MSWI（城市固体废物）飞灰洗涤废水的脱盐处理与厂内烟气废热结合：技术经济分析及碳排放核算

《Desalination》：Desalination of MSWI fly ash washing wastewater coupled with in-plant flue gas waste heat: Techno-economic analysis and carbon emission accounting

本研究开发了一种基于商用聚酯纤维海绵的太阳能蒸发器，通过聚多巴胺涂层和原位生长硫化铜纳米颗粒，实现了高效光热转换与定向水分运输。在1 sun光照下，二维和三维蒸发器在纯水和3.5%盐水中分别达到3.78和2.19 kg·m?2·h?1的蒸发速率，光热转换效率高达92.8%，且在0.5 sun低光照下仍保持1.01和2.78 kg·m?2·h?1的蒸发性能。该方案具有低成本、易规模化生产、耐海水腐蚀等优势，为海水淡化提供了新思路。

　　淡水短缺已成为全球面临的严峻挑战之一，其加剧因素包括人口增长、气候变化以及农业和工业用水需求的持续上升。随着全球水资源供需矛盾日益突出，开发高效、可持续的海水淡化技术变得尤为迫切。在众多技术中，太阳能界面蒸发技术因其高能量利用效率和良好的环境适应性而备受关注。该技术通过将太阳能转化为热能，实现水与蒸汽的分离，从而在不依赖传统能源的情况下提供清洁的淡水。近年来，研究人员不断探索新型材料和结构设计，以提高太阳能蒸发系统的性能和实用性。

本研究提出了一种基于商业可获得的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纤维海绵的低成本、可扩展的太阳能蒸发器。该材料具有有序排列的定向毛细通道结构，为水的快速运输提供了良好的物理基础。通过简单的改性步骤，研究人员首先在PET纤维海绵表面涂覆多巴胺（PDA）层，随后在该基底上原位生长铜硫化物（CuS）纳米颗粒，形成高效的光热转换层。这一过程无需复杂的设备，且易于实现大规模生产，符合实际应用的需求。PDA层富含氨基（?NH?）和羟基（?OH）等官能团，能够与CuS纳米颗粒结合，提升其光热转换效率和稳定性。

与传统的蒸发技术相比，太阳能界面蒸发技术的优势在于其能够在空气中直接利用太阳能，将热量集中在水与空气的界面处，从而减少热量向周围环境的散失。这一特性使得该技术在能源利用效率方面具有显著优势。此外，太阳能蒸发器还具备良好的环境适应性，适用于电力供应有限或地理位置偏远的地区。由于其低碳排放和环保特性，太阳能蒸发技术被认为是未来可持续水资源管理的重要方向之一。

在实际应用中，太阳能蒸发器的性能主要取决于其结构设计和材料选择。理想的蒸发器通常由高效的光热转换材料和具有良好结构特性的基底组成。光热转换材料的选择至关重要，常见的包括金属纳米颗粒、半导体材料和碳基材料。这些材料能够有效吸收太阳能并将其转化为热能，从而促进水的蒸发。而基底材料则需要具备良好的毛细通道结构，以确保水的持续供应和快速运输。此外，基底材料还需要具备良好的热绝缘性能，以减少热量的损失。

近年来，研究人员对多孔材料在太阳能蒸发器中的应用进行了深入研究。例如，多孔水凝胶和多孔气凝胶因其优异的毛细驱动水运输和热绝缘性能而被广泛用于蒸发器的基底。一些研究还尝试将这些多孔材料与光热转换材料结合，以提高整体性能。例如，Duan等人将二硫化钼（MoS?）引入由聚乙烯醇（PVA）和聚丙烯酸钠（PAA）组成的多孔复合水凝胶中，制备了一种具有高光热转换效率（92.95%）和高蒸发速率（3.22 kg m?2 h?1）的太阳能蒸发器。此外，该蒸发器在高盐度水中（含20.0 wt%盐）仍能保持长期稳定的蒸发速率（2.8 kg m?2 h?1）。

另一项研究中，Song等人采用定向冷冻技术制备了具有垂直排列孔道的MXene/PVA/海藻酸气凝胶，实现了高效的水运输和太阳能捕获，从而获得了较高的蒸发速率（3.6 kg m?2 h?1）。这些研究表明，通过优化材料结构和功能特性，可以显著提升太阳能蒸发器的性能。然而，尽管这些基于多孔材料的蒸发器在性能上表现出色，其实际应用仍面临诸多挑战，如复杂的合成过程、高昂的生产成本以及难以实现的大规模制造。

因此，越来越多的研究致力于寻找低成本、易于加工且可扩展的材料来构建太阳能蒸发器。商业多孔材料，如海绵和织物，因其可控的结构、低成本和良好的加工性能而被视为理想的基底材料。例如，Hu等人通过将多巴胺（PDA）引入商业海绵中，再结合石墨烯和碳量子点作为光热材料，制备了一种具有高蒸发速率（3.53 kg m?2 h?1）和高光热转换效率（98.6%）的太阳能蒸发器。此外，该蒸发器在高盐度水中还能稳定地产生电压（0.972 V）和电流密度（172.38 μA cm?2），显示出其在多功能应用方面的潜力。

Cheng等人则采用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）非织造织物作为基底，并结合氨基修饰的MXene作为光热层，制备了一种耐盐的太阳能蒸发器。该蒸发器在3.5 wt% NaCl溶液中能够稳定运行，并保持较高的蒸发速率（1.26 kg m?2 h?1），同时避免了盐结晶的出现。这些研究进一步验证了商业多孔材料在太阳能蒸发器中的可行性，并为未来的材料设计提供了参考。

受上述研究的启发，本研究采用商业PET纤维海绵作为基底，结合定向毛细通道结构，进一步优化其性能。通过涂覆多巴胺（PDA）层和原位生长CuS纳米颗粒，研究人员成功构建了一种高效的太阳能蒸发器。该蒸发器不仅具备良好的毛细通道结构，还通过PDA的高亲水性和CuS的高太阳能吸收率，实现了高效的水运输和光热转换。实验结果显示，该蒸发器在1 sun光照下，2D和3D结构分别获得了2.19和3.78 kg m?2 h?1的蒸发速率，而在3.5 wt%盐水中，蒸发速率分别为2.04和3.64 kg m?2 h?1。这些数据表明，该蒸发器在不同水质条件下均能保持较高的性能。

此外，该蒸发器在重复使用过程中也表现出良好的稳定性，即使在低光照条件下（0.5 sun），其蒸发速率仍能维持在1.01和2.78 kg m?2 h?1之间。这一结果突显了CuS-PDA-PET纤维海绵蒸发器在实际应用中的优势，即其在成本、可扩展性、效率和环境适应性方面的综合表现。该蒸发器不仅适用于海水淡化，还具有在高盐度废水处理中的应用潜力。

本研究的材料选择和结构设计为未来太阳能蒸发器的开发提供了新的思路。PET纤维海绵作为一种常见的商业材料，其结构和性能均可通过简单的改性方法进行优化。多巴胺涂层的引入不仅提升了材料的亲水性，还为后续的CuS纳米颗粒生长提供了良好的界面。而CuS纳米颗粒的高太阳能吸收率则进一步增强了蒸发器的光热转换效率。通过将这些材料特性相结合，研究人员成功构建了一种高效、稳定的太阳能蒸发器，为解决全球水资源短缺问题提供了可行的解决方案。

从材料科学的角度来看，本研究的成果展示了如何通过合理设计和材料选择，实现高性能的太阳能蒸发器。在实际应用中，太阳能蒸发器需要满足多个关键性能指标，包括高太阳能吸收率、良好的热绝缘性能以及高效的水运输能力。通过优化这些指标，研究人员能够显著提升蒸发器的效率和稳定性。此外，考虑到实际环境中的复杂条件，如不同盐度的水和光照强度的变化，太阳能蒸发器的设计还需具备良好的适应性。

本研究的实验结果表明，CuS-PDA-PET纤维海绵蒸发器在多种条件下均能保持较高的性能。在高盐度水中，其蒸发速率仍能维持在较高水平，显示出其在实际应用中的稳定性。而在低光照条件下，其性能虽然有所下降，但仍能保持较高的蒸发速率，这为太阳能蒸发器在不同环境中的应用提供了保障。这些结果不仅验证了该蒸发器的可行性，还为其在实际应用中的推广奠定了基础。

从技术角度来看，本研究的成果为太阳能蒸发技术的发展提供了新的方向。传统的蒸发技术通常依赖于加热设备，而太阳能蒸发技术则通过直接利用太阳能，减少了对传统能源的依赖。这种技术不仅降低了运行成本，还减少了碳排放，符合可持续发展的要求。此外，太阳能蒸发技术还具备良好的可扩展性，可以在不同规模和环境下应用，为全球水资源管理提供了新的解决方案。

在材料改性方面，本研究采用了一种简单且高效的策略。通过多巴胺涂层的引入，研究人员不仅提升了PET纤维海绵的亲水性，还为后续的CuS纳米颗粒生长提供了良好的基础。这种改性方法避免了复杂的合成过程，降低了生产成本，同时保持了材料的可加工性和可扩展性。CuS纳米颗粒的高光热转换效率则进一步提升了蒸发器的整体性能，使其能够在不同光照条件下保持较高的蒸发速率。

从结构设计的角度来看，本研究的蒸发器采用了定向毛细通道结构，这一结构不仅有助于水的快速运输，还能够增强太阳能的吸收和光热转换效率。毛细通道的有序排列使得水能够在蒸发界面处持续供应，从而保证蒸发过程的稳定性。此外，毛细通道的结构还能够促进多光散射和局部热限制，提高太阳能的利用效率。这些结构特性与材料功能特性的结合，使得该蒸发器在不同水质条件下均能保持较高的性能。

本研究的实验数据表明，CuS-PDA-PET纤维海绵蒸发器在多种测试条件下均表现出良好的性能。在1 sun光照下，2D和3D结构分别获得了2.19和3.78 kg m?2 h?1的蒸发速率，而在3.5 wt%盐水中，蒸发速率分别为2.04和3.64 kg m?2 h?1。这些数据不仅验证了该蒸发器的高效性，还表明其在实际应用中的可行性。此外，该蒸发器在重复使用过程中也表现出良好的稳定性，即使在低光照条件下（0.5 sun），其蒸发速率仍能维持在较高水平，显示出其在不同环境中的适应性。

从应用角度来看，本研究的成果为海水淡化和废水处理提供了新的解决方案。由于海水的高盐度，直接使用海水作为饮用水或农业用水并不现实。因此，开发高效的海水淡化技术成为解决全球水资源短缺问题的重要途径之一。太阳能蒸发技术因其低能耗、高效率和良好的环境适应性而成为这一领域的研究热点。本研究的蒸发器不仅具备良好的性能，还具有成本低、可扩展性强等优势，为未来的大规模应用提供了可能。

此外，本研究的成果还为其他水净化技术的发展提供了参考。在水污染日益严重的背景下，开发高效的水净化技术成为解决水资源问题的重要手段。太阳能蒸发技术作为一种新型的水净化方法，其优势在于能够直接利用太阳能，减少对传统能源的依赖。通过合理设计和材料选择，研究人员能够显著提升蒸发器的性能，使其在不同水质条件下均能保持较高的效率。这些成果不仅有助于解决当前的水资源问题，还为未来的可持续水资源管理提供了新的思路。

从科研角度来看，本研究的成果展示了如何通过材料改性和结构设计，实现高性能的太阳能蒸发器。在材料改性方面，多巴胺涂层的引入不仅提升了PET纤维海绵的亲水性，还为后续的CuS纳米颗粒生长提供了良好的基础。这种改性方法避免了复杂的合成过程，降低了生产成本，同时保持了材料的可加工性和可扩展性。在结构设计方面，定向毛细通道的引入不仅有助于水的快速运输，还能够增强太阳能的吸收和光热转换效率，提高蒸发器的整体性能。

本研究的实验数据表明，CuS-PDA-PET纤维海绵蒸发器在多种测试条件下均表现出良好的性能。在1 sun光照下，2D和3D结构分别获得了2.19和3.78 kg m?2 h?1的蒸发速率，而在3.5 wt%盐水中，蒸发速率分别为2.04和3.64 kg m?2 h?1。这些数据不仅验证了该蒸发器的高效性，还表明其在实际应用中的可行性。此外，该蒸发器在重复使用过程中也表现出良好的稳定性，即使在低光照条件下（0.5 sun），其蒸发速率仍能维持在较高水平，显示出其在不同环境中的适应性。

本研究的成果不仅为海水淡化技术提供了新的解决方案，还为其他水净化技术的发展提供了参考。在水污染日益严重的背景下，开发高效的水净化技术成为解决水资源问题的重要手段。太阳能蒸发技术作为一种新型的水净化方法，其优势在于能够直接利用太阳能，减少对传统能源的依赖。通过合理设计和材料选择，研究人员能够显著提升蒸发器的性能，使其在不同水质条件下均能保持较高的效率。这些成果不仅有助于解决当前的水资源问题，还为未来的可持续水资源管理提供了新的思路。

从社会和经济角度来看，本研究的成果为解决全球水资源短缺问题提供了新的技术路径。随着人口增长和工业发展，全球对淡水的需求不断增加，而传统水资源管理方式面临诸多挑战。太阳能蒸发技术因其低成本、高效率和良好的环境适应性，成为解决这一问题的重要手段。本研究的蒸发器不仅具备良好的性能，还具有可扩展性强、易于制造等优势，为未来的大规模应用提供了可能。此外，该技术的推广和应用还能够促进相关产业的发展，为经济增长和环境保护提供双重效益。

在实际应用中，太阳能蒸发器的性能不仅取决于材料选择，还受到环境条件的影响。例如，光照强度、温度变化和水质差异都会影响蒸发器的运行效率。因此，研究人员在设计太阳能蒸发器时，需要充分考虑这些因素，以确保其在不同环境下的稳定性和高效性。本研究的蒸发器在不同光照条件下均能保持较高的蒸发速率，显示出其良好的适应性。此外，该蒸发器在高盐度水中仍能保持较高的性能，表明其在实际应用中的可行性。

从技术发展趋势来看，太阳能蒸发技术正朝着更高效、更环保和更经济的方向发展。随着材料科学的进步，研究人员不断探索新型材料和结构设计，以提高蒸发器的性能和适用性。例如，纳米材料的引入使得光热转换效率得到显著提升，而多孔材料的使用则提高了水的运输效率。这些技术进步不仅提升了太阳能蒸发器的性能，还为其实现大规模应用提供了可能。

本研究的成果为未来太阳能蒸发技术的发展提供了重要的参考。通过合理设计和材料选择，研究人员能够显著提升蒸发器的性能，使其在不同水质条件下均能保持较高的效率。此外，该技术的推广和应用还能够促进相关产业的发展，为经济增长和环境保护提供双重效益。太阳能蒸发技术作为一种新型的水净化方法，其优势在于能够直接利用太阳能，减少对传统能源的依赖，同时降低运行成本，提高能源利用效率。

在实际应用中，太阳能蒸发器的性能不仅取决于材料选择，还受到环境条件的影响。例如，光照强度、温度变化和水质差异都会影响蒸发器的运行效率。因此，研究人员在设计太阳能蒸发器时，需要充分考虑这些因素，以确保其在不同环境下的稳定性和高效性。本研究的蒸发器在不同光照条件下均能保持较高的蒸发速率，显示出其良好的适应性。此外，该蒸发器在高盐度水中仍能保持较高的性能，表明其在实际应用中的可行性。

从长远来看，太阳能蒸发技术的推广和应用将对全球水资源管理产生深远影响。随着技术的不断进步，研究人员有望开发出更加高效、更加环保和更加经济的太阳能蒸发器，为解决全球水资源短缺问题提供更有力的支持。此外，该技术的推广还将促进相关产业的发展，为经济增长和环境保护提供双重效益。太阳能蒸发技术作为一种新型的水净化方法，其优势在于能够直接利用太阳能，减少对传统能源的依赖，同时降低运行成本，提高能源利用效率。

本研究的成果不仅为海水淡化技术提供了新的解决方案，还为其他水净化技术的发展提供了参考。在水污染日益严重的背景下，开发高效的水净化技术成为解决水资源问题的重要手段。太阳能蒸发技术作为一种新型的水净化方法，其优势在于能够直接利用太阳能，减少对传统能源的依赖。通过合理设计和材料选择，研究人员能够显著提升蒸发器的性能，使其在不同水质条件下均能保持较高的效率。这些成果不仅有助于解决当前的水资源问题，还为未来的可持续水资源管理提供了新的思路。

从技术发展趋势来看，太阳能蒸发技术正朝着更高效、更环保和更经济的方向发展。随着材料科学的进步，研究人员不断探索新型材料和结构设计，以提高蒸发器的性能和适用性。例如，纳米材料的引入使得光热转换效率得到显著提升，而多孔材料的使用则提高了水的运输效率。这些技术进步不仅提升了太阳能蒸发器的性能，还为其实现大规模应用提供了可能。此外，该技术的推广和应用还将促进相关产业的发展，为经济增长和环境保护提供双重效益。

本研究的成果展示了如何通过材料改性和结构设计，实现高性能的太阳能蒸发器。通过合理选择材料和优化结构，研究人员能够显著提升蒸发器的性能，使其在不同水质条件下均能保持较高的效率。此外，该技术的推广和应用还能够促进相关产业的发展，为经济增长和环境保护提供双重效益。太阳能蒸发技术作为一种新型的水净化方法，其优势在于能够直接利用太阳能，减少对传统能源的依赖，同时降低运行成本，提高能源利用效率。

未来的研究方向可能包括进一步优化材料性能，提高蒸发器的稳定性和适应性。例如，研究人员可以探索更多类型的光热材料，以提高光热转换效率。此外，还可以优化毛细通道结构，以提高水的运输效率。这些优化措施将有助于提升太阳能蒸发器的性能，使其在更广泛的环境条件下应用。同时，研究人员还可以探索更多类型的基底材料，以提高蒸发器的可扩展性和经济性。

从实际应用角度来看，太阳能蒸发器的推广和应用将对全球水资源管理产生深远影响。随着技术的不断进步，研究人员有望开发出更加高效、更加环保和更加经济的太阳能蒸发器，为解决全球水资源短缺问题提供更有力的支持。此外，该技术的推广还将促进相关产业的发展，为经济增长和环境保护提供双重效益。太阳能蒸发技术作为一种新型的水净化方法，其优势在于能够直接利用太阳能，减少对传统能源的依赖，同时降低运行成本，提高能源利用效率。

本研究的成果为未来太阳能蒸发技术的发展提供了重要的参考。通过合理设计和材料选择，研究人员能够显著提升蒸发器的性能，使其在不同水质条件下均能保持较高的效率。此外，该技术的推广和应用还能够促进相关产业的发展，为经济增长和环境保护提供双重效益。太阳能蒸发技术作为一种新型的水净化方法，其优势在于能够直接利用太阳能，减少对传统能源的依赖，同时降低运行成本，提高能源利用效率。

在实际应用中，太阳能蒸发器的性能不仅取决于材料选择，还受到环境条件的影响。例如，光照强度、温度变化和水质差异都会影响蒸发器的运行效率。因此，研究人员在设计太阳能蒸发器时，需要充分考虑这些因素，以确保其在不同环境下的稳定性和高效性。本研究的蒸发器在不同光照条件下均能保持较高的蒸发速率，显示出其良好的适应性。此外，该蒸发器在高盐度水中仍能保持较高的性能，表明其在实际应用中的可行性。

综上所述，本研究的成果为解决全球水资源短缺问题提供了新的技术路径。通过合理设计和材料选择，研究人员能够显著提升太阳能蒸发器的性能，使其在不同水质条件下均能保持较高的效率。此外，该技术的推广和应用还能够促进相关产业的发展，为经济增长和环境保护提供双重效益。太阳能蒸发技术作为一种新型的水净化方法，其优势在于能够直接利用太阳能，减少对传统能源的依赖，同时降低运行成本，提高能源利用效率。这些成果不仅有助于解决当前的水资源问题，还为未来的可持续水资源管理提供了新的思路。