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近几十年来,淡水资源短缺已成为人类可持续发展的重要威胁之一。预计到 2025 年,全球三分之二的人口将面临水资源短缺的问题。在中东、阿拉伯、北美、亚洲和世界其他地区,人们开始使用海水淡化技术来满足对淡水的需求。最常用的海水淡化技术有:多级闪蒸、多效淡化、蒸汽压缩和渗透膜电渗等,然而,传统的海水淡化技术需要通过燃烧化石能源来驱动,这大大增加了温室气体的排放。因此,迫切需要开发能够以可再生清洁能源为动力的淡水生产和废水处理技术。

近年来,太阳能光热蒸汽技术(SPST)因其从各种水源(如海水、河流/湖泊和污水)中生产淡水的巨大潜力而受到越来越多的关注。人们对SPST器件的光热效应材料和合理的结构设计进行了大量的研究,综述了光热转换过程的基础、高效光热转换材料的设计——光收集、水传输和热管理。然而,各种SPST器件的制备方法、光热转换系统的设计和优化以提高蒸汽蒸发速率和能量转换效率仍需进一步研究。

最近,四川大学高分子科学与工程学院傅强教授/邓华教授/陈显春副教授团队综述了SPST的最新设计和应用。认为光热效应、快速供水和流畅的蒸汽通道以及合理的热管理是实现高效SPST的三个关键因素。提出了一个新的“工具盒”的概念来分析SPST,该概念从近五年关于SPST约100篇高被引论文中总结出材料的典型加工方法和特点,如表1所示。其中“工具盒”的概念分为三类:加工类型(T)、一次加工(P)和二次加工(S)。T型工具代表聚合物和填料以及填料和填料的加工类型;P 型工具是选择用于构建SPST器件的材料;S 型工具主要代表用于构成最终SPST器件的特定加工方法。

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表 1 “工具盒”:SPST 加工过程中的加工类型和特定的加工工具

通过这一概念,本工作讨论了光热效应材料的制备方法,对供水材料的表面、结构和类型进行了分析,并提出了优化这些方面所采用的策略。进一步,还讨论了影响热管理的因素以控制热损失来确保热能最大限度用于蒸发,并总结了SPST加工方法的组合,如图1所示。此外,总结了SPST在海水淡化、废水处理和能源再生等方面的典型应用。最后,总结了SPST所面临的挑战和关键问题,旨在为进一步发展SPST在清洁水生产和应用领域提供全面的认识和指导。

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图1 A为基于“工具盒”概念的SPST三个关键要素及其制备方法,B为SPST 关键因素的加工方法组合(红色字母代表用于构建三个关键因素的加工方法的工具,黑色是构成完整 SPST 的加工方法的其他工具代码)。

该工作为进一步发展SPST在清洁水生产和应用领域提供新的认识和指导。相关成果以“Recent Progress in Solar Photothermal Steam Technology for Water Purification and Energy Utilization”的论文发表在《Chemical Engineering Journal》期刊上,四川大学高分子科学与工程学院博士研究生陈传亮为本文第一作者,邓华教授和陈显春副教授为本文通讯作者。感谢国家自然科学基金(51922071)和高分子材料工程国家重点实验室(Grant No. sklpme2020-2-02) 对本工作的支持。

来源:FQ课题组

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137603

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