一種高效太陽能驅動淡化海水技術的研究
前言：界面太陽能蒸汽發生技術成為高效脫鹽的一種有前途的方法。雖然已經做出了不少努力，但仍存在挑戰，需要在多種性能名額之間達到平衡——例如，快速蒸發、耐久性、低成本部署和排鹽效果等。
通過示範碳化動物糞便可以将98%的太陽能轉化為熱能，而多孔碳纖維網絡的強毛細作用可以将足夠的水泵送到蒸發界面。
微通道内的鹽擴散可以迅速将鹽水排到海水中，避免鹽的積累。憑借這些優勢，生物質蒸發器在1個太陽下擁有高達2.81千克/平方米小時的高蒸發速率，并且對酸堿度具有廣泛的穩健性。
這些優點以及易于部署的特點，為将農業廢棄物轉化為高效能源提供了一種方法，特别适合于發展中地區。
通過寬譜光線的吸收、提高光熱轉換效率、動态水運輸、熱定位和鹽排除，可以提高系統的效率。
這些方法包括選擇吸收光線的納米材料、具有大孔或蜂窩結構的超材料，以及将光線困在如大孔結構的微觀結構中。
使用超親水性海綿，使足夠的水被輸送到蒸發表面。太陽驅動的界面蒸發，将太陽熱能局限在液氣界面的一定區域内，而不是進行容積加熱，可以最小化熱擴散到底層的大量水中。
人工設計或自然存在的鹽排放通道已被用于保護蒸發器免受鹽積累的影響，進而實作持續的水脫鹽。
上述設計原則，高吸收率的太陽吸收體、出色的熱定位和優化的鹽/水通道已被證明可以接近理論上的最高蒸發速率，即1個太陽下的1.60千克/平方米小時。
基于水凝膠的太陽蒸發器，通過調節水分子和聚合物網絡之間的互相作用以及表面潤濕狀态，已經驗證可以實作創紀錄的蒸發。
在Ar保護環境下，幹燥的動物糞便在碳化後縮小了尺寸，并且具有機械穩定性，能夠承受超過其重量330倍的荷載而不變形。
在完全碳化後，-C=C-鍵有助于光吸收。總之，最佳碳化溫度确定為800°C，X射線衍射圖譜的20°-25°區域（用紅圈圈出）有一個寬峰，而在800°C處理過的CM中消失了，因為纖維素被碳化成碳。
相比之下，未經碳化的幹燥和浸泡在水中的動物糞便的太陽吸收率分别為0.77和0.86。CM的太陽吸收率接近于1，這歸因于碳化纖維的光捕獲，盡管碳化溫度不同。
CM蒸發器的多孔結構延長了光路以增強太陽吸收率。由于碳纖維網絡的多次反射和散射，入射陽光幾乎不會反射。
未碳化的動物糞便和CM之間太陽吸收率的顯著差異主要歸因于碳的高消光系數與纖維素的可忽略消光系數之間的差異。
當碳纖維處于納米尺度時，散射效應還會增強太陽吸收率。此外，無論是幹燥的CM還是浸泡在水中的CM，其太陽吸收率在高斜角（60°）下也是角度無關的，表明它可以有效地從所有入射角度吸收
在實際戶外應用中，快速的光熱響應和熱量定位将顯著提高每天的清潔水産量。在10個太陽的照射下，CM蒸發器表面的停滞溫度達到87℃，足以快速蒸發水。
當CM蒸發器被5個太陽照射時，可以看到蒸汽，即使在弱太陽輻照度（0.5 kW m−2）下，它仍然可以産生31.6℃的停滞溫度，表明其在日出和日落前後的陽光下工作的潛力。
太陽能驅動的海水淡化需要具備良好的耐鹽性和在惡劣環境下的魯棒性。水路中的鹽堆積會嚴重阻礙水的泵送、鹽的排放和光的吸收，進而使蒸發速率急劇降低，甚至降至零。
使用具有優異耐鹽性的蒸發材料限制鹽的堆積是至關重要的，特别是對于處理高鹽度水溶液的應用。
在實驗中，即使使用15wt％ NaCl溶液，在1 kW m−2的照射下也沒有鹽堆積。 CM的蒸發速率從純水的2.81 kg m−2 h−1降至15 wt％ NaCl溶液的2.25 kg m−2 h−1。
在20 suns照射下展示了20 kg m−2 h−1的蒸發速率，而CM蒸發器的頂部表面沒有鹽積累，表明它在高鹽度（15wt％ NaCl溶液）環境和高太陽輻照度（20 kW m−2）下的魯棒性。
使用3.5wt％ NaCl溶液進行連續16小時的太陽能淡化實驗，平均光熱效率達到89％。鹽在碳纖維表面結晶，但供水和鹽排放的微型通道持續存在，可用于連續淡化處理。
結論：本研究展示了一種具有高效光熱轉換和熱局部化能力的多孔碳材料（CM）蒸發器，該蒸發器具有優異的抗鹽能力和魯棒性，可用于高鹽度和高光照強度下的太陽能驅動脫鹽。
CM蒸發器能夠在高達20 kW/m²的太陽光照射下實作20 kg/m²·h的高速蒸發，并且能夠在高濃度NaCl溶液（15 wt%）下運作，而不會發生鹽堆積。CM蒸發器具有快速光熱響應和熱局部化能力，這有助于提高日清潔水産量。
本研究為高效太陽能驅動的脫鹽技術的發展提供了有力支援，并為太陽能蒸發系統的實際應用提供了實用的解決方案。
