引言水资源的不合理利用和水体污染容易引发淡水危机[1-2]。海水约占地球总水量的97.5%，通过脱除海水的盐分生产淡水，是解决淡水量不足的重要途径。传统的热法海水淡化技术包括多级闪蒸和多效蒸馏方式，二者通过加热海水生产淡水，消耗了大量化石燃料。与化石燃料相比，以太阳能驱动的热法海水淡化技术更符合“双碳”目标的要求[3]。根据光热材料的位置差异，太阳能热法海水淡化技术分为底部蒸发、水体蒸发和界面蒸发方式。底部蒸发和水体蒸发方式进行光热转换时，热量会不可避免地传递到水体中，难以形成局域高温[4]，导致蒸发速率和效率低。界面蒸发将蒸发过程集中在空气-液面处，减少了传递到水体中的热量。WANG[5]等以金纳米粒子作为光热转换材料，发现金纳米粒子应用在“空气-水”界面的蒸发效率比应用在水体时提高24%。目前，在海水淡化领域，学者们提出了多种新型、高效的蒸发器。文中系统总结了近年来报道的太阳能界面蒸发器及开发思路，着重研究蒸发器的热管理和抗盐特性对蒸发性能和稳定性的影响。1太阳能界面蒸发器工作原理及性能指标1.1工作原理太阳能界面蒸发器通常由光热层和基底层组成。光热层的作用是将太阳能转化为热能，为海水蒸发提供热量。基底层的作用包括：一是将海水运输到光热层，为光热层提供充足水源；二是阻隔海水域和光热层间的传热，使热量集中在光热层，减少热量的损失[6]。基底层内设有水通道，海水在基底层的毛细力作用下被抽吸到蒸发器表面，形成薄薄的表水层，此时太阳光被光热层吸收并转换为热能，加热表水层的海水产生蒸汽。1.2性能指标1.2.1蒸发速率v=dmAdt (1)式中：v——蒸发速率，kg/(m2·h)；m——水蒸发的质量，kg；A——实际蒸发面积，m2；t——光照时间，h。蒸发速率主要取决于光热材料的性质，在1个标准太阳下，若光热材料的光吸收率可达到100%，且将全部能量用于海水蒸发，蒸发速率会达到理论上的最大值，为1.59 kg/(m2∙h)[7]。要进一步提高蒸发速率，就必须让系统吸收更多的热量。目前，突破蒸发速率理论最大值的方法主要有：一是回收利用水蒸气的冷凝潜热；另一种方法是适当降低蒸发器温度，当蒸发器温度低于周围环境温度时，蒸发器会同时从太阳光和环境中吸取热量。WANG[8]等设计了一种含垂直翅片的3D光热结构蒸发器，垂直翅片作为第二蒸发面，可回收冷凝释放的潜热并产生蒸汽，结果表明，1个标准太阳下的蒸发速率达到2.94 kg/(m2∙h)。ZHANG[9]等将碳化的蒲草制成类圆柱状蒸发器，当蒸发器侧面温度低于环境温度时，蒸发器将从环境获取热量用于海水蒸发，当伸出水面高度为10 cm时，装置在1个标准太阳下的蒸发速率达到4.12 kg/(m2∙h)。1.2.2蒸发效率蒸发效率表示用于产生蒸汽的热量与照射到整个装置的太阳能的比值。η=vhlvPin (2)式中：η——蒸发效率；hlv——水蒸发总焓；Pin——入射太阳光的能量。蒸发效率主要与光热转换材料吸收率和转换率有关。目前光热材料的转换率高达95%[4]，但吸收的热量中用于产生蒸汽的比例较低，因为蒸发过程存在热辐射、导热和对流换热损失，使蒸发效率无法达到100%。若蒸汽冷凝潜热能被回收利用，蒸发效率有可能突破100%。XU[10]等基于局域热法开发了一个多级太阳能蒸馏器，装置将上一级蒸汽的冷凝潜热用于加热下一级海水蒸发，多级循环产生蒸汽，实现了对蒸汽潜热的高效利用，装置在1个标准太阳下的蒸发效率达到385%，蒸发效率较高。2蒸发器的热管理光热转换过程中，不仅要考虑光吸收率的影响，还要考虑蒸发器的热管理对其性能的影响。太阳能界面蒸发器的热量损失方式主要包括热辐射、导热和对流。为了提高蒸发器的性能，必须减小各项热损。QL=QR+QT+QH (3)式中：QL——蒸发器总热量损失；QR——蒸发器表面与环境间的辐射热损；QT——蒸发器上表面向下部水域的导热热损；QH——蒸发器上表面与周围空气间的对流热损。2.1辐射热损2.1.1光热层结构设计太阳光到达光热层表面时通常伴有反射，若表面过于平整则不利于光的利用，因此可以通过光热层的结构设计减少反射到周围环境的光，提高光热层对太阳光的吸收率，从而减少辐射热损。目前，光热层多为二维平面结构，表面粗糙，以提高太阳辐射在光热层内的反射。WANG[11]等制备了一种表面粗糙的还原氧化石墨烯-多壁碳纳米管二维复合层(rGO-MWCNT)，多壁碳纳米管增加了额外的表面织构，减少复合层的反射损失，从而增强了太阳辐照吸收。结果表明，rGO-MWCNT复合层的蒸发效率达到88%。此外，三维结构通过多重散射效应，也可以增加光热层对太阳辐射的吸收[12]。白炳林[13]设计了三维倒圆锥结构的青砖-石墨烯蒸发器，倒圆锥结构增加了入射光在光热层中的散射过程，使光热层可以吸收更多的太阳辐射，该结构在1个标准太阳下的蒸发效率比二维结构增加了20%。岳东敏[14]通过电镀法制作具有表面针叶形状的镍黑光转换膜(E-Ni@Gr)，E-Ni@Gr表面具有三维结构，太阳光可在针叶状结构上多次内反射，从而提高了光在光热层内的反射率和吸收率。结果表明，在1个标准太阳下，E-Ni@Gr的蒸发效率比二维结构提高了30%。2.1.2光热转换材料选用具有优异特性的光热转换材料也是减少辐射热损的方法。目前，光热转换材料主要包括金属纳米颗粒、半导体、碳基和高分子材料，其光转换原理是在弛豫过程将所吸收的太阳光以热能的形式对周围进行导热，从而达到局域热效应的目的。这些材料可以充分吸收太阳辐射并转化为热能，为光热层提供热量，达到提高蒸发效率的效果。不同类型光热转换材料的蒸发性能如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.033.T001表1不同类型光热转换材料的蒸发性能材料类型材料蒸发效率/%备注文献来源金属纳米颗粒Ag/PPy-PMBA-BrILs88.70对总盐度为3.5wt%的人工海水具有显著的淡化效果肖朝虎[15]金属/半导体材料Ag/PPy-SiO2-PILs90.50肖朝虎[15]金属/碳基材料镍黑-石墨烯光热转换(C-Ni@Gr)膜105.57蒸发速率：1.62 kg/(m2∙h)岳东敏[14]镍黑-石墨烯光热转换(E-Ni@Gr)膜135.99随着脱盐循环次数的增加，蒸发速率仍可以稳定在2.00 kg/(m2∙h)。岳东敏[14]金属/高分子材料HPSS/Fe3O4/PPy94.70在高浓度盐溶液中保持光热产汽的稳定性何静娴[16]半导体材料磷化镍钴(NiCoP)纳米结构98.60蒸发速率：2.01 kg/(m2∙h)苏居文[17]高分子材料表面喷涂聚吡咯的咪唑基PIPs体材料89.00在高盐度水(30 wt%)中王菲[18]PEDOT：PSS-PAAm 水凝胶97.20蒸发速率：2.15 kg/(m2∙h)赵奇[19]碳基/高分子材料AgNPs＠CC／聚乙烯醇(PVA)多孔复合水凝胶(ACPH)膜88.00蒸发速率：1.66 kg/(m2∙h)魏积蕾[20]双层纤维素水凝胶(DCH)91.40蒸发速率：1.58 kg/(m2∙h)HU[21]等负载石墨烯的无纺布复合材料(PVA-GO)51.00蒸发速率：0.81 kg/(m2∙h)黄金[22]碳基材料煤沥青碳点93.90蒸发速率：2.60 kg/(m2∙h)周浩阳[23]MS@rGO-EO蒸发器97.40蒸发速率：3.47 kg/(m2∙h)苏居文[17]注：数据均在1个标准太阳下得出。碳基材料的光热转换效率均超过90%，金属纳米颗粒Ag/PPy-PMBA-BrIL[15]的蒸发性能则劣于碳基材料，高分子材料表面喷涂聚吡咯的咪唑基PIPs体材料[18]的蒸发效率不突出，但在高浓度盐水中依然可以保持89%的高蒸发效率，说明高分子材料在光热转换过程中受积盐的影响小，半导体材料磷化镍钴(NiCoP)纳米[17]在单一光热材料中的蒸发效率达到98.6%。与单一的光热转换材料相比，复合光热材料具有更优越的光转换性能。复合光热材料利用两种或两种以上光热转换材料，产生协同效应，使蒸发器的光转换率明显提高。金属纳米颗粒存在很强的团聚趋势，容易丧失材料特性，因此在研究中并未大量单独使用，一般与其他稳定材料复合使用。岳东敏[14]通过化学浸镀法制得镍黑光热转换膜，蒸发速率和效率分别为1.266 kg/(m2∙h)和79.88%，使用石墨烯对镍黑膜进行改性，其蒸发速率和效率高达1.62 kg/(m2∙h)和105.57%，因为复合转换膜能够有效结合碳基材料的宽吸收带与金属材料等离子体共振效应的特点，加入石墨烯使蒸发器表面出现层状结构，覆盖更大的太阳辐射吸收范围。2.2导热热损2.2.1基底层隔热设计选用低导热系数的材料作为蒸发器基底层可直接减少导热热损。高分子材料具有良好的耐腐蚀性、较高的机械强度和保温性能，被广泛用作基底材料。李元臻[24]以卷烟过滤头为原料制成蒸发器基底材料，材料具有超亲水性，为垂直排列结构，导热系数低，为0.073 3 W/(m∙K)，能够保证充分的水传输和良好的隔热性能。结果表明，利用CF制成的蒸发器在1个标准太阳下的蒸发速率达到1.623 kg/(m2∙h)，蒸发效率达到94%。何静娴[16]制备了一种改性的交联芳香族多孔聚合物泡沫(PPy-M-PDVB-PS)用作基底材料，具有的高开孔结构和有机物构成，可以将材料的导热系数降至0.033 W/(m∙K)。2.2.2输水过程的热损蒸发器既要求供水充足，又要保证良好的隔热性，但如果加强蒸发器供水，势必会强化表面的热量向下传导，难以形成局域高温。植物的特殊结构同时符合这两个要求。ZHU[25]等利用表面碳化的天然木材研制双层结构的蒸发器。天然木材具有大量孔隙结构，可以实现水的快速运输和蒸发，导热系数较低，约为0.2 W/(m∙K)。结果表明，天然材料制成的蒸发器可以实现约99%的高光吸收率，在10个标准太阳下蒸发效率达到87%。ZHANG[26]等发现，玉米秸秆具有独特的管束结构，可为光热层提供充足水分，秸秆内存在大面积蜂窝状封闭微空腔，空腔中充满空气，使基底层的低导热系数仅为0.042 W/(m∙K)。结果表明，双层玉米秸秆蒸发器在1个标准太阳下的光吸收率高达91%，蒸发速率可达1.497 kg/(m2∙h)，蒸发效率达到86%。FANG[27]等设计了一种以水稻秸秆为主体的界面蒸发器，水稻秸秆作为蒸发器的支撑主体，具有快速输水、高稳定性和高机械强度的性能，蒸发器在1个标准太阳下的蒸发速率达到1.27 kg/(m2∙h)，蒸发效率达到75.8%。2.3对流热损对流热损主要发生在蒸发器表面与周围空气之间，大部分蒸发器的光热层和蒸汽产生位置处于同侧，隔离光热层周围的空气也会阻止蒸汽的通道，因此有关减少对流热损的研究较少，但是也有学者做出了一定的突破。XU[10]等将蒸发器光热层两侧解耦，前侧用于吸收太阳光，背侧用于生产蒸汽，并在前侧安装了高透过率、低导热系数的气凝胶用于抑制对流热损。NI[28]等在蒸发器顶部安装了透明的气泡膜，测得气泡膜的太阳能透过率为80%，虽然气泡膜减少了吸收器表面的太阳能传输和吸收，但对流热损比黑体蒸发器减少53.8%。3蒸发器的抗盐性能优异的蒸发性能是蒸发器高效工作的重要保障，有效的抗盐特性决定了蒸发器的稳定性。蒸发器无法进行有效抗盐时，盐分容易堆积在蒸发器表面或堵塞输水管路。前者会减少蒸发器吸光面积，降低光转换率；后者会使输水管路变窄甚至堵塞，无法将海水正常运输至光热层，难以将光热层内高浓度海水运输回水域，从而加剧了表面积盐现象，导致蒸发器难以持续工作。学者们提出了多种抗盐方法，包括选用离子排斥材料、依赖盐的溶解、盐分定点析出、创建疏水表面。3.1选用离子排斥材料在界面蒸发器中，选择具有抗盐功能的材料可从源头上阻止或减少钠离子等物质进入蒸发器。李洁[29]等制备了一种抗盐沉积的还原氧化石墨烯(rGO)膜用于蒸发器，对水合盐离子具有良好的阻隔作用。在高浓度的盐水中(5 wt%)工作时，蒸发器在40 h内无积盐现象，并能保持良好的蒸发性能。蔡超杰[30]以硅藻土和导电油墨EL-P3040制备了一种复合光热材料，利用硅藻土对盐离子的阻挡作用，阻隔盐离子在蒸发器表面堆积。实验表明，蒸发器在高盐度(NaCl，25 wt%)的工况下连续工作10 h，表面无积盐现象。雷小娟[31]制备了一种甲壳素/聚合巴胺复合水凝胶蒸发器，聚电解质水凝胶中的带电基团通过离子排斥实现高效阻盐的目的，甲壳素基体中大量的乙酰氨基可排斥海水中的阳离子和捕获海水中的阴离子，在甲壳素和水凝胶的双重作用下，避免了盐分在蒸发器表面的聚集。3.2依赖盐的溶解海水浓度是盐分析出的影响因素，光热层的海水浓度饱和时，盐分会在蒸发器表面析出，许多学者从降低蒸发器内海水浓度的角度解决积盐问题。周浩阳[23]以煤沥青碳点为光热剂，均匀组装在垂直排列的醋酸纤维表面，得到界面蒸发器。工作时，水分在毛细作用下沿着每一根纤维连续向上运输，使蒸发器表面的海水浓度无法达到饱和点，盐分无法析出。结果表明，该蒸发器在20 wt%的高浓度盐溶液中依然可以稳定运行，并且无盐析出现象。魏冬媛[32]研制了一种超交联多孔离子聚合物基光热转换材料，材料的多孔结构形成了互相连通的水传输通道，可以快速持续地向蒸发器表面补充水分，减少了盐的析出和聚集。结果表明，产出的淡水中Na+、Mg2+、K+和Ca2+的浓度分别显著降低至2.86 mg/L、0.547 mg/L、1.06 mg/L和1.57 mg/L。3.3盐分定点析出根据晶核生长规律控制盐结晶位置，不仅可实现盐的收集，还能避免高浓度海水流回水域。WU[33]等设计了一种锥形太阳能蒸发器，使盐分只在锥顶析出，积累的盐在重力作用下从蒸发器表面滑落，离开蒸发器表面，在1个标准太阳和25 wt%高浓度海水的条件下，蒸发器的蒸发效率可达96%。LI[34]等利用咖啡圈效应设计了一种由中心向外毛细布局的蒸发器，由于边缘水供应少易产生积盐，悬浮盐分颗粒沿边缘高度集中，呈环状沉积。在户外光照连续运行15 d，蒸发器中心无明显的盐累积，蒸发器可正常工作，实现了盐和水的双重收集。SHAO[35]等制作了一种T形结构蒸发器，工作时盐会沿着蒸发器边缘析出，不会影响蒸发器表面对太阳光的吸收，装置能够连续稳定运行60 h以上。3.4创建疏水表面创建疏水表面可以阻隔盐水进入光热层，避免盐分在蒸发器表面结晶。ZHANG[36]等设计了疏水大/中孔碳纳米纤维膜(HPCNF)，HPCNF防水性能优异，水被限制在HPCNF膜与亲水性织物之间。结果表明，蒸发器在海水浓度20 wt%、2个太阳光条件下也能保持稳定的蒸发速率，且在6 h后的蒸发速率高于黑色介孔碳纳米纤维膜。ZHANG[37]等设计了一种Janus光热三聚氰胺海绵(JPMS)，由疏水耐盐层和由上至下的光热和光催化复合层组成。JPMS表面的顶部疏水聚二甲基硅氧烷层防止盐沉积和抗氧化，JPMS底部提供了连续的水供应，防止JPMS表面的盐堵塞，JPMS的蒸发效率为93.54%。4界面蒸发的拓展应用4.1水电联产太阳能界面蒸发器可以实现水电联产，为淡水、电力资源匮乏的偏远地区提供可行方案。常见的太阳能界面蒸发器水电联产系统主要通过两种方式产生电能，一种是将蒸发器与热电模块相结合，蒸汽的冷凝潜热被热电模块热端吸收，冷端处于外部环境，二者之间形成的温度梯度可用于热电模块发电，实现水电联产[38]。另一种方法将蒸发技术与盐浓度梯度结合，蒸发器运行过程中，水体形成一定盐浓度梯度，离子从高浓度向低浓度转移，从而产生电势。HAN[39]等制备了一种具有多环共轭结构的4OCSPC材料，具有较高的光利用效率和光热稳定性，并在此基础上设计了界面蒸发器的发电装置。结果显示，在1个标准太阳下该发电装置的最大输出电压为204 mV。YANG[40]等设计了一种经改性的滤纸和Nafion薄膜相复合的系统，结果表明，在1个标准太阳下，系统蒸发效率可达到75%，采用基于一块碳纳米管改性滤纸和商用Nafion膜的混合系统，在1个标准太阳下获得了近于1 W/m2的额外电力。4.2医用除菌在医疗领域，大部分医疗器材利用高压釜进行高温蒸汽灭菌。在缺乏完备的灭菌设施的地区，太阳能界面蒸发器可产生高温蒸汽杀灭病菌且造价低廉，提供了标准杀菌消毒的方法[41]。太阳能界面蒸发器与低功率加热电器耦合可产生高温蒸汽进行灭菌。李金磊[42]基于界面蒸发技术提出了光热蒸汽灭菌系统，结果表明，系统可在8.4 min内完成一次消毒循环，且蒸汽灭菌效率可达99.9%，超过食品和医疗部门要求的灭菌效率。5结语文中综述了太阳能界面蒸发器减少辐射热损、导热热损和对流热损的策略和研究进展，介绍了常见的4种抗盐方法（材料对离子的选择性排斥、依赖盐的溶解、盐分定点析出、创建输水表面），并概述了界面蒸发在水电联产、医用除菌上的拓展应用。目前，太阳能界面蒸发器还存在着一些难以解决的问题：第一，从蒸发器的热管理角度分析，蒸发器上表面与周围空气间的对流热损难以忽略，热对流损失会减小蒸发器的蒸发速率和蒸发效率。虽然现有技术利用保温材料减少对流热损或回收潜热，但是这方面的研究相对较少，热管理理论不够完善。第二，太阳能界面蒸发器在真实水源环境下工作时，机械强度、产水量不稳定。蒸发器在真实的工作环境中，不仅会受到温度、湿度、光照强度等因素的影响，还会受到海水中多种离子的侵蚀影响，这些因素都导致蒸发器在真实环境下的运行情况和实验室测试存在差异。第三，太阳能界面蒸发技术产水量逐渐增加，但是仍存在系统产水量低的问题，使技术处于实验室阶段，难以推广到市场。未来研究可以通过增大光热转换率、回收蒸汽的凝结潜热的方法突破产水理论值。