第一作者：Zhangxin Wang
通讯作者：Menachem Elimelech, Shihong Lin
通讯单位：Yale University，Vanderbilt University
研究背景：
近年来，人们对开发太阳能热脱盐(STD)系统产生了极大兴趣，尤其是太阳能驱动的界面蒸发系统。在这些系统中，产生热水有三种方法:(i)将太阳辐射转化为热能，(ii)利用产生的热能产生蒸汽，(iii)将蒸汽冷凝成水。这一领域的大部分研究工作都致力于开发高性能的光热转换材料，同时系统设计也受到越来越多的关注。
尽管在发展新材料和配置方面做出了很多努力，但在定量理解这些创新如何转化为STD性能的整体增强方面仍然存在知识空缺。尤其是大多数报道的研究集于太阳辐射下的蒸汽生成，虽然蒸汽生成是STD的重要组成部分，但如果没有有效的冷凝以及对冷凝潜热的有效收集，就无法实现高性能的STD。因此,需要一个系统的框架来量化不同策略对于增强STD系统的效率以及分辨出实现高性能STD的最有效策略。这对于评估具有不同材料、设计和实验条件的STD也是很有必要的。
研究内容与亮点：
太阳能热脱盐(STD)是一种潜在的低成本且可持续的方法，可以在缺乏水和能源基础设施的情况下提供高质量的淡水。尽管最近通过改进吸热材料和系统设计来促进STD的发展，但使得STD性能最大化的最佳策略仍不清楚。
1. 本工作确定了蒸馏性STD的三个主要步骤:(i)光能转化为热能，(ii)热蒸汽生成，(iii)蒸汽通过冷凝转化为水。利用比产水率（SWP）作为能源效率的量化指标，发现了有效回收冷凝潜热对STD性能的提高至关重要，因为太阳能蒸汽的产生已经达到了性能极限。同时也证实了STD在能源效率上无法与光伏反渗透海水淡化抗衡。
2. 除能源效率外的其他因素的重要性，包括成本、易于维护和适用于高盐水域。
图文快解：
1. 决定STD系统的关键因素
图1
图1为STD系统的控制方程，它适用于所有STD系统，而不考虑具体的系统设计。它提供了一个清晰的理论和定量的框架来理解用SWP量化的STD系统的整体性能，可以通过提高三个重要转换过程的性能来增强：①将太阳辐射转化为热能，②利用热能产生蒸汽，③将蒸汽转化为水。这三种转换过程的效率分别由太阳吸收率(α)、热效率(h t)和GOR来量化。
2. 高光热材料转换效率
为了获得高的SWP，必须有一个高吸收率的太阳能吸收率(α)，这些材料应该像黑体一样，吸收几乎所有的入射辐射，几乎没有反射和透射。碳纳米材料和等离子体纳米粒子被广泛认为是高效的太阳能吸收材料。
图2
除此之外，图2介绍了太阳能吸收器的设计原则和典型例子。 (A)天然木材的太阳吸收(深蓝色虚线)和吸收太阳辐照度(实橙色区域)光谱与波长的函数。透明的橙色区域代表全球太阳辐射光谱。(B)以碳质材料为基础的太阳能吸收器，包括氧化石墨烯薄膜、碳纳米管阵列和碳化木材。(C)等离子体材料，由铝纳米粒子(AlNPs)和金纳米粒子(AuNPs)制成。等离子体材料具有极高的太阳吸收率，这是由于尺寸分布的纳米粒子使表面等离子体发生局域共振所致。(D)其他发展的太阳能吸收器的例子，包括填充多巴胺的细菌纳米纤维素和黑色二氧化钛纳米薄膜。(E)太阳能吸收率(α)的选择材料。蓝色柱表示吸光度值。
3. STD系统的热管理策略
图3
图3(A)显示了STD系统的能量平衡示意图。黄色箭头表示吸收的太阳通量；三个红色箭头表示传导、辐射和对流的能量损失；蓝色箭头表示有效蒸发水的能量。我们将热效率(h t)定义为利用光热转换产生的热量进行水分蒸发的效率。基于STD性能的控制方程，高的h t要求获得高的SWP，因此必须实施有效的热管理来尽量减少潜热损失。一种最常见的热管理方法是通过将盐溶液和吸热器之间的直接接触最小化来减少对进料盐水的传导热损失，可以通过使用亲水的“wicks”将水输送到多孔的太阳能吸收器来实现 (图3B)。另一种有效的热管理策略是使用选择性吸收体，最大限度地减少热辐射对空气的热损耗(图3C)。
4. STD系统能量平衡分析
图4
为了进一步阐明这些热管理策略的重要性和太阳能吸收率和系统配置对热效率的影响，通过考虑热辐射、对流换热、给水传导传热以及由于水蒸发的传热对不同配置的稳态系统进行了能量平衡分析，如图4所示： (A)具有完美隔热的有限非选择性吸收体，(B)具有完美隔热的有限选择性吸收体，(C)无灯芯的无限选择性吸收体和(D)无灯芯的无限选择性吸收体。
5. 有效回收潜热的迫切需要
上述分析表明，利用太阳热能产生蒸汽的效率可能是有限的，这主要是由于潜热损失破坏了蒸汽产生的热效率。相反，从STD系统的控制方程中我们可以看到，通过提高GOR来提高SWP的机会明显更大。GOR粗略地量化了潜热被重复利用的次数，对于设计良好、设施规模的热脱盐系统，可以达到15次以上。图5 将用几个例子来说明工程热脱盐系统是如何与太阳能热收集器相结合来构建具有非常高SWP的STD系统的。(A) 由太阳光驱动的MSF蒸馏(左)和MED。(B)带有外部太阳能加热器的AGMD(左)和集成到膜组件或膜组件上的太阳能加热器的AGMD(右)。 (C) GOR和太阳能蒸汽发电效率(αh t)对SWP的影响。
图5
6. STD系统的固有限制
虽然SWP可以通过最大限度地利用潜热来提高GOR而得到显著改善，但无论STD如何优化，都不可能是利用太阳能进行海水淡化的最节能方式，因为热脱盐过程本质上能量效率低于RO。如图6所示，表示了热脱盐系统和非热脱盐系统的太阳能利用效率和单位能量消耗（SEC）。
图6
结论与展望：
1. 在这篇综述中，提出了评估SWP的定义，即太阳能淡化系统单位面积单位时间的产水量。同时证实了SWP取决于如何有效地利用太阳能来产生蒸汽和在多大程度上回收潜热。大多数现有的关于STD的工作集中在通过提高太阳能吸收剂的吸收率(α)和汽化热效率(h t )来提高太阳能利用效率(hs)。目前为止，hs值已经在先进的STD系统中达到90%以上。然而，hs的进一步改进的潜力非常有限，因为hs (=αh t)的上限为100%。因此，未来新型太阳能吸收材料的发展应着眼于使用可持续的材料，降低成本和环境影响，而不是推动太阳能利用效率的极限。由于现有的太阳能吸收体已经达到了90%以上的吸收率，因此，只有当新型的太阳能吸收体价格更低、对环境更具可持续性时，才能证明其合理性。
2. 对于简单、单级、无热回收的STD系统，在设计有效的蒸发控制系统时应给予足够的重视。如果不能实现有效的冷凝，就会降低太阳能利用的效率。因此，需要开发更简单和更经济的潜热回收措施，以大幅度改进小型STD系统的SWP，从而提高GOR。
参考文献：
Wang, Z., Horseman,T., Straub, A. P., Yip, N. Y., Li, D., Elimelech, M., & Lin, S. (2019).Pathways and challenges for efficient solar-thermal desalination. Scienceadvances, 5(7), eaax0763.
个人感悟：
本篇综述视野广泛，宏观地从影响太阳能热脱盐的因素中，探索其对太阳能热蒸馏性能的影响。首先从材料开发和系统设计的角度，批判性地讨论了设计一个有效的STD系统的基本原则，并且提出了分析STD系统性能的通用公式。根据该公式中对于提高热效率的各项因素进行分别的讨论，提出了最大限度地进行蒸汽蒸发的不同热管理策略以及潜热回收的重要性，从而达到显著提高STD系统效率的目的。文章的最后总结了提高STD系统效率的有效途径，并从设计STD系统的实践和经济方面进行了总结。本篇综述中我们可以提炼到关于热管理及如何提高热转换效率的一些理论依据，对于我们太阳能光热转化的膜蒸馏过程提供了坚实的理论基础。（感谢硕士生武慧同学根据期刊Science Advances相关文章撰写了这篇阅读报告推送，同时也非常感谢硕士生张功博同学对该推送稿件的校阅！）
注：本文章转载自大工环境膜技术，不代表本网观点立场。
