太阳能热脱盐的途径和应用研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-0045

摘要/Abstract

摘要：

太阳能热脱盐（Solar thermal desalination，STD）是一种极具潜力的低能耗、可持续海水淡化新方法，可用于在能源基础设施不完备的干旱地区生产清洁淡水。目前，通过改进太阳能吸收材料和系统设计来提高STD效率受到越来越多的关注。系统地介绍了各类高效光热转换材料的特点及其在利用太阳辐射进行海水淡化方面的应用，然后从隔热结构和冷凝结构设计等不同的角度讨论了STD系统的热能管控措施，并进一步阐明了潜热回收的重要性，最后，总结了STD系统工艺现有的局限性和提高STD系统脱盐效率的有效途径，并对STD系统的实用性和经济性进行了展望，以期为开发更高产水率、更低能耗的可再生能源脱盐新工艺提供参考。

关键词: 太阳能热脱盐, 海水淡化, 高盐水, 多效蒸馏, 多级闪蒸, 膜蒸馏

Abstract:

Solar thermal desalination（STD） is a promising novel method of low-energy sustainable seawater desalination，which can be utilized to produce clean fresh water in arid regions with inadequate energy infrastructure. Currently，increasing STD efficiency through improving solar absorbent materials and system designs attracts increasing attentions. The characteristics of various efficient photothermal conversion materials and their applications in seawater desalination using solar radiation were introduced systematically. Then thermal energy control measures of STD system were discussed from different perspectives such as the design of thermal insulation structures and condensing structures，and the importance of latent heat recovery was expounded further. Finally，the existing limitations of STD process and the effective ways to improve the efficiency of STD system desalination were summarized，and the practicability and economy of STD system were prospected.It hopes to provide reference for the development of a new desalination process of renewable energy with higher water yield and lower energy consumption.

Key words: solar thermal desalination, seawater desalination, high saline water, multi-effect distillation, multi-stage flash, membrane distillation

中图分类号:

P747

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.

Fuai CHEN, Ji’e NIU. Research on pathways and applications for solar thermal desalination[J]. Industrial Water Treatment, 2023, 43(3): 48-54.

https://www.iwt.cn/CN/Y2023/V43/I3/48

图/表 7

参考文献 49

1	ELIMELECH M， PHILLIP W A. The future of seawater desalination：Energy，technology，and the environment［J］. Science，2011，333（6043）：712-717. doi:10.1126/science.1200488
2	王芳. 基于减压膜蒸馏法太阳能海水淡化系统研究［D］. 上海：东华大学，2016. doi:10.2166/wrd.2016.207
	WANG Fang. Vacuum membrane distillation-based solar desalination system research［D］. Shanghai：Donghua University，2016. doi:10.2166/wrd.2016.207
3	ZHANG Lulu， XING Jun， WEN Xinglin，et al. Plasmonic heating from indium nanoparticles on a floating microporous membrane for enhanced solar seawater desalination［J］. Nanoscale，2017，9（35）：12843-12849. doi:10.1039/c7nr05149b
4	PENG Wang. 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
5	YE Miaomiao， JIA Jia， WU Zhejian，et al. Synthesis of black TiO _x nanoparticles by Mg reduction of TiO₂ nanocrystals and their application for solar water evaporation［J］. Advanced Energy Materials，2017，7（4）：1601811. doi:10.1002/aenm.201601811
6	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
7	GHAFFOUR N， BUNDSCHUH J， MAHMOUDI H，et al. Renewable energy-driven desalination technologies：A comprehensive review on challenges and potential applications of integrated systems［J］. Desalination，2015，356：94-114. doi:10.1016/j.desal.2014.10.024
8	ZIELINSKI M S， CHOI J W， LA GRANGE T，et al. Hollow mesoporous plasmonic nanoshells for enhanced solar vapor generation［J］. Nano Letters，2016，16（4）：2159-2167. doi:10.1021/acs.nanolett.5b03901
9	SHI Y， LI Renyuan， JIN Yong，et al. A 3D photothermal structure toward improved energy efficiency in solar steam generation［J］. Joule，2018，2（6）：1171-1186. doi:10.1016/j.joule.2018.03.013
10	LIN Tianquan， YANG Chongyin， WANG Zhou，et al. Effective nonmetal incorporation in black titania with enhanced solar energy utilization［J］. Energy & Environmental Science，2014，7（3）：967. doi:10.1039/c3ee42708k
11	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
12	XU Weichao， HU Xiaozhen， ZHUANG Shendong，et al. Flexible and salt resistant Janus absorbers by electrospinning for stable and efficient solar desalination［J］. Advanced Energy Materials，2018，8（14）：1702884. doi:10.1002/aenm.201702884
13	张敬敬. 基于太阳能界面光热效应的脱盐净水研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2021.
	ZHANG Jingjing. Study on desalination and water purification based on interfacial photothermal effect of solar energy［D］. Harbin：Harbin Institute of Technology，2021.
14	ZHUANG Shendong， ZHOU Lin， XU Weichao，et al. Tuning transpiration by interfacial solar absorber：Leaf engineering［J］. Advanced Science，2018，5（2）：1700497. doi:10.1002/advs.201700497
15	GHASEMI H， NI G， MARCONNET A M，et al. Solar steam generation by heat localization［J］. Nature Communications，2014，5：4449. doi:10.1038/ncomms5449
16	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
17	ITO Y， TANABE Y， HAN J，et al. Multifunctional porous graphene for high-efficiency steam generation by heat localization［J］. Advanced Materials，2015，27（29）：4302-4307. doi:10.1002/adma.201501832
18	ZHANG Panpan， LI Jing， Lingxiao LÜ，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
19	YOUSEFI N， LU Xinglin， ELIMELECH M，et al. Environmental performance of graphene-based 3D macrostructures［J］. Nature Nanotechnology，2019，14（2）：107-119. doi:10.1038/s41565-018-0325-6
20	LI Xiuqiang， XU Weichao， TANG Mingyao，et al. Graphene oxide-based efficient and scalable solar desalination under one sun with a confined 2D water path［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2016，113（49）：13953-13958. doi:10.1073/pnas.1613031113
21	CHEN Chaoji， LI Yiju， SONG Jianwei，et al. Highly flexible and efficient solar steam generation device［J］. Advanced Materials，2017，29：1701759. doi:10.1002/adma.201701756
22	李清，杨登峰，王建花，等. 直径大于2 nm的（15，15）碳纳米管的仿生生物改性及其脱盐行为的分子模拟［J］. 物理化学学报，2016，32（3）：691-700. doi:10.3866/pku.whxb201512182
	LI Qing， YANG Dengfeng， WANG Jianhua，et al. Biomimetic modification and desalination behavior of（15，15） carbon nanotubes with a diameter larger than 2 nm［J］. Acta Physico-Chimica Sinica，2016，32（3）：691-700. doi:10.3866/pku.whxb201512182
23	XU Ning， HU Xiaozhen， XU Weichao，et al. Mushrooms as efficient solar steam-generation devices［J］. Advanced Materials，2017，29：1606762. doi:10.1002/adma.201606762
24	JIA Chao， LI Yiju， YANG Zhi，et al. Rich mesostructures derived from natural woods for solar steam generation［J］. Joule，2017，1（3）：588-599. doi:10.1016/j.joule.2017.09.011
25	WANG Tao， LIU Xiqing， Qiuyue MEN，et al. Surface plasmon resonance effect of Ag nanoparticles for improving the photocatalytic performance of biochar quantum-dot/Bi₄Ti₃O₁₂ nanosheets［J］. Chinese Journal of Catalysis，2019，40（6）：886-895. doi:10.1016/s1872-2067(19)63330-9
26	徐森元，郑标，林林，等. 单个Ag@SiO₂立方体对NaYF₄：Er³⁺，Yb³⁺纳米颗粒上转换发光等离子体增强［J］. 硅酸盐学报，2016，44（7）：969-975.
	XU Senyuan， ZHENG Biao， LIN Lin，et al. Plasmon enhanced upconversion fluorescence of NaYF₄∶Er³⁺，Yb³⁺ nanoparticles with single Ag@SiO₂ nanocube［J］. Journal of the Chinese Ceramic Society，2016，44（7）：969-975.
27	JIANG Qisheng， GHOLAMI DERAMI H， GHIM D，et al. Polydopamine-filled bacterial nanocellulose as a biodegradable interfacial photothermal evaporator for highly efficient solar steam generation［J］. Journal of Materials Chemistry A，2017，5（35）：18397-18402. doi:10.1039/c7ta04834c
28	SHI Y， LI Renyuan， SHI Le，et al. A robust CuCr₂O₄/SiO₂ composite photothermal material with underwater black property and extremely high thermal stability for solar-driven water evaporation［J］. Advanced Sustainable Systems，2018，2（3）：1700145. doi:10.1002/adsu.201700145
29	WANG Xinzhi， HE Yurong， LIU Xing，et al. Solar steam generation through bio-inspired interface heating of broadband-absorbing plasmonic membranes［J］. Applied Energy，2017，195：414-425. doi:10.1016/j.apenergy.2017.03.080
30	张大帅，费学宁，苏润西，等. 太阳能雾化脱盐系统热能利用率的研究［J］. 工业水处理，2016，36（6）：50-53. doi:10.11894/1005-829x.2016.36(6).012
	ZHANG Dashuai， FEI Xuening， SU Runxi，et al. Study on the heat energy utilization rate of the solar energy pulverization desalination system［J］. Industrial Water Treatment，2016，36（6）：50-53. doi:10.11894/1005-829x.2016.36(6).012
31	YIN Xiangyu， ZHANG Yue， GUO Qiuquan，et al. Macroporous double-network hydrogel for high-efficiency solar steam generation under 1 Sun illumination［J］. ACS Applied Materials & Interfaces，2018，10（13）：10998-11007. doi:10.1021/acsami.8b01629
32	朱皓，蓝敏杰，文庆珍，等. 乙烯基MQ硅树脂对室温硫化硅橡胶泡沫隔热材料性能的影响［J］. 高分子材料科学与工程，2020，36（10）：15-20.
	ZHU Hao， LAN Minjie， WEN Qingzhen，et al. Effect of room temperature vulcanized foam thermal insulation material modified with vinyl MQ silicone resin［J］. Polymer Materials Science ＆ Engineering，2020，36（10）：15-20.
33	NI G， ZANDAVI S H， JAVID S M，et al. A salt-rejecting floating solar still for low-cost desalination［J］. Energy & Environmental Science，2018，11（6）：1510-1519. doi:10.1039/c8ee00220g
34	MILADI R， FRIKHA N， KHEIRI A，et al. Energetic performance analysis of seawater desalination with a solar membrane distillation［J］. Energy Conversion and Management，2019，185：143-154. doi:10.1016/j.enconman.2019.02.011
35	HOU Youmin， YU Miao， CHEN Xuemei，et al. Recurrent filmwise and dropwise condensation on a beetle mimetic surface［J］. ACS Nano，2015，9（1）：71-81. doi:10.1021/nn505716b
36	ENRIGHT R， MILJKOVIC N， ALVARADO J L，et al. Dropwise condensation on micro- and nanostructured surfaces［J］. Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering，2014，18（3）：223-250. doi:10.1080/15567265.2013.862889
37	CHEN Xuemei， WU Jun， MA Ruiyuan，et al. Nanograssed micropyramidal architectures for continuous dropwise condensation［J］. Advanced Functional Materials，2011，21（24）：4617-4623. doi:10.1002/adfm.201101302
38	DURKAIESWARAN P， MURUGAVEL K K. Various special designs of single basin passive solar still：A review［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2015，49：1048-1060. doi:10.1016/j.rser.2015.04.111
39	齐春华，范明明，谢峰，等. 海水淡化闪蒸罐的闪蒸特性数值模拟及优化设计［J］. 中国给水排水，2009，25（12）：87-91. doi:10.3321/j.issn:1000-4602.2009.12.024
	QI Chunhua， FAN Mingming， XIE Feng，et al. Numerical simulation of flash evaporation characteristics and optimization design of flash tank for seawater desalination［J］. China Water ＆ Wastewater，2009，25（12）：87-91. doi:10.3321/j.issn:1000-4602.2009.12.024
40	PALENZUELA P， ZARAGOZA G， ALARCÓN-PADILLA D C. Characterisation of the coupling of multi-effect distillation plants to concentrating solar power plants［J］. Energy，2015，82：986-995. doi:10.1016/j.energy.2015.01.109
41	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
42	李福勤，吕晓龙，文晓翠，等. 膜蒸馏—电去离子组合工艺处理高盐废水［J］. 中国给水排水，2013，29（23）：99-102.
	LI Fuqin， Xiaolong LÜ， WEN Xiaocui，et al. Combined process of membrane distillation and electrodeionization for treatment of high salinity wastewater［J］. China Water ＆ Wastewater，2013，29（23）：99-102.
43	GHAFFOUR N， MISSIMER T M， AMY G L. Technical review and evaluation of the economics of water desalination：Current and future challenges for better water supply sustainability［J］. Desalination，2013，309：197-207. doi:10.1016/j.desal.2012.10.015
44	任春雷. 膜蒸馏海水淡化和油水分离用疏水多孔陶瓷膜研究［D］. 合肥：中国科学技术大学，2014.
	REN Chunlei. Hydrophobic porous ceramic membranes for water desalination and oil/water separation［D］. Hefei：University of Science and Technology of China，2014.
45	YAO Kun， QIN Yingjie， YUAN Yingjin，et al. A continuous-effect membrane distillation process based on hollow fiber AGMD module with internal latent-heat recovery［J］. AIChE Journal，2013，59（4）：1278-1297. doi:10.1002/aic.13892
46	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
47	WU Jinjian， ZODROW K R， SZEMRAJ P B，et al. Photothermal nanocomposite membranes for direct solar membrane distillation［J］. Journal of Materials Chemistry A，2017，5（45）：23712-23719. doi:10.1039/c7ta04555g
48	GONZÁLEZ D， AMIGO J， SUÁREZ F. Membrane distillation：Perspectives for sustainable and improved desalination［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2017，80：238-259. doi:10.1016/j.rser.2017.05.078
49	刘羊九，王云山，韩吉田，等. 膜蒸馏技术研究及应用进展［J］. 化工进展，2018，37（10）：3726-3736.
	LIU Yangjiu， WANG Yunshan， HAN Jitian，et al. State-of-the-arts review of research and application progress for membrane distillation technology［J］. Chemical Industry and Engineering Progress，2018，37（10）：3726-3736.

材料类型	材料种类	光热转换机理
碳基太阳能吸收材料	CB、GO、CNT、碳化木材等	分子的热运动：电子的激发及其随后的弛豫过程。在光照条件下，光子激发的电子通过电子-电子和电子-声子散射快速生热。
等离子体太阳能吸收材料	Au、Ge、Al、In等	等离子共振加热：入射光的频率与电子的自然振动频率达到一致时，电子得到集中激发，从而产生热电子，通过Landau阻尼机制进行非辐射阻尼，并通过电子-电子和电子-声子散射过程重新分配其能量，就会产生等离子体共振现象并随之产生热量。
半导体太阳能吸收材料	TiO₂、CoFe₂O₄、MnFe₂O₄等	电子空穴的产生和释放：在光照条件下，能量高于半导体带隙的光子会导致激子以及电子空穴对的形成，电子和空穴会在复合重组之前弛豫到导带和价带边缘，将辐射能量转化为热量。

材料类型	材料种类	光热转换机理
碳基太阳能吸收材料	CB、GO、CNT、碳化木材等	分子的热运动：电子的激发及其随后的弛豫过程。在光照条件下，光子激发的电子通过电子-电子和电子-声子散射快速生热。
等离子体太阳能吸收材料	Au、Ge、Al、In等	等离子共振加热：入射光的频率与电子的自然振动频率达到一致时，电子得到集中激发，从而产生热电子，通过Landau阻尼机制进行非辐射阻尼，并通过电子-电子和电子-声子散射过程重新分配其能量，就会产生等离子体共振现象并随之产生热量。
半导体太阳能吸收材料	TiO₂、CoFe₂O₄、MnFe₂O₄等	电子空穴的产生和释放：在光照条件下，能量高于半导体带隙的光子会导致激子以及电子空穴对的形成，电子和空穴会在复合重组之前弛豫到导带和价带边缘，将辐射能量转化为热量。

技术名称	驱动力	热能消耗/（kW·h·m^-3）	电能消耗/（kW·h·m^-3）	盐/（mg·L^-1）	市场占有率/%	特点
RO	液压	—	2.5~7.0	200~500	65	组件易于构建，碳排放量较低
FO	渗透压	—	<30	—	<2	液压较低，膜废料产生较少，可忽略进料液污染物的影响
MED	热能	40.3~63.9	2.0~2.5	<10	7	比相同容量的MSF组件更易于操作，适用于中等规模操作
MSF	热能	52.8~78.3	2.5~5.0	<10	21	适用于处理水质较差、杂质较多的工业废水
MD	蒸汽压	120~1 700	0.6~1.8	<10	<2	利用低品位能源，单位膜接触面积较大，对膜的力学性能要求不高

技术名称	驱动力	热能消耗/（kW·h·m^-3）	电能消耗/（kW·h·m^-3）	盐/（mg·L^-1）	市场占有率/%	特点
RO	液压	—	2.5~7.0	200~500	65	组件易于构建，碳排放量较低
FO	渗透压	—	<30	—	<2	液压较低，膜废料产生较少，可忽略进料液污染物的影响
MED	热能	40.3~63.9	2.0~2.5	<10	7	比相同容量的MSF组件更易于操作，适用于中等规模操作
MSF	热能	52.8~78.3	2.5~5.0	<10	21	适用于处理水质较差、杂质较多的工业废水
MD	蒸汽压	120~1 700	0.6~1.8	<10	<2	利用低品位能源，单位膜接触面积较大，对膜的力学性能要求不高

[1]	李向南, 梁超, 李泽, 缪应虎, 徐奎江, 康慧敏, 陈雪. 真空膜蒸馏处理电厂脱硫废水[J]. 工业水处理, 2025, 45(2): 159-165.
[2]	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.
[3]	邓龙, 司泽田, 李卓豪, 张永发. 机械蒸汽再压缩耦合中空纤维真空膜蒸馏系统试验[J]. 工业水处理, 2024, 44(7): 150-155.
[4]	冯雪敏, 张晓青, 张爱君, 曹军瑞, 寇希元, 宋翰文, 邱金泉. 海水淡化工艺排放浓海水中风险物质的识别[J]. 工业水处理, 2024, 44(6): 53-59.
[5]	宋结民, 汪程鹏, 王生辉, 刘军, 寇佳文, 杨一帆, 田修贵. 不同能量回收组合工艺下海水淡化系统比能耗分析[J]. 工业水处理, 2024, 44(5): 212-217.
[6]	许超, 许士洪, 李隽, 黄满红. 脉冲流辅助膜蒸馏缓解硫酸钙结垢研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(5): 95-100.
[7]	张棱威, 宁荣盛, 袁江, 于水利. 导电膜膜蒸馏研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(4): 30-37.
[8]	李棒, 田腾飞, 吴俊峰, 朱新锋, 韩昌睿, 崔璐雪, 张霞, 贠延滨. 膜蒸馏处理脱硫废水过程中污染物组成、分布及形成机理[J]. 工业水处理, 2024, 44(2): 139-146.
[9]	刘军, 陈勇强, 刘主根, 任新华, 吕志新, 于海超, 明红霞. 海水淡化反渗透膜生物污堵防控及早期监测防控研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(12): 12-19.
[10]	张里艺, 司泽田, 萧芳妙, 周传恩. 中空纤维真空膜蒸馏处理硫酸废液试验研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(11): 93-98.
[11]	张所新, 张晓东, 于崇涛, 杨鑫, 姜丽娜, 李珂, 王钧, 陈景光, 隋春晓, 周利. 低温低浊度海水淡化高效预处理试验研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(9): 174-179.
[12]	黄世燕, 娄蒙蒙, 李璟孜, 李方. 抗润湿GO复合膜的制备及其在印染废水膜蒸馏处理中的应用[J]. 工业水处理, 2023, 43(7): 169-176.
[13]	高永钢, 解保雷, 苏成龙, 史志伟, FU Fengjiang. 纳滤-膜蒸馏集成工艺用于超纯水生产的中试研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(6): 164-170.
[14]	齐延民, 刘昕, 王立明, 孙珊. 海水淡化浓盐水排海的环境影响与对策[J]. 工业水处理, 2023, 43(4): 22-27.
[15]	陈景光, 冯念林, 于崇涛, 杨鑫, 周利. 胶州湾海水淤泥密度指数影响因素研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(11): 208-214.

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