丁 倩, 鄧炳耀, 李昊軒
(1. 江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 無(wú)錫 214122; 2. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院, 上海 201620)
面對(duì)日益嚴(yán)重的淡水資源危機(jī)以及實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo),如何付出最小成本持續(xù)獲取淡水成了很多研究的重點(diǎn)[1-3]。而太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)技術(shù)是將吸收的太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成熱能,并作用于液-氣界面,實(shí)現(xiàn)光-蒸汽轉(zhuǎn)換效率的大幅度提高,有望成為極具潛力的海水淡化新途徑[4-6]。這種不占用陸地面積,僅利用太陽(yáng)光和海水即可實(shí)現(xiàn)持續(xù)地生產(chǎn)淡水且零碳排放的技術(shù),必將在碳中和、碳達(dá)峰的大背景下受到重點(diǎn)關(guān)注與研究[7-8]。然而,這項(xiàng)技術(shù)仍然存在蒸發(fā)速率偏低、蒸汽收集困難以及抗生物沉積能力弱等問(wèn)題的挑戰(zhàn)。
光驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)系統(tǒng)通常由吸收體、漂浮體以及收集裝置組成。要實(shí)現(xiàn)高效的光-蒸汽轉(zhuǎn)化,這就要求:吸收體必須具有出色的光熱轉(zhuǎn)換性能且不能與水體直接接觸;漂浮體能夠?qū)⑺\(yùn)輸?shù)秸舭l(fā)界面,使界面蒸發(fā)速度與輸送到吸收體的水量達(dá)到平衡,并具有出色的熱管理能力;輕質(zhì)和高透光的收集裝置。隨著研究的深入,眾多學(xué)者提出了很多新材料和新結(jié)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)較高的蒸發(fā)速率,同時(shí),拓展了很多新應(yīng)用,如海水淡化、污水處理、濕度調(diào)節(jié)以及海上生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建等。然而,該領(lǐng)域仍存在很多問(wèn)題亟待解決:如何進(jìn)一步提高蒸發(fā)速率;如何解決蒸汽收集問(wèn)題;如何通過(guò)基礎(chǔ)研究來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化界面處太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換、能量傳輸、質(zhì)量傳輸和蒸汽擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)的耦合,以便能夠更深入地理解蒸發(fā)所涉及的過(guò)程等。
近期國(guó)家發(fā)展改革委印發(fā)的《海水淡化利用發(fā)展計(jì)劃(2021—2025年)》中指出,2025年全國(guó)海水淡化總規(guī)模達(dá)到290萬(wàn)t/d以上,并明確鼓勵(lì)示范將太陽(yáng)能等可再生能源用于海水淡化,光驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)的研究必將迎來(lái)新的熱潮。基于上述背景,本文對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于光驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,重點(diǎn)總結(jié)纖維基蒸發(fā)器在界面水蒸發(fā)領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)以及傳統(tǒng)紡織材料在新型領(lǐng)域中所發(fā)揮的獨(dú)特價(jià)值,并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。
過(guò)去幾年世界各地的研究小組通過(guò)嘗試各種方法,例如光熱轉(zhuǎn)換材料的選擇、漂浮結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、熱學(xué)管理以及低維水通道的創(chuàng)新等,極大地提高了光-蒸汽轉(zhuǎn)換效率。光驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 光驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Scheme of solar steam generation system
光熱轉(zhuǎn)換材料是決定蒸發(fā)性能的關(guān)鍵因素之一[9-10],而碳材料因成本低廉,光吸收好,穩(wěn)定性優(yōu)異等特點(diǎn),是迄今為止太陽(yáng)光-蒸汽轉(zhuǎn)化的主要吸光材料之一(200 nm~200 μm的寬光譜范圍內(nèi),具有98%~99%的幾乎恒定的光學(xué)吸收),一些由天然物質(zhì)炭化得到的材料[11-12],如天然木材[13]、蘑菇[14]等也具有很好的光吸收性。隨著光-蒸汽轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展,等離激元吸收體也被證明具有高效的光吸收和光-蒸汽轉(zhuǎn)化效率,并已應(yīng)用于蒸發(fā)器中。這是由于一些貴金屬納米粒子如金和銀,會(huì)產(chǎn)生局部表面等離子共振(LSPR)效應(yīng),使顆粒內(nèi)部的自由電子氣體振蕩,從而形成熱能[15-16]。此外,有機(jī)合成小分子因其具有合成簡(jiǎn)單、功能多樣以及穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì),也被越來(lái)越多地應(yīng)用在光驅(qū)動(dòng)海水蒸發(fā)領(lǐng)域。當(dāng)有機(jī)合成小分子受到入射光激發(fā)時(shí),分子會(huì)由基態(tài)轉(zhuǎn)向激發(fā)態(tài),隨后分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)加劇,以非輻射躍遷的形式消耗激發(fā)態(tài)能量,產(chǎn)生大量熱,實(shí)現(xiàn)光熱的轉(zhuǎn)換[17]。選擇吸收體時(shí),要從光熱轉(zhuǎn)換效率、成本以及與漂浮體結(jié)合難易程度等角度考慮。Wu等[18]提出了幾種開創(chuàng)性的樹木仿生設(shè)計(jì):通過(guò)在天然椴木上鉆孔,用加熱板對(duì)椴木上表面進(jìn)行炭化處理的方式,構(gòu)建了人工孔道陣列和無(wú)定形碳層的表面(見圖2(a)),將該仿生設(shè)計(jì)產(chǎn)品置于海水或濕沙中并經(jīng)入射光照射時(shí),其頂部黑色表面充當(dāng)了光吸收劑,可迅速加熱并產(chǎn)生蒸汽。其蒸發(fā)速率在使用60 d后仍能保持在1.04 kg/(m2·h),表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性。除了樹木,蘑菇、草和植物葉也激發(fā)了太陽(yáng)能蒸發(fā)的智能仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并展示了一些最佳性能。考慮到生物質(zhì)材料的品控不穩(wěn)定性,基于天然材料開發(fā)出來(lái)的蒸發(fā)器很難在規(guī)模化生產(chǎn)中保持高度一致性,因此,在未來(lái)的應(yīng)用中可能會(huì)受到一定限制。
漂浮結(jié)構(gòu)也會(huì)影響界面光-蒸汽轉(zhuǎn)換的性能。近年來(lái),漂浮結(jié)構(gòu)得到了快速發(fā)展,從二維的薄膜結(jié)構(gòu)發(fā)展到了三維立體結(jié)構(gòu),而且三維立體結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)不同的形狀,如圓柱、圓錐和樹枝狀等(見圖2(b))。同時(shí)太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)領(lǐng)域仍存在一些亟待解決的問(wèn)題,首先是大多數(shù)蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率較低(平均值約為1.5 kg/(m2·h)),盡管有很多報(bào)道給出了超過(guò)2.0 kg/(m2·h)的高蒸發(fā)速率,但因制備復(fù)雜,不利于規(guī)?;茝V而受限[19-21]。如何提高太陽(yáng)光利用效率,進(jìn)一步增加蒸發(fā)器的淡水產(chǎn)出量,提高單位面積蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率是目前急需解決的難題[22-23]。Xu等[24]利用靜電紡絲技術(shù)制備了雙層納米纖維膜(也稱Janus膜),上層是疏水膜涂層吸收體,下層為親水層。這種Janus膜具有良好的抗鹽析能力,其蒸發(fā)速率達(dá)到1.3 kg/(m2·h),為穩(wěn)定、便攜的界面加熱型太陽(yáng)能海水淡化提供了一種解決方案。這種二維纖維材料在界面蒸發(fā)中仍存在一些挑戰(zhàn),例如:蒸發(fā)界面與海水距離太近,部分熱量會(huì)損耗,造成蒸發(fā)速率偏低的情況。為進(jìn)一步提高蒸發(fā)速率,Wang等[25]報(bào)道了一種三維結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器,新型蒸發(fā)器由一個(gè)基礎(chǔ)蒸發(fā)表面和垂直于基礎(chǔ)表面的翅片組成,翅片數(shù)量可調(diào),旨在構(gòu)建一個(gè)極其高效的光驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)系統(tǒng)(見圖2(c))。在蒸發(fā)過(guò)程中,垂直的翅片極大地提高了有效蒸發(fā)面積,同時(shí)減少了能量損失,該蒸發(fā)器從環(huán)境中獲得能量,并循環(huán)利用基礎(chǔ)表面和垂直翅片釋放蒸汽冷凝潛熱,減少下方能量損失,顯著增加了蒸發(fā)速率。在太陽(yáng)光照射下,裝有4個(gè)翅片的蒸發(fā)器可達(dá)2.53 kg/(m2·h)的蒸發(fā)速率,制作成本也低。太陽(yáng)光-蒸汽轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了理論極限,實(shí)現(xiàn)了100%的光-蒸汽能量轉(zhuǎn)移。蒸發(fā)速率與垂直翅片的數(shù)量成正相關(guān),實(shí)現(xiàn)了蒸發(fā)速率的可控調(diào)節(jié)。這項(xiàng)工作為優(yōu)化能源管理,特別是太陽(yáng)能蒸發(fā)系統(tǒng)的潛熱回收再利用提供了重要策略。
圖2 用于光驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)的幾種常見蒸發(fā)器Fig.2 Several typical evaporator designs for solar steam generation. (a) Photographs showing integrated structure and channel-array design of evaporator; (b) Schematic diagram of 3-D solar steam generation evaporators design concepts; (c) A novel 3-D photothermal evaporator (with vertical fins)
隨著研究的深入,借助外部因素進(jìn)一步提高蒸發(fā)速率的研究越來(lái)越多,如施加對(duì)流和傾斜照射等。文獻(xiàn)[26]率先提出了利用空氣對(duì)流輔助蒸發(fā),其制備的圓柱形漂浮體的高度和直徑分別達(dá)到6和4 cm。蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)中,側(cè)邊施加6 m/s的空氣對(duì)流時(shí),其蒸發(fā)速率可達(dá)10.9 kg/(m2·h),大大超出了理論極限值。然而當(dāng)蒸汽收集裝置罩住蒸發(fā)器以后,空氣對(duì)流很難穿過(guò)玻璃罩而作用于蒸發(fā)器上。不過(guò)這種思路帶給人們啟示:傾斜的光照對(duì)蒸發(fā)性能的影響應(yīng)該被更多地研究。
太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽主要由形狀各異的玻璃罩進(jìn)行收集,然而隨著蒸汽在玻璃罩表面逐漸冷凝,形成的大量水珠會(huì)限制太陽(yáng)光的進(jìn)光量,影響蒸發(fā)器對(duì)太陽(yáng)光的吸收,導(dǎo)致蒸發(fā)器的工作效率逐漸下降。而且很少有研究專門針對(duì)長(zhǎng)時(shí)、高效蒸汽收集裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì),而這又是終端收集淡水的關(guān)鍵。有研究[27]報(bào)道了一種單機(jī)逆變結(jié)構(gòu)接收裝置,實(shí)現(xiàn)了高效集水的同時(shí),保證吸光量不受影響。蒸發(fā)器的頂部是選擇性吸收體,底部是基于疏水納米結(jié)構(gòu)銅的蜂窩狀冷凝器。太陽(yáng)光照射時(shí),頂層吸收體產(chǎn)生熱加熱海水,產(chǎn)生的蒸汽向蒸發(fā)系統(tǒng)底部轉(zhuǎn)移,在蜂窩狀納米銅表面冷凝,并收集淡水。因頂層隔板阻擋,蒸汽不會(huì)在透光面冷凝,避免透光度受影響,其蒸汽收集速率可達(dá)1.063 kg/(m2·h),為穩(wěn)定、規(guī)?;K峁┝艘粭l有前景的途徑。盡管這項(xiàng)研究并未設(shè)計(jì)冷卻裝置,導(dǎo)致蒸汽收集效率較低,仍需進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì),但這種自上而下的蒸汽收集方式很有借鑒意義。另外,超疏水表面處理技術(shù)可應(yīng)用在蒸汽收集裝置內(nèi)壁的設(shè)計(jì)上,減少液滴在蒸發(fā)器表面的停留時(shí)間,可能會(huì)成為解決上述難題的方式之一。
納微米纖維因其獨(dú)特的微尺度和較大的比表面積,使得纖維基漂浮體在光驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)領(lǐng)域中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。利用單根纖維作為加熱體,可以加熱纖維表面的水,降低熱學(xué)損耗,顯著提高光-蒸汽轉(zhuǎn)換效率[28]。此外,纖維基漂浮材料大都基于目前比較成熟的紡織加工技術(shù),如編織、針刺、機(jī)織等。這些技術(shù)已經(jīng)完成產(chǎn)業(yè)化制造,為光驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)的規(guī)?;茝V提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。為了制備具有光熱特性的纖維集合體,很多學(xué)者首先選擇了纖維與無(wú)機(jī)光熱材料復(fù)合的思路。
Zhu等[29]報(bào)道了一種基于針刺非織造布,經(jīng)過(guò)噴涂多壁碳納米管(MWCNT)后,具有出色光熱特性的蒸發(fā)器。其上、下表面分別由親、疏水纖維構(gòu)成,經(jīng)針刺后形成了獨(dú)特的單向?qū)匦?,?shí)現(xiàn)了蒸發(fā)器的漂浮和汲水功能,其蒸發(fā)速率可達(dá)1.44 kg/(m2·h)。值得注意的是,這種蒸發(fā)器的制造成本僅為2.4美元/m2,是目前已有報(bào)道中成本最低的蒸發(fā)器。這種低成本、制備工藝成熟、可漂浮的非織造材料基蒸發(fā)器為光驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)的規(guī)模化應(yīng)用打開了思路。此外,還有一些學(xué)者報(bào)道了碳纖維/棉纖維機(jī)織面料[30]、中空間隔織物/氧化石墨烯涂層[31]以及芳綸織物/活性炭復(fù)合[32]等蒸發(fā)器,為纖維基蒸發(fā)器在光驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論依據(jù)?;诩徔棽牧系恼舭l(fā)器可以很容易被規(guī)模化生產(chǎn),盡管其大都屬于二維結(jié)構(gòu),蒸發(fā)速率偏低,卻是最接近產(chǎn)業(yè)化的蒸發(fā)器。
有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合光熱纖維仍存在一些難以解決的挑戰(zhàn):纖維與無(wú)機(jī)光熱材料結(jié)合牢度不夠,使得蒸發(fā)器壽命較短,且容易導(dǎo)致無(wú)機(jī)材料脫離纖維,造成污染。隨著有機(jī)光熱分子的發(fā)展,特別是唐本忠院士首次提出了聚集誘導(dǎo)發(fā)光的理念,使得大量具有不同性能的光熱分子被報(bào)道,也進(jìn)一步推動(dòng)了純有機(jī)光熱纖維的快速發(fā)展。因有機(jī)分子與聚合物有著天然的相容性,有效解決了光熱劑與纖維結(jié)合牢度弱的短板,發(fā)展?jié)摿Σ蝗菪∮U。
Li等[33]報(bào)道了一種摻雜聚集誘導(dǎo)發(fā)光(AIE)有機(jī)光熱小分子的納米纖維氣凝膠用于光驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)。這種全纖維氣凝膠底部具有良好的疏水性能,能夠很好地漂浮在水體表面,避免了整體加熱導(dǎo)致熱量流失的弊端(見圖3(a))。而頂層則是親水層,同時(shí)通過(guò)親水和毛細(xì)作用,可將底部的水抽吸到頂層并有效鋪展,實(shí)現(xiàn)單根纖維發(fā)熱、加熱纖維表面浸潤(rùn)的水,最大化地提高加熱效率。在功率為1 kW/m2模擬太陽(yáng)光照射下,其蒸發(fā)速率可達(dá)到1.43 kg/(m2·h),蒸發(fā)效率為86.5%,表現(xiàn)出了優(yōu)異的太陽(yáng)光誘導(dǎo)界面水蒸發(fā)性能;并且在1 d的太陽(yáng)光照射下,其蒸發(fā)性能保持不變,展現(xiàn)了較高的使用壽命和抗鹽析能力。
盡管上述直接摻雜的純有機(jī)光熱納米纖維具有出色的太陽(yáng)光吸收并將其轉(zhuǎn)換成熱的特性。然而,有機(jī)分子光熱機(jī)制與纖維性質(zhì)的不相容限制了其光熱轉(zhuǎn)換效率的提高。這是由于組成纖維的聚合物分子鏈段不可避免地限制了有機(jī)光熱分子的運(yùn)動(dòng),從而降低了光熱產(chǎn)出。因此,如何通過(guò)改善纖維中的分子運(yùn)動(dòng)來(lái)提高纖維的光熱效率是一項(xiàng)重要而又具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。Li等[34]報(bào)道了一種巧妙且又通用的策略:通過(guò)同軸紡絲設(shè)備制備以溶解AIE分子的油溶液為芯相、聚合物為殼層的芯-殼結(jié)構(gòu)纖維(見圖3(b))。芯-殼結(jié)構(gòu)中的油相與AIE光熱分子的結(jié)合最大限度地保留了分子的運(yùn)動(dòng),減弱了輻射衰變。結(jié)果表明,這種方法制備的新型芯-殼結(jié)構(gòu)顯著提高了纖維光熱效率,在太陽(yáng)光照射下,其蒸發(fā)速率可達(dá)到1.52 kg/(m2·h)(見圖3(c))。通過(guò)逆向思考,解放分子運(yùn)動(dòng),這項(xiàng)研究所提出的巧妙且通用策略可顯著提高AIE分子在纖維中的光熱轉(zhuǎn)換效率,并為下一代綠色、零碳排放的純有機(jī)光熱轉(zhuǎn)換材料走向?qū)嶋H應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。
靜電紡絲制備的二維結(jié)構(gòu)纖維膜并不適合直接用于光驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā),主要是由于液-氣界面與水體距離太近,熱量損耗過(guò)多,蒸發(fā)速率很低。為解決這個(gè)難題,Li等[35]利用硼氫化鈉水溶液產(chǎn)生大量的氫氣穿過(guò)纖維膜,可將二維納米纖維膜迅速膨脹成泡沫狀全纖維三維多孔結(jié)構(gòu)(AFPCF),且其高度可調(diào)。如圖3(d)~(f)所示,真實(shí)模擬自然太陽(yáng)光,在傾斜照射下,不僅蒸發(fā)器的上表面,其側(cè)面也會(huì)吸收太陽(yáng)光參與蒸發(fā),這就極大地提高了蒸發(fā)器的有效蒸發(fā)面積。高度可調(diào)的AFPCF為研究側(cè)邊輔助蒸發(fā)帶來(lái)了便利,在傾斜模擬太陽(yáng)光照射下,3 cm高的AFPCF的上表面和側(cè)面的溫度分別升高了44.5和39.5 ℃,遠(yuǎn)高于垂直照射下的側(cè)邊溫度,因此蒸發(fā)速率也從垂直照射的2.4 kg/(m2·h)增加到了傾斜照射的3.6 kg/(m2·h),極大地提高了水蒸發(fā)速率。此外,因摻雜的AIE分子不僅光熱轉(zhuǎn)換能力高,還具有出色的活性氧(ROS)產(chǎn)生能力,使得AFPCF表現(xiàn)出優(yōu)越的抗菌性能,有效地防止了生物沉積現(xiàn)象,提高了蒸發(fā)器的使用壽命。
圖3 幾種典型的純有機(jī)纖維基蒸發(fā)器Fig.3 Several typical pure organic fiber based evaporator designs. (a) Schematic of nanofibrous aerogel; (b) Photographs and TEM (inset) image of core-shell fibrous mats; (c) Photograph of AFPCF; (d) IR thermal images of AFPCF
太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)技術(shù)僅利用取之不盡的海水和陽(yáng)光即可實(shí)現(xiàn)海水淡化,為打破傳統(tǒng)高能耗、高碳排放、以陸地資源和寶貴能源換水的格局提供了新思路;為加快實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰的可持續(xù)發(fā)展提供了新的解決方案。特別是纖維基多功能蒸發(fā)器的發(fā)展,讓規(guī)?;?、低成本、高壽命的海水淡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建成為了可能。此外,隨著研究的深入,蒸發(fā)速率還有進(jìn)一步提升的空間,比如:在設(shè)計(jì)蒸發(fā)器時(shí),考慮環(huán)境能量的利用、水蒸發(fā)焓變的降低以及冷凝潛熱的再利用等因素,有望進(jìn)一步提高蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率,甚至可實(shí)現(xiàn)全天候的蒸發(fā)。
盡管,全纖維界面蒸發(fā)系統(tǒng)極具吸引力,但仍然強(qiáng)烈需要長(zhǎng)壽命、大規(guī)??蓴U(kuò)展、穩(wěn)定性好、成本效益高度兼容的光熱蒸發(fā)材料。通過(guò)纖維基蒸發(fā)材料表面工程設(shè)計(jì)以加快蒸發(fā)速率的研究還少有涉及,特別是液滴在纖維表面蒸發(fā)動(dòng)態(tài)特性鮮有研究,需要進(jìn)一步探索。其次,高效蒸汽收集裝置的設(shè)計(jì)仍未解決,是全纖維光驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)系統(tǒng)在海水淡化中的一大瓶頸,而這方面研究卻是少之又少。綜上,學(xué)者們還需對(duì)光-蒸汽轉(zhuǎn)化的機(jī)制以及纖維基蒸發(fā)器、蒸汽收集裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究,才能有效解決上述挑戰(zhàn),加快全纖維光驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)走向?qū)嵱玫倪M(jìn)程。