CEJ 太阳能驱动界面水蒸发用于废水净化的最新进展和挑战随着科技的进步和社会的发展，人类面临着巨大的淡水短缺压力。各种成熟的技术，包括蒸馏、离子交换、电渗析、反渗透、纳滤以及其他重要的净化海水和废水的方法，然而这些技术的实际应用受到大量设备成本、高费用和显著能耗(5- 8kw /m 3)的限制。太阳能驱动的水蒸发利用了丰富的太阳能资源，是一种很有前途的从海水或污染废水中制取清洁水的方法。在早期阶段，太阳能驱动的水蒸发技术涉及将光热材料浸入并悬浮在水体中，但这些方法极大地限制了光热材料的光捕获能力。此外，与这些过程相关的大量热损失大大降低了太阳能的有效利用。

　　为了应对上述挑战，太阳能驱动的界面水蒸发(SIE)由于其将太阳能热能转移到水-空气界面的能力而引起了极大的关注。这一过程有效地将热量限制在蒸发层表面，最大限度地减少了热量损失，显著提高了水的蒸发效率。迄今为止，各种具有有效光吸收性能的光热材料，包括碳基材料、等离子体金属和其他无机材料，已经被广泛研究用于有效光热转换。合理优化太阳能蒸发器结构设计，改进光/热管理，调节水的形态，显著提高了水的蒸发性能。太阳能蒸发器的设计具有以下基本特点：(1)优异的光吸收能力：有效地吸收整个太阳光谱的能量并将其转化为热量，在水-空气界面产生清洁的蒸汽。(2)低热损失：利用环境能建立冷蒸发界面，努力防止散热量向散装水散失，优化SIE的热利用。(3)有效的输水能力：亲水性太阳能蒸发器向蒸发表面提供连续的输水，促进了水净化过程中有机污染物与催化剂之间的相互作用。此外，水的蒸发速率也受到太阳能蒸发器结构中水形态的限制。

　　河海大学环境学院敖燕辉教授团队回顾了基于各种光热材料的先进SIE系统的设计策略，重点介绍了用于水净化的太阳能蒸发技术的最新进展（图1）。

　　首先，介绍了几种具有高光热转换能力的光热材料。随后，对光吸收和能量管理等优化策略进行了详细的分析和总结。更重要的是，重点介绍了双功能蒸发器净化几种典型废水的机理和最新进展。最后，强调了SIE系统在废水处理中的局限性，并提出了对未来的展望。

　　图2：(a)剥离石墨层和碳泡沫组成的双层结构图。(b)双功能TiO2-Au-AAO膜示意图。(c)制备的二硫化钼纳米花的SEM图像。(d) MXene Ti3C2排列MXene气凝胶光热转换应用示意图。(e)电化学沉积法制备界面加热光热转换膜示意图

　　图4：激光扫描共聚焦显微镜(a)三维LPE和(b)二维膜。(c)充满水的蒸发器表面照片和带有三维微通道的蒸发器表面示意图

　　图5：(a)太阳光谱辐照度(am1.5)。(b)黑金膜两步阳极氧化工艺示意图。(c) rGO和rGO- mwcnt光热层示意图。(d)二维盘状结构和三维杯状结构的漫反射和热辐射路径方案

　　图6：(a)泡沫碳保温层示意图；(b)双层结构在10 kW m-2太阳辐照下的太阳能蒸汽生成图。(c)环境能增强界面太阳能蒸汽发生器示意图。(d) 3D GO秸秆蒸发器的优点。(e)采用高导热支架的蒸发器示意图和(f) 1.0太阳照度下的蒸发速率比较

　　图7：(a)基于聚乙烯醇和聚吡咯的分层纳米结构凝胶太阳能蒸发器。(b) UiO-66-COOH中一个水团簇内以及水团簇与羧基之间氢键的分子动力学模拟。(c)表面图案水凝胶太阳能蒸发器的示意图。(d)大块水与cu -水界面的界面蒸发过程

　　图8：(a)基于TiO2的双尺度多孔光热/光催化膜168体育。(b)水和VOCs在聚合物膜上的选择性蒸发过程。影响(c) PMS和(d) PDS激活的因素。(e) Co-NC/CF膜用于太阳蒸汽生成和过硫酸盐介质水净化的示意图。(f)装载金属颗粒的木质光热蒸发器在高浓度混合VOCs废水净化中的应用。(g)自调节太阳能蒸汽发生器现场去除挥发性有机化合物示意图

　　图9：(a) MXene水凝胶膜集成太阳能驱动水蒸发和水净化。(b)环境能增强型太阳能蒸发器处理前后重金属离子浓度。(c)具有处理重金属离子能力的三维人工蒸腾装置示意图。(d)多孔亲疏水/疏水纤维素石墨烯气凝胶净化重金属废水机理图

　　与其他传统的海水淡化和水净化方法相比，SIE技术具有可持续性和高能效。在能源短缺和环境污染的双重考虑下，利用丰富的太阳能生产清洁水具有广阔的应用前景。总结如下：

　　(1)太阳能蒸发器界面反应位点不足，导致VOCs运输路径短，无法有效捕获原位VOCs。因此，所设计的蒸发器必须具有合适的孔隙结构。

　　(2)太阳能蒸发系统通过物理吸附机制净化废水时，积累在太阳能蒸发器上的污染物会阻碍光的吸收，降低效率。在这种情况下，物理吸附可以与催化降解相结合，以更有效地去除污染物。

　　(3)目前的研究大多集中在净水的收集上，而原水中的有机污染物在SIE过程中会被集中，会造成更大的问题。因此，有必要开发合理的设计方法，包括吸附、光催化降解、高级氧化以及与SIE的Fenton/Fenton-like偶联等，使蒸发器表面产生的ROS能够用于原位处理有机污染物并产生清洁水。

　　(4)迄今为止，SIE在处理高浓度复杂水体方面面临着极大的挑战。在实际的工业水体中，如何设计高效的SIE系统来实现高效的污染物去除是我们应该关注的重点。

　　(5)虽然SIE已被证明是一种生产清洁水的有前途的策略，但实际太阳光照(通常只有0.6太阳)驱动的蒸发效率往往不高。因此，为了提高光热转换效率，SIE技术需要具有更高透光率的冷凝水收集装置。

　　(6)虽然采用了3D蒸发器来提高蒸发速率，但蒸发面积等参数需要明确。此外，现有研究中计算能量转换效率的重要参数不够明确。此外，由于不同工程的试验条件不同，因此不容易对这些SIE系统的效率进行比较。一些环境因素如温度、湿度、空气对流流量等对太阳能蒸汽的产生有显著影响，因此应明确规定标准实验条件。

　　(7)虽然已有研究表明界面蒸发具有很大的优势，但当蒸发器含水过多时，传热损失增大，影响蒸发速率。在这种情况下，合理设计吸收器，例如建造独特的疏水核/亲水壳结构，其中只加热薄层水，避免加热多余的水，被认为可以大大提高蒸发速率。

　　(8)在三维太阳能蒸发器的设计中，吸收器表面温度随着光强的增加而升高，这必然导致顶部蒸发面能量损失的增加和侧面环境能量增益的减少。未来可以合理设计高表面体积比的新型材料，降低蒸发器的表面温度，从而提高其在高光强下的蒸发速率。