發(fā)系統(tǒng)（三相體系）提高光解水產(chǎn)氫量[18]。

用于海水淡化的高效太陽能蒸汽發(fā)生器應(yīng)具有以下4種特點(diǎn)：①有良好的寬光譜吸收能力，高吸收是保證高蒸發(fā)率的前提，所選吸光材料應(yīng)在200～2500nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)有盡可能大的光吸收；②有效的熱管理，由于吸光層與水體不可避免的熱傳導(dǎo)和材料表面的熱輻射、熱對(duì)流導(dǎo)致熱量損失，只有抑制熱量損失才可以得到高的能量轉(zhuǎn)換效率；③穩(wěn)定的水運(yùn)輸能力，為材料表面提供源源不斷的水分對(duì)于實(shí)際大規(guī)模應(yīng)用是非常關(guān)鍵的；④優(yōu)異的耐鹽性和機(jī)械強(qiáng)度，海水中鹽分和其他雜質(zhì)離子含量較高，太陽能蒸汽發(fā)生器必須耐高鹽或有獨(dú)特的排鹽系統(tǒng)才能保證在長(zhǎng)期工作下不至于損壞。同時(shí)具備這些特點(diǎn)實(shí)屬不易，此外還要考慮光熱材料的易加工性、來源、成本等問題。近年來，各種納米結(jié)構(gòu)的太陽能光熱材料被開發(fā)，已經(jīng)不僅僅局限于單一的材料，新型光熱復(fù)合材料已漸漸成為研究熱點(diǎn)[19]。

2 太陽能界面蒸發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)演變

在太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)中高的能量轉(zhuǎn)換效率主要取決于系統(tǒng)熱量的利用程度，如此熱管理就變得至關(guān)重要。圖2展示了光熱轉(zhuǎn)換蒸發(fā)系統(tǒng)中的能量平衡關(guān)系圖。太陽光射入太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)，首先一部分光被光熱材料表面反射，另一部分透過材料表面（透射作用），其余被材料表面吸收產(chǎn)生熱量。其中熱量耗損的三種方式為太陽能蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)演變提供了指導(dǎo)性的意見?；驹瓌t包括：①通過改進(jìn)吸收材料或增加襯底來降低熱損失；②將熱量損失局限于蒸發(fā)表面，與散裝水進(jìn)行隔離。

圖2 光熱轉(zhuǎn)換蒸發(fā)系統(tǒng)中的能量平衡關(guān)系圖

自提出太陽能界面蒸發(fā)的概念至今，已經(jīng)有近十年的歷史，太陽能蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)也歷經(jīng)幾次變革。如圖3所示，最初的太陽能蒸汽發(fā)生器直接與散裝水接觸，熱量傳導(dǎo)進(jìn)入散裝水中造成大量的熱損失，極大地降低了蒸發(fā)速率與能量轉(zhuǎn)換效率。為防止熱量向散裝水下部傳遞，Liu 等[20]提出在膜材料表面加一塊類似于海綿的隔熱材料以減少熱量損失，提高了光熱轉(zhuǎn)換效率，但也僅僅維持在60%。為減少與散裝水的直接接觸面積，二維運(yùn)輸路徑被提出。Li等[21]提出的二維輸水路徑是使用一層薄薄的纖維素包裹熱絕緣體的表面使整個(gè)結(jié)構(gòu)可以漂浮在水的表面，只有底部的纖維素與散裝水直接接觸，通過兩側(cè)纖維素的毛細(xì)力吸水供給到吸收器頂部實(shí)現(xiàn)水的蒸發(fā)，能量轉(zhuǎn)換效率明顯提高。

圖3 太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)演變圖

研究證明，縮小蒸發(fā)界面與水體的接觸面積可減少熱損失，為將水的散熱最小化，受自然界樹木的啟發(fā)衍生出一維運(yùn)輸路徑。將吸收層與散裝水完全隔離，中間通過一根棉棒作為連接點(diǎn)進(jìn)行水分輸送[22]。既能實(shí)現(xiàn)高效供水，又能抑制傳導(dǎo)散熱，這種方法將能量轉(zhuǎn)換效率提升到一個(gè)新的層次。從最開始的50%左右，到現(xiàn)在基本保持在90%以上。而后，從三維形態(tài)的植物和蒸騰作用中得到靈感，為最大限度地吸收光，一個(gè)蘑菇形3D 人工蒸騰裝置被提出，這種模型可以在一天中的任意時(shí)刻從不同角度吸收光[23]。但同時(shí)，蘑菇形三維裝置會(huì)面臨熱輻射和光散射增加的困擾。有學(xué)者以高效收集聲音的凹面耳廓為靈感開發(fā)一種3D 光熱錐，用于高效的太陽能驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)[24]。由于合理彎曲的內(nèi)表面可以發(fā)生多次光反射，光在錐內(nèi)被捕捉和吸收的概率更大，從宏觀角度促進(jìn)了光的吸收。倒錐形結(jié)構(gòu)使熱輻射在錐體內(nèi)部，降低了其散入環(huán)境的概率，以保證最小的熱損失[25]。

近兩年，在一維運(yùn)輸路徑出現(xiàn)后，利用太陽能蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來提高界面蒸發(fā)性能已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)瓶頸。當(dāng)光的投影面積一定時(shí)，盡可能地增大蒸發(fā)面積成為了另一種提高蒸發(fā)速率和能量轉(zhuǎn)換效率的方式。通過折疊和展開的方式創(chuàng)造周期褶皺被證明是一種有效的策略，它可以最大限度地減少輻射和對(duì)流熱損失，同時(shí)最大限度地提高太陽能蒸汽發(fā)生器的光吸收率[26?29]。如圖4所示，展示了一個(gè)典型的折紙三維結(jié)構(gòu)作為太陽能蒸汽發(fā)生器的新平臺(tái)。3D折紙藝術(shù)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)特征為未來高效、易于部署的太陽能蒸汽發(fā)生器的發(fā)展提供了新的視角。

圖4 三維折紙型太陽能蒸汽發(fā)生器

3 太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)光熱材料發(fā)展現(xiàn)狀

光熱材料作為太陽能蒸汽發(fā)生器的核心部分，對(duì)太陽能的利用以及蒸發(fā)速率起著決定性作用。理想的光熱材料應(yīng)具有很強(qiáng)的寬帶吸收、來源廣泛、價(jià)格低廉、易于加工等優(yōu)點(diǎn)。光熱材料類型多樣，不盡相同，依據(jù)光熱轉(zhuǎn)換原理的不同可簡(jiǎn)單分為三類，即金屬基等離子體、碳基材料、半導(dǎo)體材料。另外，本文也將生物質(zhì)材料等其他材料作為新興光熱材料進(jìn)行總結(jié)，表明了其未來在太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)中巨大的潛力。

3.1 金屬基等離子體材料

金屬作為光熱材料應(yīng)用于太陽能界面蒸發(fā)較早，其產(chǎn)熱機(jī)制源于局部表面等離子體共振（localized surface plasmon resonance，LSPR）效應(yīng)。當(dāng)入射光的頻率與金屬表面內(nèi)自由電子固有振蕩頻率相匹配時(shí)，等離子體金屬中的電子被入射光激發(fā)，從費(fèi)米能級(jí)到更高能級(jí)的躍遷中產(chǎn)生熱電子。熱電子與入射電磁場(chǎng)發(fā)生相干振蕩，通過焦耳機(jī)制產(chǎn)生熱量，從而提高金屬表面及其周圍的溫度（即等離子體光熱效應(yīng)）[30?31]。

在金屬材料中，Au、Ag 等貴金屬由于良好的近紅外吸收能力成為光熱材料研究的熱點(diǎn)。但貴金屬的成本問題阻礙了其大規(guī)模發(fā)展，于是開發(fā)其他金屬材料替代貴金屬的研究被提上日程，其中金屬Al 以低成本、可延展性好、在紫外線狀態(tài)下有顯著的等離子體響應(yīng)而受到關(guān)注。Zhou等[14]利用多孔模板輔助自組裝工藝，將鋁納米粒子（Al NPs）自組裝成三維多孔膜，如圖5所示。這種等離子體結(jié)構(gòu)的高效和寬頻吸收、局域強(qiáng)非輻射等離子體衰變和多孔性質(zhì)使其有效太陽吸收率超過96%，可實(shí)現(xiàn)高效脫鹽，循環(huán)處理海水25 次后仍保持穩(wěn)定。這種自組裝的工藝后來也受到了廣泛的引用和改進(jìn)，如Chen 等[32]展示了一種由密集Ag NPs 自組裝的不對(duì)稱等離子體結(jié)構(gòu)（APS），具有太陽能水凈化和污染檢測(cè)雙重功能的多孔模板，太陽能吸收率可達(dá)90%以上。

圖5 Al NPs等離子體結(jié)構(gòu)[14]

除單一金屬外，將不同金屬納米粒子集成或組裝在不同的基材上包括陽極氧化鋁、木材、泡沫等提高太陽能蒸發(fā)效率的方法受到青睞[33?36]。Wang等[37]開發(fā)了一種基于氧化石墨烯（GO）和中空多孔Ag/Au納米立方體組裝而成的薄膜，利用粒子間的多尺度等離子體耦合，在10kW/m2的條件下使太陽能能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到92%，水分蒸發(fā)速率可達(dá)12.96kg/(m2·h)。由纖維狀A(yù)g NPs@C3N4和GO 合成的一種具有垂直通道和層狀納米結(jié)構(gòu)的膜在具備高效太陽能蒸發(fā)速率的同時(shí)幾乎可以完全消除廢水中的染料、重金屬離子和病原體[38]。合理猜想是由于垂直和水平方向的有序結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)大的質(zhì)量通量和高效去污，這對(duì)以后制造特定納米結(jié)構(gòu)的太陽能吸收器用于幫助生活在清潔用水匱乏地區(qū)的人們具有重大意義。與此同時(shí)，在保證同一水平的蒸發(fā)率下，將貴金屬的用量盡可能降低也是一直以來的目標(biāo)[39]。Cui 等[40]將微量Au NPs 碳化有機(jī)硅（C?Silica）微球沉積在過濾纖維紙（FFP）上，制備的Au NP@C?Silica/FFP 膜在僅25mg/cm2的Au用量下，在1kW/m2光強(qiáng)下就能達(dá)到94.6%的能量轉(zhuǎn)換效率。

與貴金屬略有不同，CuS作為一種高效的光熱材料是由于Cu2+的d?d能帶躍遷及其可調(diào)諧的局域表面等離子體共振，在近紅外區(qū)具有很強(qiáng)的吸收能力并轉(zhuǎn)化為熱能[41]。CuS 之前在光熱治療方面研究較為廣泛，在太陽能界面蒸發(fā)領(lǐng)域?qū)uxS 納米粒子的研究日漸增多。Su等[42]提出一種新型凹面空心CuS納米立方體，中空CuS獨(dú)特的凹形結(jié)構(gòu)可以通過重吸收捕獲陽光，并減少輻射和對(duì)流的熱量損失，基于CuS 的發(fā)生器在1kW/m2光照射下表現(xiàn)出91.5%的高能量轉(zhuǎn)換效率。Tao 等[43]報(bào)道了一種帶有異質(zhì)六角形孔洞的Cu9S5納米網(wǎng)組成的集成膜式界面蒸發(fā)器，該蒸發(fā)器在250～2000nm 表現(xiàn)出91.7%的吸收率，在1kW/m2光照強(qiáng)度下的能量轉(zhuǎn)換效率為80.2%。在CuS 材料的研究中發(fā)現(xiàn)其吸收率與發(fā)射率強(qiáng)烈依賴于結(jié)構(gòu)和形貌[42?44]。這種基于微熱管理的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為未來高效太陽能蒸汽發(fā)電的發(fā)展提供了新的視角。

作為貴金屬在等離子體技術(shù)中的潛在替代品，基于金屬氮化物的納米顆粒廣泛應(yīng)用于太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)[45]。Kaur等[46]通過結(jié)合等離子體氮化鈦納米粒子（TiN NPs）和陶瓷纖維羊毛開發(fā)了一種便攜式、可重復(fù)使用的太陽能蒸汽發(fā)生器，在1kW/m2光強(qiáng)下產(chǎn)生超過80%的能量轉(zhuǎn)換效率。將TiN NPs負(fù)載在陽極氧化鋁（AAO）上，可通過調(diào)節(jié)TiN NPs的孔徑和厚度來優(yōu)化TiN NPs/AAO的光熱性能，在1kW/m2光強(qiáng)下能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到92%[47]。對(duì)金屬氮化物在光熱界面蒸發(fā)領(lǐng)域的普適性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)第Ⅵ族金屬氮化物納米粒子（TiN、ZrN 和HfN）的太陽能能量轉(zhuǎn)換效率在78%～95%之間，其中以HfN NPs 材料效果最佳[48]。在未來金屬氮化物極有可能將貴金屬光熱材料取而代之。

金屬基光熱材料應(yīng)用于太陽能界面蒸發(fā)需要著重考慮穩(wěn)定性問題，在海水淡化中尚不能長(zhǎng)期穩(wěn)定，更遑論將其拓展到具有強(qiáng)酸或強(qiáng)堿性質(zhì)的工業(yè)廢水處理?；蛟S合金材料是一個(gè)理想的選擇，相較之下成本更低、耐腐蝕性能和力學(xué)性能更好。有研究表明，Pt3Ni 合金沉積于聚四氟乙烯（PTFE）薄膜作為太陽能驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)酸堿度工業(yè)廢水蒸發(fā)裝置具有巨大潛力，這也為改善光熱膜的表面機(jī)械性能提供了新的策略[49]。

3.2 碳基材料

碳基材料的光熱效應(yīng)來源于光照下的晶格振動(dòng)[50]。由于碳基材料中π電子的能級(jí)緊密排布，有助于通過光照激發(fā)電子，當(dāng)激發(fā)的電子放松到基態(tài)時(shí)產(chǎn)生熱量。碳基納米材料種類豐富多樣，不同形式的碳納米材料如碳納米管（CNTs）[51]、炭黑（CB）[52]、GO[53]、還原氧化石墨烯（rGO）[54]等已被成功應(yīng)用于太陽能界面蒸發(fā)。碳基材料大都具有太陽能寬光譜吸收、良好光吸收穩(wěn)定性、高熱導(dǎo)率、低毒性等特點(diǎn)，對(duì)未來科技轉(zhuǎn)化和實(shí)際應(yīng)用有極大優(yōu)勢(shì)。

與開發(fā)新的碳材料相比，將兩種材料進(jìn)行復(fù)合或摻雜來提高蒸發(fā)率或太陽能轉(zhuǎn)換效率已是目前常見的方法。Wang 等[55]通過結(jié)合具有不同納米形貌的二維rGO 和一維多壁碳納米管來提高光熱性能，這種復(fù)合光熱層具有可控納米結(jié)構(gòu)的粗糙表面，能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80.4%。此外，多孔的CB/GO復(fù)合層[56]、GO/CNTs 混合層[57]等復(fù)合材料的蒸發(fā)率相較于單一材料得到了一定程度的提高。除碳基材料同類型的摻雜外，與金屬基等離子體復(fù)合被證明有更優(yōu)異的光熱性能，如等離子體石墨烯聚氨酯納米復(fù)合材料[58]。而將碳基材料與光催化材料復(fù)合打開了另一種思路，將光催化納米材料集成到膜內(nèi)部，直接利用光催化分解污染物以提高光熱轉(zhuǎn)化膜的長(zhǎng)期穩(wěn)定性[59]。Noureen 等[60]制備的Ag3PO4?rGO 納米復(fù)合涂層，在能量轉(zhuǎn)換效率保持86.8%的同時(shí)還能有效地分解水中的有機(jī)染料，并表現(xiàn)出良好的抗菌活性，可直接凈化原水。

太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)發(fā)展前期，太陽能蒸汽發(fā)生器多以光熱材料沉積在底膜上為主，但所選底膜在很大程度上受到成本限制而不能實(shí)際應(yīng)用，而后以纖維素[61]、絲織物[62]、無紡布[63]、紙基[64]等為底膜的高效光熱膜受到了廣泛的研究。Li等[65]采用水熱碳化的方法在碳纖維（CF）表面制備了多尺度水熱碳層，成功地在CF 表面引入了羧基、羰基和羥基等極性官能團(tuán)，輸水效果得到了顯著的改善。而且由于層次化的碳化涂層增強(qiáng)了光的折射，吸光率提升到93%。Kou 等[66]以CNT 為原料制備油墨對(duì)傳統(tǒng)棉織物進(jìn)行染色，開發(fā)出了低成本、可水洗的光熱織物。碳納米管棉織物的總太陽吸收效率達(dá)95.7%，在模擬1kW/m2光強(qiáng)下的海水蒸發(fā)率高達(dá)1.59kg/(m2·h)。另外，任何應(yīng)用于海水淡化的太陽能蒸汽發(fā)生器都不可避免地面臨析鹽導(dǎo)致的蒸發(fā)率和光熱轉(zhuǎn)換效率下降的問題[67]。若不能保證長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，就無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用。而這些碳材料棉織物可以通過簡(jiǎn)單的手洗工序，去除蒸發(fā)后形成的鹽分，可對(duì)其進(jìn)行清洗和回收，為日光照射下的低成本、高效、大面積海水淡化提供了新平臺(tái)。值得一提的是對(duì)光熱轉(zhuǎn)化膜進(jìn)行Janus 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是解決脫鹽問題的一種有效手段，Janus 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在光熱轉(zhuǎn)化膜領(lǐng)域主要表現(xiàn)為使其同時(shí)具有疏水和親水的性質(zhì)，親水表面能夠吸取基質(zhì)中的水并將其轉(zhuǎn)移到吸光表面，疏水吸光表面將熱量傳導(dǎo)給水并加速水蒸氣離開蒸發(fā)器。Xu 等[68]通過設(shè)計(jì)疏水性CB 和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）層以及用于輸水的親水聚丙烯腈（PAN）層這樣具有相反性質(zhì)和不同功能的兩層結(jié)構(gòu)，首次證明了Janus 吸收體可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和高效的太陽能淡化，而后Janus 蒸發(fā)器作為解決鹽分析出問題的利器而被廣泛地研究。此外，除調(diào)控材料本身的特性，部分研究人員開始在層次結(jié)構(gòu)方面解決鹽累積的問題，如由睡蓮啟發(fā)的結(jié)構(gòu)[69]、自旋轉(zhuǎn)型太陽能蒸發(fā)器[70]等，極大地促進(jìn)了界面蒸發(fā)海水淡化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)展。

傳統(tǒng)單層碳基材料在微尺度上表面相對(duì)平坦、吸收有限，反射光強(qiáng)度較高，導(dǎo)致整體效率下降。目前研究的熱點(diǎn)光熱材料形貌多集中于納米多孔結(jié)構(gòu)，通過增加孔隙率來增加光折射次數(shù)以提高吸光率?；蛲ㄟ^表面改性增加表面粗糙度，以便更好地進(jìn)行光捕獲。若通過增加光的相互作用長(zhǎng)度或光在垂直結(jié)構(gòu)中的停留時(shí)間來克服平面光吸收限制，從而有效地將吸收的光轉(zhuǎn)化為熱，這將使太陽能轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提高。如圖6所示，多功能分層石墨烯蒸汽發(fā)生器逐漸進(jìn)入人們的視線。Ren 等[71]報(bào)道了通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)的具有連續(xù)孔隙的分層石墨烯泡沫，光吸收不受入射角的影響，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)93.4%。Ito等[72]開發(fā)了一種由單片氮摻雜納米多孔石墨烯和氮摻雜多孔石墨烯泡沫作為分層結(jié)構(gòu)構(gòu)建的蒸汽發(fā)生器，可達(dá)到82.2%的能量轉(zhuǎn)換效率和1.54kg/(m2·h)的蒸發(fā)速率。

圖6 普通石墨烯泡沫與N摻雜分層石墨烯泡沫

現(xiàn)階段，碳材料的研究依然是整個(gè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)，但二維碳材料的界面蒸發(fā)性能似乎已經(jīng)達(dá)到了瓶頸期。此時(shí)，三維多孔光熱轉(zhuǎn)換材料，如碳泡沫[73]、氣凝膠[74]、水凝膠[75]等，因其具有低容重、高孔隙率、低熱導(dǎo)率等良好的太陽能蒸發(fā)性能而受到關(guān)注。Liang 等[76]通過注入控制技術(shù)控制rGO 泡沫中的毛細(xì)管水狀態(tài)，并有效地調(diào)整了泡沫中的水的運(yùn)動(dòng)模式，暴露盡可能多的蒸發(fā)面積，在1kW/m2的光強(qiáng)下蒸發(fā)速率可以達(dá)到2.40kg/(m2·h)，太陽能光熱效率接近100%。Gong 等[77]基于廢紙球磨石墨和纖維素采用冷凍澆鑄?干燥法制備復(fù)合氣凝膠，具有垂直排列的多孔結(jié)構(gòu)，在1kW/m2太陽光下能量轉(zhuǎn)換效率約為90%，而且復(fù)合氣凝膠的制備和蒸發(fā)系統(tǒng)的構(gòu)建充分利用了再生材料的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)降低成本和回收固體廢物十分有利。Yu 等[78]設(shè)計(jì)了碳化鉬/碳基殼聚糖水凝膠（MoCC?CH），具有優(yōu)異的光學(xué)吸收性能和顯著的水傳輸性能，在1kW/m2太陽光照射下蒸發(fā)速率可達(dá)2.19kg/(m2·h)，能量轉(zhuǎn)換效率為96.15%。

綜上所述，碳是地球上含量豐富的一種元素，碳基材料容易通過熱處理、化學(xué)沉積等方法與其他材料實(shí)現(xiàn)組裝改性以提高太陽能界面蒸發(fā)性能。此時(shí)，更需著眼于提高碳材料在海水淡化實(shí)際應(yīng)用中的可循環(huán)周期性，甚至用于處理工業(yè)廢水的強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等嚴(yán)苛條件下的穩(wěn)定性。碳基材料在未來仍是十分具有吸引力的光熱轉(zhuǎn)換材料，尤其是新型碳納米材料、三維多孔石墨烯材料等會(huì)朝向更多元化的方向發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.3 半導(dǎo)體材料

半導(dǎo)體材料的產(chǎn)熱源于電子空穴對(duì)的非輻射弛豫，半導(dǎo)體的帶隙能量決定了光吸收波長(zhǎng)范圍[4]。當(dāng)入射太陽光的能量高于半導(dǎo)體帶隙能量時(shí)，產(chǎn)生帶隙以上的電子空穴對(duì)，帶隙上方的電子空穴對(duì)松弛到帶隙的邊緣，將多余的能量轉(zhuǎn)化為熱量。窄帶隙半導(dǎo)體已被證明在光熱方面可提供廣闊的太陽吸收光譜。而寬帶隙半導(dǎo)體的電子空穴對(duì)會(huì)在帶隙邊緣附近重組，釋放光子，降低光熱效率。近年來，TiO2[79]、Ti2O[80]、SiO2[81]、Co3O4[82]等窄帶隙半導(dǎo)體材料受到了廣泛的研究。

原始半導(dǎo)體光熱轉(zhuǎn)換效率太低，無法進(jìn)行實(shí)際的大規(guī)模淡水生產(chǎn)?，F(xiàn)今對(duì)半導(dǎo)體材料的研究已經(jīng)不限于材料本身，而是通過改性使其更全方位地利用太陽光。Zhu等[83]利用金屬氧化物MoO3加氫制備了一種新型材料（H1.68MoO3），其中H 的摻雜導(dǎo)致原本MoO3的絕緣體到金屬的相變。這種氫化金屬氧化物有不尋常的準(zhǔn)金屬能帶，由于激發(fā)態(tài)電子的快速弛豫，在整個(gè)可見到近紅外太陽光譜中提供了大于95%的類似黑體的太陽光吸收率。Huang等[84]提出的MoO3?x(0

與半導(dǎo)體金屬氧化物同一類型的半導(dǎo)體金屬硫化物同樣具有良好的光熱性能。單層MoS2是一種典型的過渡金屬二鹵族化合物，具有獨(dú)特的電子和光學(xué)特性，以多相形式存在，可以顯示不同的相，如金屬1T 相和半導(dǎo)體2H 相。Zhang 等[85]報(bào)道了一種簡(jiǎn)單而有效的方法來實(shí)現(xiàn)2H 和1T?MoS2納米片的晶相控制合成高密度納米孔太陽能輔助制造波紋二硫化鉬膜（2H?DMM?SA），如圖7 所示。2H?DMM?SA 層具有開放大孔網(wǎng)絡(luò)的凹陷表面，水通量得到大幅提升，在1kW/m2太陽光強(qiáng)下表現(xiàn)出了83.3%的能量轉(zhuǎn)換效率。經(jīng)過多次光照和再生循環(huán)，仍可維持較高的水分蒸發(fā)速率和抗鹽性能。

圖7 制造波紋二硫化鉬膜[85]

過渡金屬氧化物由于其獨(dú)特的外價(jià)電子特征而表現(xiàn)出優(yōu)異的光熱性能，與貴金屬納米粒子相比，過渡金屬氧化物具有熱穩(wěn)定性高、制備容易和成本相對(duì)較低的優(yōu)點(diǎn)。作為過渡金屬氧化物的重要組成部分，具有可調(diào)LSPR 效應(yīng)的WO3?x材料已成功合成[86]。Li 等[87]采用化學(xué)氣相沉積法和溶劑熱法制備了一種新型的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的疏水型Ni?G?WO3?x蒸發(fā)器。由于多孔Ni 的多重散射以及石墨烯和WO3?x的強(qiáng)光吸收能力，Ni?G?WO3?x具有從紫外到近紅外區(qū)域93%的高光學(xué)吸收能力。在1kW/m2太陽照射下，蒸發(fā)量可達(dá)2.12kg/(m2·h)。然而，對(duì)于WO3?x開發(fā)太陽能蒸汽發(fā)電的報(bào)道卻不多，未來仍有待探索。

光熱材料往往會(huì)遇到生物或有機(jī)污染物，導(dǎo)致性能下降甚至失效。熱解是一些耐熱材料分解污染物的理想方法，但仍然存在能耗高的問題。鈣鈦礦是一類具有與ABO3相同晶體結(jié)構(gòu)的化合物，結(jié)構(gòu)中嵌入的不同陽離子具有不同的功能。Wang 等[88]開發(fā)了一種多功能含鈷鈣鈦礦La0.7Sr0.3CoO3，在相對(duì)較低的溫度下催化藻類等生物/有機(jī)污染物的熱分解，能耗較低。La0.7Sr0.3CoO3切片的超親水表面和多孔結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期排鹽，保證穩(wěn)定的海水蒸發(fā)性能，在實(shí)際的太陽能驅(qū)動(dòng)海水淡化中具有重要意義。此外，雙鈣鈦礦在太陽能方面的應(yīng)用也逐漸出現(xiàn)，被報(bào)道適用于光催化領(lǐng)域，相信在不久的將來雙鈣鈦礦電磁波吸收特性的產(chǎn)熱可以使其成為一種獨(dú)特的太陽能光熱材料[89]。

3.4 生物質(zhì)材料

自然界存在的植物歷經(jīng)千百年優(yōu)勝劣汰，其結(jié)構(gòu)或許比費(fèi)盡心力設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)更具有天然的優(yōu)勢(shì)。例如，木材具有良好的親水性、低導(dǎo)熱性和大量的天然微通道。天然木材的光學(xué)吸收率較低，對(duì)天然木材進(jìn)行部分高溫炭化處理，在碳化木材和天然木材之間的界面會(huì)有一個(gè)完美的微結(jié)構(gòu)匹配，這有利于從下層有效地提取水，并在太陽光照明下產(chǎn)生水蒸氣[90]。蒸發(fā)過程必須與海水源進(jìn)行高效的質(zhì)量交換，而木材內(nèi)部微細(xì)的通道口極大地減少了設(shè)備運(yùn)行過程中的鹽積累，因此在高效太陽能蒸汽發(fā)電方面具有巨大的潛力。

碳化木材是最早被發(fā)現(xiàn)用于太陽能界面蒸發(fā)，也是被研究最為深入的一種仿生材料。時(shí)至今日，仍在不斷地對(duì)木材表面進(jìn)行光熱材料的修飾以提高界面蒸發(fā)性能。Wang 等[91]研究開發(fā)了一種簡(jiǎn)便的吡咯聚合法制備聚吡咯修飾木材（PPy?Wood），PPy?Wood 的吸光度高達(dá)90%，增強(qiáng)了太陽能蒸發(fā)速率。Xia 等[92]介紹了一種基于柔性卟啉有機(jī)框架（POF）的界面工程方法制備的Wood@POF 材料，表現(xiàn)出良好的光熱性能，可達(dá)到80%的能量轉(zhuǎn)換效率。POFs 這一類材料被證明可以在各種多孔基質(zhì)上生長(zhǎng)，包括膜、織物、海綿和木材。利用木材的天然結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)海水淡化中的排鹽也是目前的研究熱點(diǎn)。He 等[93]證明了雙峰多孔結(jié)構(gòu)可作為一種高效和穩(wěn)定的太陽能蒸汽發(fā)生器用于高鹽度海水淡化。如圖8所示，利用木材固有的雙峰多孔結(jié)構(gòu)和相互連接的微觀結(jié)構(gòu)，使表面蒸發(fā)鹽水可以快速補(bǔ)充，確?？焖?、連續(xù)的清潔水蒸氣的產(chǎn)生。該雙峰式太陽能蒸汽發(fā)生器在6kW/m2太陽輻照下蒸發(fā)速率可達(dá)6.4kg/(m2·h)，對(duì)高鹽度鹵水的脫鹽具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。另外，由于木材特殊的孔道，在光吸收層中形成毛細(xì)水，降低水的潛熱以提高蒸發(fā)速率和太陽能轉(zhuǎn)換效率。這種3D 太陽能蒸發(fā)器在水收集裝置中有效工作，產(chǎn)水量比普通界面蒸發(fā)器多2.2倍[11,94]。

圖8 雙峰式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)特征[93]

以木材為例，其他具有相似結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)材料也被相繼開發(fā)用于太陽能界面蒸發(fā)，包括絲瓜[8]、秸稈[95]、竹子[96]、甘蔗[97]、向日葵[98]等，同時(shí)也在不斷尋找價(jià)格低廉、來源廣泛、易于加工且擁有高能量轉(zhuǎn)換效率的生物質(zhì)材料。在遵循可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求下，從廢棄物中提取有效的生物質(zhì)材料用于太陽能界面蒸發(fā)是一種新的嘗試。Han等[99]展示了一種從蛋殼膜生物廢棄物中衍生的獨(dú)立超薄膜，具有良好的水蒸氣輸送形態(tài)、寬帶光吸收和局部加熱特性。此外，相繼報(bào)道了從廢棄咖啡渣中制備疏水碳化咖啡渣作為太陽能蒸汽產(chǎn)生的有效太陽能接收器[100]、由碳化鉛筆廢料制成的自浮式太陽能蒸發(fā)器[101]，在太陽光照射下都具有良好的脫鹽和水凈化性能，能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80%左右。以此理念所設(shè)計(jì)太陽能界面蒸發(fā)結(jié)合了生活垃圾的回收、可再生太陽能的利用和清潔水的生產(chǎn)，使其成為一個(gè)真正綠色、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)、可循環(huán)的解決全球水資源短缺的方案。

3.5 其他材料

新型二維材料MXene 以其優(yōu)異的電磁波吸收特性、力學(xué)性能和親水表面而被認(rèn)為是極有潛力的光熱材料。其中Ti3C2材料不僅內(nèi)部光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)100%，而且具有優(yōu)良的抗菌性能，對(duì)細(xì)菌的抑制率可達(dá)99%[102]。MXene家族應(yīng)用于太陽能界面蒸發(fā)領(lǐng)域較多的當(dāng)屬Ti3C2和Ti2C[103?105]。Zhao 等[106]報(bào)道了一種簡(jiǎn)單策略實(shí)現(xiàn)氫鍵誘導(dǎo)的聚多巴胺（PDA）@MXene 微球光熱層自組裝，協(xié)同實(shí)現(xiàn)廣譜高效的太陽能吸收。此外，由于MXene 和PDA本身的親水性，以及核殼微球之間的間距，使得該系統(tǒng)具有快速的水輸運(yùn)和蒸汽逸出，從而實(shí)現(xiàn)高效的光熱轉(zhuǎn)換效率，除鹽率超過99%。Fan等[107]設(shè)計(jì)制作了一種分層式太陽能吸收結(jié)構(gòu)，包含3D MXene微孔骨架、垂直排列的金屬有機(jī)骨架、嵌有鈷納米顆粒的2D 碳納米片。三大類光熱材料的合理整合，使太陽能蒸汽發(fā)生器集寬帶光吸收、高效光熱轉(zhuǎn)換、低熱損失、快速水輸送行為以及大大提高的耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)于一身?；贛Xene 的分層設(shè)計(jì)，其能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)93.4%，并且循環(huán)運(yùn)行100h 后仍能保持91%以上的效率。因此，MXene材料為太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)的發(fā)展提出了一個(gè)有吸引力的輔助策略，用于制備高性能光熱復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的太陽能驅(qū)動(dòng)海水淡化的應(yīng)用。

未知的光熱材料探索也從未止步，黑磷（BP）納米片因其厚度可調(diào)、高導(dǎo)電性、生物相容性和優(yōu)異的光熱性能而受到關(guān)注。但由于BP 在潮濕環(huán)境中的穩(wěn)定性較差而在太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)中受到限制。Li 等[108]提出了降低表面張力的方法，以解決BP 納米片的濕環(huán)境降解行為，獲得自浮力，從而將BP納米片應(yīng)用于太陽能蒸發(fā)。Cai等[109]采用靜電分層組裝將BP 納米片和殼聚糖交替沉積在聚氨酯（PU）泡沫的骨架上，使PU 復(fù)合泡沫的親水性明顯提高，從而促進(jìn)毛細(xì)管效應(yīng)。簡(jiǎn)言之，BP 納米片采用了一種簡(jiǎn)單且環(huán)保的制造工藝應(yīng)用于海水淡化和污染去除，為實(shí)際的太陽能蒸汽產(chǎn)生提供了巨大的潛力。但目前為止，涉及BP 納米片在太陽能界面蒸發(fā)的研究工作鮮有報(bào)道。

目前，光熱材料海水淡化領(lǐng)域的應(yīng)用多處于實(shí)驗(yàn)室模擬階段。不同類型光熱轉(zhuǎn)換材料的性能對(duì)比如表1所示。

表1 典型光熱轉(zhuǎn)換材料性能對(duì)比

4 太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)在有機(jī)溶劑回收中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，有機(jī)溶劑使用大量增加帶來的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)日益嚴(yán)重，有機(jī)溶劑的高效分離、回收與再利用成為發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)迫切需要解決的問題。傳統(tǒng)的蒸餾、萃取、吸附等有機(jī)溶劑處理技術(shù)往往存在明顯弊端，如蒸餾過程需在較高溫度下進(jìn)行，能耗較高，且易造成熱敏性物質(zhì)失活降解；萃取過程則需使用大量萃取劑，導(dǎo)致后續(xù)煩瑣的二次分離。目前，有機(jī)溶劑納濾（organic solvent nanofiltration，OSN）具有一般膜分離過程綠色、高效等特點(diǎn)，被認(rèn)為是解決有機(jī)溶劑高效分離、回收與再利用問題的重要技術(shù)[110]。在大規(guī)模應(yīng)用下，OSN的壓力驅(qū)動(dòng)過程仍需消耗一定量的能源。此外，OSN技術(shù)所用到的有機(jī)溶劑納濾膜易發(fā)生溶脹而影響有機(jī)溶劑回收的長(zhǎng)期操作穩(wěn)定性，而且對(duì)眾多不同類型的有機(jī)溶劑回收的普適性也是一大挑戰(zhàn)。由海水淡化、污水處理推及有機(jī)溶劑的處理，采用太陽能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)溶劑的分離純化無疑是一種很好的選擇。

近些年太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)在海水脫鹽及污水凈化領(lǐng)域愈發(fā)成熟，太陽能光熱轉(zhuǎn)換材料被廣泛研究。由太陽能界面蒸發(fā)回收水體系推廣至利用太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)回收有機(jī)溶劑體系將會(huì)面臨更多的挑戰(zhàn)，如圖9所示。①溶劑輸送。在界面蒸發(fā)系統(tǒng)中高能量轉(zhuǎn)換效率、蒸發(fā)速率的前提下溶劑泵送能力以及隔熱是必不可少的，而由于不同材料對(duì)不同有機(jī)溶劑的親疏性有別，這讓實(shí)驗(yàn)的選材更加復(fù)雜化。②長(zhǎng)期穩(wěn)定性。大部分光熱材料（有機(jī)物、無機(jī)物）或底膜在苛刻的有機(jī)溶劑和長(zhǎng)時(shí)間輻照下缺乏機(jī)械穩(wěn)定性，通常很難長(zhǎng)期處理有機(jī)溶劑的純化回收。③匹配性。不同有機(jī)溶劑物性千差萬別，沸點(diǎn)、密度、極性等性質(zhì)不盡相同，如表2所示，可能一種材料只適用于一種或幾種溶劑的蒸發(fā)，所以在蒸發(fā)回收過程中不同光熱材料與不同有機(jī)溶劑之間的匹配性或相容性也至關(guān)重要。④安全性。其一，有機(jī)溶劑蒸氣與水蒸氣相比具有一定的危險(xiǎn)性，在一定濃度下有爆炸風(fēng)險(xiǎn)；其二，在太陽能界面蒸發(fā)回收有機(jī)溶劑中要著重考慮蒸氣冷凝回收問題，用于收集的容器材質(zhì)注意不能與溶劑蒸氣發(fā)生反應(yīng)（引起腐蝕），對(duì)設(shè)備要求更高。此外，太陽能界面蒸發(fā)蒸汽發(fā)電技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，那同樣地，用太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)回收有機(jī)溶劑實(shí)現(xiàn)發(fā)電或者其他形式的能量利用從理論上而言也是可行的。本文作者團(tuán)隊(duì)對(duì)太陽能界面蒸發(fā)回收有機(jī)溶劑做了部分研究，采用商業(yè)化墨水與宣紙通過簡(jiǎn)單的按壓法制備的光熱轉(zhuǎn)化膜，在蒸發(fā)有機(jī)溶劑中具有較高的穩(wěn)定性。與自然蒸發(fā)相比，蒸發(fā)速率得到了明顯的提高，對(duì)高沸點(diǎn)有機(jī)溶劑蒸發(fā)速率的提升更為顯著。但也正如上述所總結(jié)，采用有機(jī)材料為底膜會(huì)被一部分有機(jī)溶劑溶解而無法蒸發(fā)。另外值得注意的是，用于收集水蒸氣的亞克力玻璃容器在用于收集部分有機(jī)溶劑（N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮）時(shí)會(huì)發(fā)生明顯的腐蝕而損壞，只能采用純玻璃類容器才可收集。

表2 常用有機(jī)溶劑物性

圖9 太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)（水體系/有機(jī)溶劑體系）與材料要求總結(jié)

經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研總結(jié)發(fā)現(xiàn)，此領(lǐng)域前期研究工作仍較少，屬于探索階段。Fang 等[111]將合成的立方普魯士藍(lán)（PB）納米晶體原位加載在棉花纖維（CFs）上，成功地用于光熱技術(shù)純化介電常數(shù)為2.38～37.78 的有機(jī)溶劑庫（丙酮、甲苯、乙醇、水、正丙醇、N,N-二甲基甲酰胺、正己醇、N-甲基吡咯烷酮），在模擬廢有機(jī)溶劑蒸發(fā)過程中的染料分子去除率高達(dá)99.9%。將太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)用于有機(jī)溶劑的分離純化領(lǐng)域是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的難題，任重而道遠(yuǎn)。但克服了這個(gè)困難就可以將有機(jī)溶劑的高效分離從耗費(fèi)能源這一束縛中解脫出來，這將極大促進(jìn)現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的綠色發(fā)展。

5 結(jié)語

太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)的能效對(duì)未來量化生產(chǎn)十分關(guān)鍵，主要指標(biāo)包括蒸汽蒸發(fā)速率、能量轉(zhuǎn)換效率，本文基于產(chǎn)熱機(jī)理分類綜述了金屬基等離子體材料、碳基材料、半導(dǎo)體材料、生物質(zhì)材料等近年來太陽能高效蒸發(fā)器材料的最新進(jìn)展以及當(dāng)前對(duì)太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)與材料的要求，在此基礎(chǔ)上對(duì)有機(jī)溶劑體系的光熱材料要求更為嚴(yán)苛，還需考慮溶劑的運(yùn)輸、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、溶劑與材料的匹配性和蒸汽收集的安全性。此外，界面蒸發(fā)應(yīng)用于有機(jī)溶劑處理，還有一個(gè)難點(diǎn)就是不同有機(jī)物的分離，蒸發(fā)更多程度上依賴于溶劑沸點(diǎn)，沸點(diǎn)相似則難以分離純化。

近年來，太陽能界面蒸發(fā)作為新型節(jié)能技術(shù)在海水淡化領(lǐng)域受到廣泛研究與關(guān)注，在光催化、有機(jī)溶劑處理領(lǐng)域也有所報(bào)道。但即便已經(jīng)有了近十年的發(fā)展歷史，太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)仍面臨著許多問題：①理論支持不足，現(xiàn)如今對(duì)于太陽能界面蒸發(fā)這一過程的微觀變化、水分子在與鹽水或重金屬離子的脫離過程、這一階段發(fā)生的先后順序及相變過程中水分子是否有不同的狀態(tài)，仍沒有明確的解釋；②光熱轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，無法對(duì)不同類型的光熱材料進(jìn)行同一水平的對(duì)比，無法判別哪一類材料可達(dá)到最大的能量利用；③實(shí)驗(yàn)室水平的測(cè)試與現(xiàn)實(shí)的實(shí)際應(yīng)用的差異性尚不知曉，實(shí)際海水淡化或廢水處理的水源比實(shí)驗(yàn)水平的鹽度、酸堿度、離子種類都更為復(fù)雜，太陽能蒸汽發(fā)生器的機(jī)械穩(wěn)定性、可循環(huán)周期的差異無從對(duì)比；④實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)是一個(gè)化工過程現(xiàn)實(shí)應(yīng)用必須考慮的問題，但晝夜更替的天象對(duì)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的水蒸發(fā)收集是一個(gè)嚴(yán)重的障礙。

此外，真正的實(shí)踐應(yīng)用中合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)蒸發(fā)出的潔凈水的收集也是十分重要的，在密閉裝置中進(jìn)行蒸汽冷卻，整個(gè)過程濕度不斷增大，蒸發(fā)率隨之降低，所以有效回收冷凝水也是對(duì)蒸發(fā)率的另一種提高?？傊?，未來幾十年太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)仍具有廣闊的應(yīng)用前景，也不僅僅局限于海水淡化、污水處理、有機(jī)溶劑純化，而是實(shí)現(xiàn)太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)與蒸汽發(fā)電、光催化、光解水產(chǎn)氫的聯(lián)用，太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)的發(fā)展仍有待去探索開發(fā)。