综述：生物纳米颗粒增强相变材料在太阳能海水淡化中的储能研究景观——科学计量学框架的映射

本综述系统探讨了利用生物纳米颗粒增强相变材料（PCM）提升单盆太阳能蒸馏器（SBS）性能的研究进展。通过科学计量学方法梳理了纳米材料（如CuO、Al2O3、ZnO）与PCM（如石蜡）的协同作用，实验证明其可将淡水产量提升最高125%，并显著改善热效率与能源可持续性，为偏远地区淡水供应提供创新解决方案。

　　

2 Material and methodology

2.1 Experimental setup of stepped single-basin solar stills (SBS)

实验采用阶梯式单盆太阳能蒸馏器（SBS），盆面积为1.0?m²，水深0.1?m，表面涂覆哑光黑漆以最大化太阳光吸收。透明玻璃盖倾角为30°，便于冷凝水收集。阶梯设计通过水平分层增加蒸发表面积。石蜡作为相变材料（PCM）置于铝容器中，嵌入盆底，用于储存热能并在日照不足时释放。铜纳米颗粒（Cu NPs）以0.1?wt%浓度分散于PCM中，农基纤维铺于阶梯以促进水分均匀分布。实验使用K型热电偶和辐射仪监测环境参数，每小时测量产水量。

2.2 Using SBS, PCM and nanofluid in diverse materials

PCM与纳米流体结合显著提升SBS性能。纳米流体（如Al₂O₃、CuO）增强热传导，加速蒸发-冷凝循环。研究表明，Al₂O₃纳米流体使产水效率提升73.80%，CuO提升84.20%。纳米PCM复合材料（如石蜡-TiO₂）将热效率提高至88.64%。CuO纳米流体在50–100?mm水深下实现3.51?L/m²/天的产率。热电通道与Cu₂O纳米流体结合，能效达112.5%。

2.3 Energy-absorbing materials of the SBS component landscape

SBS采用多种储能材料（ESM）提升性能。棉袋填充沙子的热效率达31.31%；玄武岩石块（1–2?cm）使效率提升至33.37%；石墨材料实现7.731?L/m²/天产率和60%热效率；磁性介质（BMSS）产水3.15?kg/m²，较常规系统（CSS）提升20.7%。咖啡衍生物质提升产率35.14%，黏土材料实现5.39?L/m²产出。多孔材料（如泡沫、气凝胶）和生物聚合物水凝胶（如壳聚糖/藻酸盐）用于改善蒸发和热管理。

2.4 Mapping the research landscape: solar desalination

太阳能海水淡化研究从传统CSS向被动、主动及混合系统演进。被动系统包括单/双斜坡盆式、阶梯式和芯型蒸馏器；主动系统集成平板集热器、真空管或PV/T单元。纳米材料、光热涂层和PCM用于提升吸热、储能和夜间产水。界面蒸发器（如碳基泡沫、气凝胶）和纳米增强PCM（如Al₂O₃、石墨烯）广泛研究。冷凝技术通过疏水/亲水表面图案化、滴状促进剂和冷却强化提升回收率。先进系统如加湿-除湿（HDH）、膜蒸馏（MD）和太阳能驱动反渗透（RO）混合系统致力于高输出和可扩展性。性能指标包括日产水量（L·m^?2·day^?1）、热/?效率、水质和水平均成本（LCW）。当前瓶颈包括标准化缺乏、长期户外稳定性、结垢控制及经济可行性。新兴趋势聚焦排盐结构、滴状冷凝表面、纳米增强PCM和AI优化。

3 Solar still comparative studies with single and double slopes

单斜率蒸馏器平均日产1.629?kg，双斜率产1.44?kg。水温可达60–61°C。PCM和纳米流体增强对流，提升产率。双斜率蒸馏器在夏季和冬季均表现更优。金字塔型盆体年最优倾角为30.3°（单斜率）、45.0°（双斜率）和65.0°（金字塔型），产水提升28%。机器学习（MATLAB）优化PCM（石蜡）和绝缘材料（玻璃棉）方案，最低年成本（TAC）为71.67美元。多目标优化（MOO）显示PCM质量约1?kg时，年蒸馏水改善4.35%，能效提升1.47%。介电阻挡放电（DBD）等离子涂层增加冷凝表面疏水性，提升产水25.7%。

4 CSS guidance based on SBS upgrade techniques and impending difficulties

SBS升级技术聚焦热盆区优化。纳米PCM复合材料克服CSS局限，但面临环境与经济挑战。建议优先开发环保材料（如生物纳米颗粒）、改进吸收器设计、寻找玻璃盖替代品。未来需加强热储能材料多样性研究、吸收器性能优化及维护解决方案。

5 Conclusion

SBS通过PCM和纳米流体显著提升太阳能海水淡化性能。关键结论包括：多盆冷凝器设计提升产率62%；抛物面聚光器使产水提升140.4%；部分球形脊涂层产水提高26.47%；SBS产水成本降至0.0067?/L（传统系统为0.049?/L）。生物纳米颗粒与PCM结合增强热传导和可持续性，降低环境风险。未来需开发高热导生物纳米颗粒、优化PCM稳定性、进行生命周期评估（LCA）和成本分析，推动太阳能淡化技术在资源受限地区的应用。