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成果掠影 & 研究背景

许多农村地区或缺乏集中基础设施及高效配送网络的地区，无法安全获取食物、能源和水（FEW），例如 2022 年，农村地区有 13 亿人无法获得安全管理的饮用水。需要能缓解 FEW 不安全状况的技术，且这些技术应成本效益高、由社区管理并能离网运行以有效实施。太阳能蒸发是一种成熟的蒸发海水获取盐和淡水的方法，无需外部能源输入。通过在水面漂浮太阳能蒸发器捕获太阳能并将能量集中用于蒸发水分子可加快这一过程，即太阳能驱动的界面蒸发，该方法具有高太阳能 - 蒸汽效率，且与水量无关，可适应多种应用。经过近十年研究，这项技术接近其 92.5% 的热力学效率极限，在聚光阳光下淡水生产率超过 80 升每平方米每小时，可稳定运行 600 多小时。

题为“Solar-driven interfacial evaporation technologies for food, energy and water”的文章总结了界面太阳能蒸发技术在食物、能源和水关联领域有潜在应用，可从多种水源（包括海水、微咸水和工业废水）制取饮用水，处理后的水可用于家庭和食品生产，还能处理包括生活污水和来自纺织、热电厂、制药制造等的工业废水，实现零液体排放，其产生的热蒸汽可用于消毒和杀菌，且能与其他可再生能源技术集成，提高蒸发率、发电量和系统效率，增强实用性和可行性。

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研究内容 & 图文数据

（1）水生产与水处理

要点精读：

1. 界面太阳能蒸发能高效分离水与溶质，蒸汽可用于多种用途，溶质能提取矿物质，其在水相关领域应用广泛，包括清洁水生产等，还需提升性能和应用效果。

2. 清洁水生产中，该技术可净化多种水源，产出水达标且成本低，有潜力服务农村或岛屿。有串联蒸发冷凝等多种制水方式。

3. 蒸发 - 冷凝净化器里，太阳能蒸发器转化太阳能加速水蒸发，但冷凝是限制环节。传统净化器有问题，可通过亲水/疏水改性、倒置结构、多级设计等优化冷凝，提高效率。

4. 蒸汽驱动膜淡化能耗低、产水率高，热响应收缩和界面加热结合大气取水也有应用，但后者产水量有待提高。

5. 目前，部分太阳能水净化器已商业化，先进设备能满足一定需求，但规模化有挑战。未来要解决间歇性等问题，提高冷凝器性能，主动发生器产水率高但有弊端，还需在野外监测设备性能，评估成本等 。

图 1 太阳能驱动的界面蒸发技术能够利用太阳能处理废水，并产出清洁水、食物、能源、矿物质以及化学资源。这些技术可应用于缺乏水或能源基础设施的农村和偏远社区。界面太阳能蒸发技术包括可从海水中制取淡水的漂浮式太阳能蒸馏器，以及集成到水处理厂中的材料。它们还可以被设计用来为陆地上和海洋上的农业生产提供淡水，比如 “海水淡化用于海洋农业（FOOD）” 系统。通过界面太阳能蒸发来提取锂等金属，或者与催化系统相结合以从水中制取氢气，人们能够从水中回收资源。新兴的设计将界面太阳能蒸发技术与诸如光伏板和风力涡轮机等可再生能源技术相结合，从而能够同时发电并产出其他资源。

（2）废水与盐水处理策略

要点精读：

1. 界面太阳能蒸发用于废水处理，能零排放、回收资源，但废水复杂易致蒸发器结垢，需开发稳定抗污蒸发器。

2. 抗盐策略有降低局部盐浓度（如Janus蒸发器、Donnan效应、结构设计等）、引导盐沉淀（多种结晶器形状及清除方式）、非接触式蒸发（但效率待提高）。

3. 抗生物污染靠集成抗菌材料；抗有机污染方面，油类靠构建超疏油性，VOCs可通过光催化化学法或分子筛分、半透膜过滤等物理法去除，需结合两者优势。

4. 已开发多效防污蒸发器，界面太阳能驱动废水处理商业化需在实际废水中评估数月稳定性，建议实地测试6 - 12个月 。

图 2 a，在界面太阳能蒸发过程中，太阳能被蒸发器吸收，蒸发器升温并产生水蒸气。水蒸气与冷凝器接触时会凝结成水。b，传统的太阳能水生成器使用透明盖子进行冷凝。可以通过调节表面的亲水性和疏水性来增强冷凝效果，促进膜状冷凝以避免光散射（左图），以及实现具有高热传递系数的滴状冷凝（右图）。δ 表示热阻，g 表示重力。c，倒置结构的太阳能净水器通过将太阳能吸收器放置在冷凝表面上方，使光吸收和冷凝过程解耦，此处展示的是具有粗糙结构设计的疏水性冷凝器。水通过诸如柔性亲水性纤维布等材料被吸入净水器中。d，多级太阳能水生成器具有多个由气隙分隔的亲水性供水层和冷凝层，以便回收冷凝焓。e，一种用于生产淡水的太阳能蒸汽驱动膜技术，利用太阳能产生大功率蒸汽，蒸汽产生压力推动盐水通过反渗透纳滤（RO/NF）膜，从而产出清洁的水。f，界面太阳能驱动的大气水生成器使用离子液体收集大气中的水分，然后这些水分被用于界面太阳能蒸发以生产清洁的水。g，不同类型的太阳能驱动界面蒸发技术的产水速率。h，一种商用的可漂浮太阳能蒸馏器。

（3）从水中获取资源

要点精读：

1. 界面太阳能蒸发可从水中提取关键金属、制氢，满足资源需求。

2. 关键金属提取：能从多种水源提锂、铀等，但因水盐度高、目标物痕量，技术需抗盐且高选择性。可结合膜技术（如STLES装置，还能拓展应用）、选择性吸附（加速吸附、提升容量，可功能化蒸发器），利用溶液脱水和溶解度差异（如纤维蒸发器，有扩展性但需研究规模影响）。

3. 制氢方面：结合光催化从海水制氢，有净化水蒸气、利于气体移除、耗能低等优势。如双相系统、混合光热 - 光催化剂片，还能与光伏电解集成，提升催化性能。

4. 规模与多产品回收：该技术与循环经济相关，需能回收多种产品，现有提锂技术应改进。工业处理大量卤水，此技术需规模化，小规模实验后需更大规模示范。

图 3 a，废水可以通过界面太阳能蒸发进行处理，在这个过程中太阳能加热蒸发器，产生清洁的水蒸气，而将污染物留在后面。b-d，盐分、微生物和有机物会污染蒸发器，这就需要相应的缓解策略：基于 “Janus” 结构设计的蒸发器（图 b）、基于 “唐南效应” 的蒸发器（图 c）以及增强离子扩散的蒸发器（图 d）可用于降低局部盐分浓度。e-h，通过设计能够排盐的结构，如圆盘形（图 e）、锥形（图 f）、杯形（图 g）或球形（图 h），可以实现蒸发器上的直接盐沉淀。i，球形蒸发器已应用于一个 25 米 ×10 米的废水处理池。j，非接触式蒸发是另一种提高抗盐能力的策略。k，可将抗菌材料（如银（Ag）、过渡金属碳化物和氮化物（即 MXene）以及还原氧化石墨烯（rGO））添加到蒸发器上，以实现抗生物污染。l，水下超疏油性可应用于吸收器，以达到抗油污的效果。m-o，挥发性有机化合物（VOCs）可以通过光催化（图 m）、尺寸排阻（图 n）和选择性渗透膜（图 o）去除。CB 表示导带；e–表示电子；Eg 表示带隙；h 表示空穴；hν 表示光子能量；VB 表示价带。

图 4 a，太阳能蒸腾驱动的膜分离技术（STLES）利用太阳能驱动的蒸腾作用在蒸发器内产生高毛细压力。这一压力传递到选择性膜上，使得卤水锂流入储存层。水的循环将提取出的锂输送到储液器中，并使设备得以再生。b，离子选择性蒸发器可从水源中选择性地提取锂等资源。c，空间分离结晶法可从盐水中选择性地提取锂。随着水的蒸发，浓度较高且溶解度较低的盐（如氯化钠，NaCl）会在纤维结晶器较低的位置结晶。浓度较低且溶解度较高的盐（如氯化锂，LiCl）则会在接近顶部的位置沉淀。d，包含 10×10 个三维空间结晶器的锂提取原型阵列。在蓝色的纤维素纤维结晶器上可以看到盐晶体。e，嵌入在界面蒸发器中的光催化剂可催化将产生的水蒸气转化为氢气。

（4）食品生产与能源

要点精读：

1. 农业与土壤修复：界面太阳能蒸发产水适用于农业，系统将海水淡化与农业结合，有独立腔室、垂直双层及光谱管理等类型，能优化不同方面，但存在占地、光照及效率等问题，目前多处于实验室阶段，可通过物质循环提升可持续性；在土壤修复方面，蒸发淡水可清洗土壤，配合可生物降解蒸发器及人工植物修复，能有效去除污染物、改善土壤质量。

2. 能源获取与水电联产：界面太阳能蒸发可通过盐度梯度、热梯度等方式获取能源，盐度梯度发电需优化膜性能、降低成本，热梯度发电包含热电、热电化学及热释电等多种方式，蒸发动能也能转化为电能；此外，光伏与界面蒸发耦合可实现水电联产，提升光伏性能与太阳能利用率，光伏 - 多级蒸馏还能提高产水率。

3. 应用可行性：多种水电联产技术展示了界面太阳能蒸发用于分散式发电的可行性，混合系统适用于小型低能耗场景，光伏 - 海水淡化系统适合大规模应用，可满足家庭水电需求；但界面蒸发发电技术尚不成熟，需开发新策略并综合评估优化，以提升效率、解决如水上光伏面板生物污染等问题。

图 5 a，海洋淡化农业系统（FOOD）由两个独立的装置组成，通过管道连接，用于将水从淡化室输送到种植室。光浓缩和马兰戈尼效应驱动的排盐（使用拱形蒸发器）可提高该系统的产水量和长期稳定性。b，在双层垂直的 FOOD 系统中，蒸发器和种植区域是堆叠设置的，该系统可直接放置在盐水水源上。c，植物的作用光谱（麦克里曲线，蓝线）与参考的 AM 1.5G 光谱。海水淡化和光合作用利用了不同的太阳光谱，因此通过最小化光谱重叠并最大化各过程的能量转换，提高了整体的太阳能利用效率。d、e，基于太阳光谱管理的 FOOD 系统，其具有外部拱形的海水淡化室和内部扇形的生长室。调节蒸发器可使室内变暗以利于种子发芽（图 d），并允许紫外线（UV）和可见光（Vis）透过以促进植物生长（图 e）。f，一体化三位一体的 FOOD 系统可进行海水淡化、发电和灌溉农作物。该系统包括一个淡化 - 发电室和一个种植室。通过反向电渗析技术提取高盐度海水和地表水之间的盐度梯度能量来发电。g，在太阳能驱动的土壤修复中，通过界面太阳能蒸发产生的淡水直接输送到土壤中，可用于土壤淋洗和 / 或农业灌溉。h，可生物降解的太阳能蒸发器从废水中吸附养分，然后被转移到土壤中，在那里它们降解并释放养分。i，人工植物修复使用了结构类似植物的蒸发器。这些蒸发器利用太阳能界面过程来加速土壤或水中污染物的固定，从而加强修复过程。

图 6 a，通过利用盐度梯度、温度梯度以及与光伏技术相结合，水的蒸发过程可被用来发电。b，太阳能驱动的盐水界面蒸发会产生盐度梯度，钠离子（黄色圆点）穿过膜的扩散会产生电能。c，由盐度梯度驱动的定向离子扩散可产生电能。d，热电方法能够从界面太阳能蒸发中提取热能来发电。e，热电化学方法通过由电化学电池两端的温度梯度所驱动的氧化还原反应来提取能量。f，热释电方法通过利用温度波动在热释电材料中诱导电极化，从而产生电流来提取能量。g，集成串联式太阳能发电 - 制水装置。光伏（PV）电池中产生的热化热通过热互连层传递到净水器中，这既提高了水的产出量，又能为光伏电池降温。h，不同类型的太阳能驱动界面蒸发技术的电输出和水净化速率（补充表 2）。

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总结 & 原文链接

本文研究表明，太阳能驱动的界面蒸发技术在处理水、提取资源、助力粮食生产与发电等方面具有潜力，尤其适用于农村地区，虽已有进步，但目前FEW资源多单独产出存在效率和成本问题。因此需优先推行联产策略，这涉及高效太阳能管理，因不同太阳能技术利用光谱不同，而设计协同利用光谱的系统可提升能源利用。串行转换能捕获能量中间体提高产出，基于此提出多种FEW联产策略，开发这些系统需多方面协同，且要监测产能稳定性、评估环境影响，硬件设计和大规模生产进步对技术推广意义重大 。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s44359-024-00009-x

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