太阳能界面蒸发可持续离网脱盐技术研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-0232

摘要/Abstract

摘要：

随着全球环境污染问题愈发严重，淡水资源日趋匮乏，脱盐淡化技术成为研究热点。传统的脱盐淡化能耗高，太阳能界面蒸发技术能够直接利用可再生能源，清洁环保，是一种环境友好型离网脱盐工艺，可实现降低海水淡化成本和零碳排放的目标。介绍了离网脱盐技术的研究意义及前景，太阳能界面蒸发技术的基本内涵，并详细介绍了各类高效光热转换材料，主要包括光热碳材料、金属及氧化物、高分子聚合物及相关复合材料；归纳总结了太阳能驱动的各类界面蒸发脱盐工艺，主要包括太阳能界面多级闪蒸和多效蒸馏技术、膜蒸馏技术、温室海水淡化技术、太阳能加湿除湿技术及多能耦合脱盐技术等；最后针对当前全球环境和能源问题对未来利用太阳能界面蒸发技术进行离网脱盐未来的研究方向进行了展望。

关键词: 太阳能, 离网脱盐, 可再生能源, 界面蒸发, 纳米材料

Abstract:

As the problem of global environmental pollution becomes more and more serious, freshwater resources are increasingly scare, desalination has become a research hotspot. The traditional desalination energy consumption is high, solar interface evaporation technology can directly use renewable energy, which is clean and environmentally friendly. It is an environmentally friendly off-grid desalination process that can achieve the goals of reducing the cost of seawater desalination and zero carbon emissions. The research significance and prospects of off-grid desalination technology, the basic connotation of solar interface evaporation technology, and various efficient photothermal conversion materials were introduced. Photothermal conversion materials mainly included photothermal carbon materials, metals and oxides, polymer materials and its related materials. Various interface evaporation desalination processes driven by solar energy were summarized, mainly including solar interface multi-stage flash evaporation and multi-effect distillation technology, membrane distillation technology, greenhouse seawater desalination technology, solar humidification and dehumidification technology, and multi energy coupling desalination technology. Finally, the future research directions of utilizing solar interface evaporation technology for off-grid desalination were discussed in response to current global environmental and energy problems.

Key words: solar energy, off-grid desalination, renewable energy, interfacial evaporation, nano-materials

中图分类号:

P747

许兵, 杨晓彤, 刘佳, 张旭, 姚兴洁, 郭培勋, 张新玉. 太阳能界面蒸发可持续离网脱盐技术研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(4): 58-65.

Bing XU, Xiaotong YANG, Jia LIU, Xu ZHANG, Xingjie YAO, Peixun GUO, Xinyu ZHANG. Research on sustainable off-grid desalination technology of solar interfacial evaporation[J]. Industrial Water Treatment, 2024, 44(4): 58-65.

https://www.iwt.cn/CN/Y2024/V44/I4/58

图/表 9

图1 太阳能界面水蒸发系统的能量流动示意

Fig.1 Schematic diagram of energy flow in solar water evaporation system

图2 太阳辐射光谱与不同材料的光热效应机理

Fig.2 Absorption ranges of earth spectrum and mechanisms of photothermal effect of different materials

图3 光热碳材料的制备

Fig.3 Preparation of photothermal carbon materials

图4 光热金属材料的制备

Fig.4 Preparation of photothermal metal materials

图5 高分子材料在太阳能界面蒸发技术中的作用机制

Fig.5 Action mechanism of polymer materials in solar interfacial evaporation technology

图6 MSF与MED单元示意

Fig.6 MSF and MED distillation units

图7 AGMD系统流程（a）和MS-PMD装置原理（b）

Fig.7 Schematic diagram of AGMD （a） and schematic diagram of MS-PMD （b）

图8 温室脱盐流程示意

Fig.8 Schematic diagram of greenhouse desalination

图9 太阳能HDH海水淡化系统流程

Fig.9 Schematic diagram of solar HDH desalination system

参考文献 45

1	CHEN Xi， HE Shuaiming， FALINSKI M M，et al. Sustainable off-grid desalination of hypersaline waters using Janus wood evaporators［J］. Energy & Environmental Science，2021，14（10）：5347-5357. doi:10.1039/d1ee01505b
2	WANG Zhangxin， HORSEMAN T， STRAUB A P，et al. Pathways and challenges for efficient solar-thermal desalination［J］. Science Advances，2019，5（7）：eaax0763. doi:10.1126/sciadv.aax0763
3	KALOGIROU S A. Seawater desalination using renewable energy sources［J］. Progress in Energy and Combustion Science，2005，31（3）：242-281. doi:10.1016/j.pecs.2005.03.001
4	喻大燕，张文杰. 直接接触膜蒸馏海水淡化研究进展［J］. 水处理技术，2022，48（10）：33-38.
	YU Dayan， ZHANG Wenjie. Advances in research on dilation of direct contact membrane distillation seawater［J］. Technology of Water Treatment，2022，48（10）：33-38．
5	霍忠堂. 我国可再生能源发展领先世界［J］. 生态经济，2022，38（12）：9-12.
	HUO Zhongtang. China’s renewable energy development leads the world［J］. Ecological Economy，2022，38（12）：9-12．
6	ZHANG Panpan， LI Jing， LV Lingxiao，et al. Vertically aligned graphene sheets membrane for highly efficient solar thermal generation of clean water［J］. ACS Nano，2017，11（5）：5087-5093. doi:10.1021/acsnano.7b01965
7	ZHAO Fei， ZHOU Xingyi， SHI Ye，et al. Highly efficient solar vapour generation via hierarchically nanostructured gels［J］. Nature Nanotechnology，2018，13（6）：489-495. doi:10.1038/s41565-018-0097-z
8	ZHOU Lin， ZHUANG Shendong， HE Chengyu，et al. Self-assembled spectrum selective plasmonic absorbers with tunable bandwidth for solar energy conversion［J］. Nano Energy，2017，32：195-200. doi:10.1016/j.nanoen.2016.12.031
9	CHEN Chaoji， KUANG Yudi， HU Liangbing. Challenges and opportunities for solar evaporation［J］. Joule，2019，3（3）：683-718. doi:10.1016/j.joule.2018.12.023
10	GHASEMI H， NI G， MARCONNET A M，et al. Solar steam generation by heat localization［J］. Nature Communications，2014，5（1）：4449. doi:10.1038/ncomms5449
11	WANG Peng. Emerging investigator series： The rise of nano-enabled photothermal materials for water evaporation and clean water production by sunlight［J］. Environmental Science：Nano，2018，5（5）：1078-1089. doi:10.1039/c8en00156a
12	钱银豪，兰景瑞，李浩然，等. 基于界面水蒸发的多孔光热材料水热平衡调控［J］.工程热物理学报，2022，43（12）：3312-3316.
	QIAN Yinhao， LAN Jingrui， LI Haoran，et al. Regulating the balance between water and heat in porous photothermal materials based on interfacial water evaporation［J］. Journal of Engineering Thermophysics，2022，43（12）：3312-3316.
13	ZHOU Xingyi， ZHAO Fei， GUO Youhong，et al. Architecting highly hydratable polymer networks to tune the water state for solar water purification［J］. Science Advances，2019，5（6）：eaaw5484. doi:10.1126/sciadv.aaw5484
14	BRONGERSMA M L， HALAS N J， NORDLANDER P. Plasmon-induced hot carrier science and technology［J］. Nature Nanotechnology，2015，10（1）：25-34. doi:10.1038/nnano.2014.311
15	李元臻，周佩蕾，王菲，等. 太阳能界面蒸发光热材料的研究进展［J］. 现代化工，2021，41（8）：29-32.
	LI Yuanzhen， ZHOU Peilei， WANG Fei，et al. Research progress on photothermal materials for solar energy interface evaporation［J］. Modern Chemical Industry，2021，41（8）：29-32.
16	SU Xin， HAO Dezhao， SUN Mingyue，et al. Nature sunflower stalk pith with zwitterionic hydrogel coating for highly efficient and sustainable solar evaporation［J］. Advanced Functional Materials，2022，32（6）：2108135. doi:10.1002/adfm.202108135
17	ZHOU Lin， TAN Yingling， WANG Jingyang，et al. 3D self-assembly of aluminium nanoparticles for plasmon-enhanced solar desalination［J］.Nature Photonics， 10（2016）：393. doi:10.1038/nphoton.2016.75
18	ZHU Mingwei， LI Yiju， CHEN Fengjuan，et al. Plasmonic wood for high-efficiency solar steam generation［J］. Advanced Energy Materials，2018，8（4）：1701028. doi:10.1002/aenm.201701028
19	SUN Wei， ZHONG G， KÜBEL C，et al. Size-tunable photothermal germanium nanocrystals［J］. Angewandte Chemie International Edition，2017，56（22）：6329-6334. doi:10.1002/anie.201701321
20	BAE K， KANG Gumin， CHO S K，et al. Flexible thin-film black gold membranes with ultrabroadband plasmonic nanofocusing for efficient solar vapour generation［J］. Nature Communications，2015，6：10103. doi:10.1038/ncomms10103
21	KASHYAP V， AL-BAYATI A， SAJADI S M，et al. A flexible anti-clogging graphite film for scalable solar desalination by heat localization［J］. Journal of Materials Chemistry A，2017，5（29）：15227-15234. doi:10.1039/c7ta03977h
22	WU Xuan， CHEN G Y， ZHANG Wei，et al. A Plant-transpiration-process-inspired strategy for highly efficient solar evaporation［J］. Advanced Sustainable Systems，2017，1（6）：1700046. doi:10.1002/adsu.201700046
23	SU Yiru， LIU Lang， GAO Xuechao，et al. A high-efficient and salt-rejecting 2D film for photothermal evaporation［J］. iScience，2023，26（8）：107347. doi:10.1016/j.isci.2023.107347
24	乔稳，朱海霖，郭玉海，等. 太阳能气隙式膜蒸馏脱盐实验研究［J］.水处理技术，2016，42（5）：28-31.
	QIAO Wen， ZHU Hailin， GUO Yuhai，et al. Study on desalination by coupling solar water heater with air gap membrane distillation［J］. Technology of Water Treatment，2016，42（5）：28-31.
25	HAO Liang， LIU Ning， NIU Ran，et al. High-performance salt-resistant solar interfacial evaporation by flexible robust porous carbon/pulp fiber membrane［J］. Science China Materials，2022，65（1）：201-212. doi:10.1007/s40843-021-1721-6
26	魏玉梅，张新妙，栾金义. 太阳能膜蒸馏技术研究进展［J］. 现代化工，2020，40（5）：42-46. doi:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2020.05.010
	WEI Yumei， ZHANG Xinmiao， LUAN Jinyi. Research progress on solar energy-assisted membrane distillation technology［J］. Modern Chemical Industry，2020，40（5）：42-46. doi:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2020.05.010
27	李红宾，李腾飞，石文英，等. 膜蒸馏组合工艺研究进展［J］. 水处理技术，2022，48（6）：24-29.
	LI Hongbin， LI Tengfei， SHI Wenying，et al. Research and application progress of membrane distillation combined process［J］. Technology of Water Treatment，2022，48（6）：24-29.
28	SAFFARINI R B， SUMMERS E K， ARAFAT H A，et al. Technical evaluation of stand-alone solar powered membrane distillation systems［J］. Desalination，2012，286：332-341. doi:10.1016/j.desal.2011.11.044
29	AZEEM M A， LAWAL D U， ABDULGADER H AL，et al. Enhanced performance of superhydrophobic polyvinylidene fluoride membrane with sandpaper texture for highly saline water desalination in air-gap membrane distillation［J］. Desalination，2022，528：115603. doi:10.1016/j.desal.2022.115603
30	DONGARE P D， ALABASTRI A， PEDERSEN S，et al. Nanophotonics-enabled solar membrane distillation for off-grid water purification［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2017，114（27）：6936-6941. doi:10.1073/pnas.1701835114
31	CHIAVAZZO E， MORCIANO M， VIGLINO F，et al. Passive solar high-yield seawater desalination by modular and low-cost distillation［J］. Nature Sustainability，2018，1（12）：763-772. doi:10.1038/s41893-018-0186-x
32	DONG Yixiu， POREDOŠ P， MA Qiuming，et al. High-yielding and stable desalination via photothermal membrane distillation with free-flow evaporation channel［J］. Desalination，2022，543：116103. doi:10.1016/j.desal.2022.116103
33	KOSMADAKIS G， MANOLAKOS D， KYRITSIS S，et al. Economic assessment of a two-stage solar organic Rankine cycle for reverse osmosis desalination［J］. Renewable Energy，2009，34（6）：1579-1586. doi:10.1016/j.renene.2008.11.007
34	MAHMOUDI H， ABDUL-WAHAB S A， GOOSEN M F A，et al. Weather data and analysis of hybrid photovoltaic-wind power generation systems adapted to a seawater greenhouse desalination unit designed for arid coastal countries［J］. Desalination，2008，222（1/2/3）：119-127. doi:10.1016/j.desal.2007.01.135
35	MAHMOUDI H， SPAHIS N， GOOSEN M F，et al. Application of geothermal energy for heating and fresh water production in a brackish water greenhouse desalination unit： A case study from Algeria［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010，14（1）：512-517. doi:10.1016/j.rser.2009.07.038
36	CHAIBI M T， JILAR T. System design，operation and performance of roof-integrated desalination in greenhouses［J］. Solar Energy，2004，76（5）：545-561. doi:10.1016/j.solener.2003.12.008
37	LINDBLOM J， NORDELL B. Underground condensation of humid air for drinking water production and subsurface irrigation［J］. Desalination，2007，203（1/2/3）：417-434. doi:10.1016/j.desal.2006.02.025
38	PAREKH S， FARID M M， SELMAN J R，et al. Solar desalination with a humidification-dehumidification technique：A comprehensive technical review［J］. Desalination，2004，160（2）：167-186. doi:10.1016/s0011-9164(04)90007-0
39	EASA A S， KHALAF-ALLAH R A， MOHAMED S M，et al. Experimental and statistical analysis of a solar desalination HDH arrangement with high-speed acceleration centrifugal sprayer［J］. Desalination，2023，551：116419. doi:10.1016/j.desal.2023.116419
40	ELMINSHAWY N A S， SIDDIQUI F R， ADDAS M F. Experimental and analytical study on productivity augmentation of a novel solar humidification-dehumidification （HDH） system［J］. Desalination，2015，365：36-45. doi:10.1016/j.desal.2015.02.019
41	FOUDA A， NADA S A， ELATTAR H F.An integrated A/C and HDH water desalination system assisted by solar energy：Transient analysis and economical study［J］. Applied Thermal Engineering，2016，108：1320-1335. doi:10.1016/j.applthermaleng.2016.08.026
42	SOUFARI S M， ZAMEN M， AMIDPOUR M. Experimental validation of an optimized solar humidification-dehumidification desalination unit［J］. Desalination and Water Treatment，2009，6（1/2/3）：244-251. doi:10.5004/dwt.2009.494
43	MALEKI A， KHAJEH M G， ROSEN M A. Weather forecasting for optimization of a hybrid solar-wind-powered reverse osmosis water desalination system using a novel optimizer approach［J］. Energy，2016，114：1120-1134. doi:10.1016/j.energy.2016.06.134
44	KORONEOS C， DOMPROS A， ROUMBAS G. Renewable energy driven desalination systems modelling［J］. Journal of Cleaner Production，2007，15（5）：449-464. doi:10.1016/j.jclepro.2005.07.017
45	MENTIS D， KARALIS G， ZERVOS A，et al. Desalination using renewable energy sources on the arid islands of South Aegean Sea［J］. Energy，2016，94：262-272. doi:10.1016/j.energy.2015.11.003

[1]	桓茜, 王伟, 靳浩斌, 田子谕, 王婧楠, 胡格格, 康思远, 白帅丽. 三维光热吸收材料的制备及界面蒸发性能[J]. 工业水处理, 2025, 45(2): 78-84.
[2]	严硕, 南军, 李晓云, 卢雁飞, 王庆波, 孙彦民, 周永敏. MXenes基纳米材料在水处理脱盐领域研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(5): 64-70.
[3]	何川, 李灿华, 李明晖, 都刚, 张永柱. 纳米零价铁的制备及其可持续性评估[J]. 工业水处理, 2024, 44(1): 44-59.
[4]	陈付爱, 牛纪娥. 太阳能热脱盐的途径和应用研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(3): 48-54.
[5]	杨泽琨, 陈青柏, 王建友, 徐勇, 高阳. 基于可再生能源的膜脱盐技术进展[J]. 工业水处理, 2023, 43(12): 14-25.
[6]	卢永, 冯向文, 汪林, 张孝林, 张炜铭, 吕振华, 贾如雪, 黄如全. 化学沉淀-纳米吸附工艺深度处理含氟废水[J]. 工业水处理, 2022, 42(7): 75-79.
[7]	钱媛媛, 王永杰, 杨雪晶. 光伏与“光伏+水务”在污水处理厂的应用现状[J]. 工业水处理, 2022, 42(6): 40-50.
[8]	徐成栋, 胡浩, 王安慰, 邵敏, 万玉山. BiOBr/BiOIO₃复合材料的合成及光催化性能研究[J]. 工业水处理, 2022, 42(12): 91-99.
[9]	贺一晋,王悦,赵文昌,高瑞霞,吕东梅. 磁性纳米复合吸附剂的制备及其在水处理中的应用[J]. 工业水处理, 2021, 41(12): 1-6.
[10]	殷红桂,钱飞跃,谈颖,沈耀良. CNMs/PS体系降解水中有机污染物的研究进展[J]. 工业水处理, 2021, 41(11): 23-31.
[11]	吴永. 硅太阳能电池板生产废水处理工艺设计[J]. 工业水处理, 2021, 41(11): 138-142.
[12]	曹家炜,刘海成,徐乐中,陈卫. 核壳型磁性TiO₂纳米微球制备及在水处理中的应用[J]. 工业水处理, 2020, 40(4): 6-11.
[13]	蒲生彦, 张颖, 王朋. 磁性纳米吸附剂制备及在水处理中的应用研究进展[J]. 工业水处理, 2019, 39(10): 1-6, 13.
[14]	李强, 齐春华, 任建波, 张晓晨, 吕宏卿, 王鑫. 盘式太阳能蒸馏海水淡化研究进展[J]. 工业水处理, 2017, 37(8): 11-14.
[15]	赵迎新, 王亚舒, 季民, 宋倩. 吸附法去除水中药品及个人护理品（PPCPs）研究进展[J]. 工业水处理, 2017, 37(6): 1-5.

选择文件类型/文献管理软件名称

选择包含的内容