太陽能光熱蒸發材料及其在海水淡化中的應用

張方方 青島水務碧水源科技發展有限公司

太陽能被公認為在所有可再生能源中存量最為豐富的一種。每年能夠抵達地球表面的太陽能量大約為3.4×1024J，如果能夠充分有效的把這部分太陽能量利用起來，能夠大大的緩解石油和天然氣在全球范圍內的供求問題，另外還能緩解石化燃料在燃燒過程中排出來的碳、氮和氣溶膠的氧化物導致的大氣污染和全球變暖到的問題。隨著全球范圍內不斷膨脹的人口，淡水資源的匱乏越來越引起人們的關注。人類的生存離不開淡水資源，但是從總體上看地球的淡水資源數量少，僅占全球水資源的2.53%。而且這些淡水資源還主要集中在南北兩極這兩個人類密度最小的地區，真正能夠被人類使用的淡水僅僅占據全球淡水資源的0.3%。為了能夠有效的對全球淡水資源匱乏問題進行解決，最直接也是最有效的方法是對海水進行有效淡化。傳統使用的淡化海水的技術都是多效蒸餾（ME）、多級閃蒸（MSF）等這類能耗高、設備容易出現故障、設備整體需要高投資等技術。為了有效的規避這些問題，近幾年科學家提出了體積式和浮動式利用太陽能淡化海水的辦法。浮動式太陽能淡化海水方式中使用到的淡化裝備的核心部件是光熱蒸發材料，其性能對光熱轉換效率有著巨大的、直接的影響，因此為了保證光熱轉換效率，所使用的光熱蒸發材料需要具有如下特斯安：強吸收光性能、強水傳輸性能、強隔熱性能、高轉換能源效率等。

一、利用浮動式太陽能淡化海水所使用的金屬等離子體光熱蒸發材料

金屬等離子體光熱蒸發材料能夠對太陽光增大吸收，加熱局部，從而達到進一步對太陽能光能轉換效率提升的目的。在三維多孔膜中融入鋁納米粒子，制備成了一種具有高頻帶、高效率等優點的鋁基等離子體材料。該材料的離子體結構由納米孔陽極氧化鋁膜、緊密堆積的鋁納米粒子、鋁膜三部分構成。這種多孔鋁基等離子體材料能夠在水面上自主漂浮，能夠吸收高達96%的200～2500nm 波長的光，并把收集到的光能聚集在水面上，轉換太陽能的效率極高。還有一種新型的等離子體材料是在天然木材的三維介孔基體中均勻地沉積細小的金屬納米粒子。這種等離子體材料把金屬納米粒子所具備的等離子體效應和木材機體中微孔通道所具有的波導效應充分的發揮出來，吸收光的能力高達99%[1]。

二、利用浮動式太陽能淡化海水所使用的炭基光熱蒸發材料

淡化海水的過程中使用金屬等離子體材料的成本十分高，炭基光熱蒸發材料具有價格低廉、容易獲得、吸收光性能良好的優勢，具有廣大的發展前景。在泡沫碳上負載石墨顆粒制備成雙層結構的一種光熱蒸發材料，該材料的表面積大概320m2/g，如果光照在10kW/m2下，能夠轉化85%的太陽能。該材料把石墨顆粒所具有的寬帶光吸收特性和泡沫碳所具有的隔熱性能充分發揮出來實現熱局部化，因此，海水到達材料表面的途徑是通過絕緣泡沫的親水孔道。如果光功率較低，為了對轉換太陽能的效率進一步提升，可以采取對碳泡沫中水的流速和熱的局部化進一步減少、對孔隙率進一步優化、對各層厚度進一步優化等措施。石墨烯之所以被公認為最佳的炭基光熱蒸發材料的候選材料，主要是因為其具有摩爾比熱低、德拜溫度高、光吸收帶寬、化學摻雜熱導率可調等優點。但是，石墨烯在傳輸水方面受到自身二維平面特征和疏水性不好的影響。Ito 等在石墨烯里面摻雜氮，有效的改變了石墨烯泡沫自身的潤濕性能。摻雜了氮的石墨烯泡沫是一種整體開孔結構，實現了熱局部化的有效提升，其轉換太陽能的效率大概為80%。Li 等在2017 年利用三維打印技術首次構造具有凹面結構一種的三合一蒸發器，該中太陽能光熱蒸發材料的孔隙率高達97.3%、吸收高效寬帶太陽光的能力高達97%。3D 打印多孔蒸發器的導熱系數低，能夠實現熱量的有效局部化，能夠對散熱問題進一步緩解[2]。

三、利用浮動式太陽能淡化海水所使用的有機——無機納米復合光熱蒸發材料

在淡化海水的過程中使用合成有機——無機納米復合光熱蒸發材料能夠對生產成本進一步降低。聚氨酯海綿材料具有吸引力強、微孔孔隙、隔熱性能良好、擴展容易等優點，被廣泛的應用在工業上。在二甲基甲酰胺氧化石墨烯的分散體系中使用二異氰酸酯、聚醚和聚乙二醇進行直接反應，形成了還原的氧化石墨烯也就是聚氨酯納米復合材料，然后再經過高溫發泡和化學還原。在制備有機－無機納米復合材料的時候使用改性氧化石墨烯片材，能夠提高材料的穩定性。有機－無機納米復合泡沫受到功率為1kW/m2和10kW/m2太陽光輻照的時候，轉換太陽能的效率為64%和81%。如果在制備氧化石墨烯－纖維素酯膜的時候使用的交聯劑為聚乙烯亞胺，在功率為1kW/m2太陽光輻照的時候，石墨烯氧化物－纖維素酯雙層體系轉換太陽能的下效率為52%，該材料的優點為成本低、可重復使用等[3]。

四、結束語

浮動式太陽能淡化海水具有制備簡單、高效、便捷等諸多的優點，在淡化海水領域就有巨大的發展潛力。現階段，在太陽能淡化海水領域中使用了各種各樣的光熱轉換材料，不同的材料具有差異性的優勢和缺點，因此需要針對光熱轉換材料在淡化海水性能方面的優點進行深入的研究。另外，還需要深入的研究在淡化海水的過程所使用到的浮動式太陽接收器受到熱力學和傳熱學的影響，這樣才能更好的理論聯系實踐。最后，還要深入的研究利用浮動式太陽能淡化海水方式在使用過程中的實際耐鹽性以及在實際自然環境中的穩定循環性。