光热淡化海水

Water, water, every where,(水,水,到处都是水,)

Nor any drop to drink(没有一滴可以喝。)

——Rime of the Ancient Mariner(老水手之歌)

Samuel Taylor Coleridge

Lyrical Ballads, 1798

随着人口增长、全球变暖和环境污染,每一块大陆都在经历着淡水短缺的困境。无法获得清洁、安全淡水供应的人口估计约为18亿,占世界人口的四分之一。另有16亿人口居住的国家缺乏从河流以及含水层中提取水资源的必要基础设施。海水和咸水的淡化似乎是增加供应、解决这些问题的唯一可行途径。

当前,世界各地海水淡化装置的容量为198亿加仑。2015年,全球海水淡化相关产品和服务市场需求预计达到134亿美元。全球有17000多家海水淡化厂,分布在150个国家,为3亿人提供淡水,年增长率约为8%。中东国家一直占据着海水淡化市场的主导地位。然而,淡水短缺在世界各地持续增加,许多国家也都选择安装海水淡化设施。这些脱盐过程主要是能源密集型,且成本高昂。电力的提供主要来自于化石燃料,这又伴随着不利的气候变化以及环境污染。

目前从海水和咸水中提取淡水最熟练的两种方法是通过膜基反渗透(RO)和热蒸馏(TD)进行淡化。采用太阳能和风能可以避免化石燃料使用过程中存在的一些固有问题。有趣的是,这些间歇性可再生方式的电力可看成是电力储存已经峰值需求减小的一种手段。从太阳直接吸收热也可用于驱动TD,但在这种情况下,脱盐过程中,大量的水会被蒸发掉。

降低太阳能驱动TD的能源、环境以及经济成本的另一个引人深思的手段是将太阳产生的热和光吸收局部集中到空气和水的界面处,这个界面处是水的表面自由能和蒸发率最高的地方。

实现表面局部聚光太阳能使水热蒸发及淡化的方法之一是利用光热效应。这可以通过在水面上铺一个宽带隙、高吸收、多孔疏水薄膜来实现,如图所示。光热膜中太阳光子转换成热,对空气-水界面进行局部加热。反过来引起水蒸发,穿过薄膜的孔,可以在淡化装置中温度更低的地方进行冷凝。挑战在于光热材料的设计、多孔膜的结构及其整合。设计需要优化光-热-淡水的转换效率,以及最大限度提高暴露于强烈光照及盐水环境下的复合膜的光化学和机械稳定性。

有趣的是,目前使用的太阳能热水器可以追溯到公元前214年的阿基米德(Archimedes),他采用镜子来加热水。当前,通常采用黑色的材料来吸收太阳辐射,转化成热能,在不同设计、结构和用途的系统中加热水。太阳能集热器中的吸光材料可以是黑色的涂料、金属、半导体,包括铜、铝、铁、硅,通常采用不同的表面纹理来优化太阳能光的吸收。

在表面纹理和光热效应作用下,高的光吸收通过光热效应产生热源,通过焦耳电阻损耗转化成热量。大多数研究对象都是在光波下共振电子的纳米结构材料,称为等离子体,典型的有Cu、Ag和Au。这些金属纳米结构在其等离子共振下的光学激发提供了在纳米尺度上控制温度的一种手段,可通过控制纳米结构的尺寸、形状和结构来控制温度。光激发等离子体的非辐射弛豫被用于大量的光热纳米技术领域,包括癌症治疗和药物输送、污染控制、光催化、测温及手术。

光热效应也可通过声子的非辐射弛豫来工作,此时有机或无机半导体在带隙能量以上被激发,而金属在带间激发。这些激发可导致阵列中单个半导体和金属纳米结构的局部加热,或者是阵列中所有纳米结构的集体加热。由此产生的温度在阵列中的分布将取决于多个参数,包括元素组成、尺寸、形状和几何排列、比热、密度和吸收截面、基底及周围环境的热导和介电常数、光强度、波长、偏振、连续或脉冲光照、单色光或多色光、光照面积。半导体和金属纳米结构中的光热效应提供了控制局部温度的一种方式,可用于气相光辅助异质结光催化裂解水、也可用于将二氧化碳转化成一氧化碳、甲烷和甲醇。

最近,一种生长在不锈钢网上的聚吡咯电聚合黑色涂层,采用氟硅烷进行表面改性,使其具有疏水性,作为水界面局部加热的光热膜,用于驱动海水淡化的水蒸发。这种太阳能吸收膜采用先进的一体式太阳能蒸馏系统,从海水中生产淡水。采用太阳能风扇将蒸发的水转移到冷凝室中,完成光热海水淡化循环。

很少见相关的光热海水淡化的报道,其中光激发高吸收纳米结构被集成到多孔膜中,选择性水的表面蒸发同时利用了太阳的光和热。今天,有相当多基于各种碳、金属、半导体及其组合的黑色纳米结构和黑色纳米复合材料,可制成疏水性,且可稳定存在于光照和盐水中。可作为不同多孔膜的表面涂层,使其具有高效、低成本光热海水淡化系统所需的结构和理化性质。这种海水淡化系统在不同环境下可采用多种形式,使其具有所需的功能。此外,可以结合、集成、缩放,以适应每一个地方的不同气候条件。

将光热材料应用于太阳能驱动的海水淡化是一个新型的领域,随着全球对安全清洁淡水的需求不断增加(受气候变化和干旱、工业扩张和环境污染、人口增长、粮食需求和农业需求等的综合影响),这一领域将会有巨大的发展。能源越来越短缺,大型集中式RO和TD海水淡化装置主要服务于大城市用水需求,而采用光热淡化海水的小型化分散TD装置主要为小型社区、行业和农场提供服务,这可能会更有意义。

新材料在线编译整理——翻译:菠菜     校正:摩天轮