综述：用于可持续废水管理的界面太阳能蒸汽生成技术：工程策略、环境应用及未来展望

《Chemical Engineering Journal》：Interfacial solar steam generation for sustainable wastewater management: engineering strategies, environmental applications, and future perspectives

　　

陈雅茹|牛圆圆|查米尔·钱德|黄亮亮|张长勇

桂林理工大学环境科学与工程学院，中国桂林，541004

摘要

界面太阳能蒸汽生成（ISSG）作为一种有前景且可持续的技术，已在高效废水处理、淡水生产和资源回收方面展现出巨大潜力。本文系统总结了影响ISSG性能的四个关键工程策略的最新进展：(i) 光热转换，利用碳材料、等离子体结构和半导体实现宽带吸收和高效的非辐射衰减；(ii) 热管理，采用绝缘支撑、三维结构和潜热再利用来限制传导、对流和辐射损失；(iii) 蒸发焓降低，通过水凝胶、纳米限制和离子-水相互作用削弱氢键；(iv) 蒸发器配置优化，包括Janus结构、三维结构和无顶设计，以平衡光捕获、供水、蒸汽释放和盐分控制。随后，我们讨论了ISSG在各种废水管理中的应用（例如高盐度盐水、含有机物废水、含重金属废水、受微生物污染的水和受微塑料污染的水），并阐明了污染物去除和资源回收的机制。目前仍存在的挑战包括系统放大、在实际基质中的长期稳定性、挥发性污染物的共传输、结垢和 scaling问题，以及与冷凝和热回收系统的集成。未来的研究应致力于开发耐用、低成本和多功能材料，以在复杂的水质条件下保持高性能，并将ISSG与相变或热电模块集成，实现连续和节能运行。此外，应采用数据驱动的辅助设计和数字孪生建模，优化材料选择、设备架构和系统级集成，以便大规模应用。本综述提供了明确的设计原则、性能基准和集成策略，有助于将ISSG从实验室原型快速转化为高效、低成本、可靠和可持续的太阳能驱动的水净化系统。

引言

全球淡水危机因日益复杂的水污染而加剧，对可持续发展和生态系统健康构成了重大挑战[1]、[2]、[3]、[4]。传统的水处理技术通常存在高资本和运营成本、大量副产品产生（如污泥、盐水和消毒副产品）、复杂的操作和维护需求以及多步骤处理流程等问题。这些限制凸显了迫切需要分散式、经济实惠且低碳的处理技术，这些技术能够在变化的水质和环境条件下可靠运行[5]、[6]、[7]、[8]。界面太阳能蒸汽生成（ISSG）作为一种可持续方法，直接利用太阳能，在气液界面精确地进行太阳能热转换[9]、[10]、[11]，从而驱动水分蒸发同时将热量损失降至最低[12]、[13]、[14]、[15]。这一界面过程为模块化、高效且可能离网的废水管理和清洁水生产提供了一个多功能平台。

提高蒸发速率和整体能源效率对于ISSG技术的实际应用至关重要[16]。ISSG系统的性能受四个关键工程策略的调控。首要目标是提高光热转换效率，这依赖于宽带吸光材料（如等离子体金属[17]、[18]、[19]、碳基纳米材料[20]、[21]、[22]、[23]和半导体[25]、[26]、[27]），并结合定制的光学和表面纳米结构来最大化太阳能捕获和转换。第二策略是高效的热管理，利用隔热基底和热集中三维结构来减少向水体和环境的寄生热量散失[28]、[29]。第三策略是调节蒸发焓，通过引入水传输路径中的功能介质（如水凝胶）改变水的分子状态和氢键网络，从而在相同能量输入下有效降低相变焓并增强水蒸气流量[30]、[31]、[32]。最后，蒸发器架构设计从二维平面设计转向三维和Janus不对称结构[33]、[34]，在光捕获、供水、蒸汽释放和长期运行稳定性之间达到最佳平衡。

尽管在提高ISSG基本性能方面取得了显著进展，但目前的研究正从淡水生产转向复杂废水的精细处理[12]和选择性资源回收[4]、[35]、[36]、[37]。当针对特定应用进行精确定制（如合理材料选择和结构优化）时，ISSG系统表现出显著的功能适应性[38]、[39]、[40]。对于高盐度废水，ISSG可以实现淡水生产和可控的盐结晶，促进资源回收并接近零液体排放[41]、[42]、[43]。ISSG系统可以结合膜分离和催化界面，有效去除污染物；在含有油[12]、[44]、染料[45]或抗生素[24]、[46]的含有机物废水中，甚至可以在蒸发过程中促进原位矿化；在含重金属的废水中[47]、[48]、[49]，在蒸发器内加入特定吸附或反应位点可以实现蒸汽净化和分离。此外，ISSG的界面加热条件有利于灭活病原微生物[50]和捕获或富集新兴污染物（如微塑料）[51]。

尽管近年来界面太阳能蒸汽生成（ISSG）领域得到了广泛研究，但现有综述往往集中在特定子领域。例如，一些综述详细介绍了用于太阳能脱盐和清洁水生产的 fotothermal 材料和蒸发器设计的进展（如 J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 18470），而其他综述则系统讨论了ISSG与能源可持续性和环境应用的集成（如 Nature Water, 2025, 3, 144–156）。还有一些综述强调了材料创新、结构工程和特定污染物去除机制。然而，很少有研究全面系统地分析这四个基本工程策略（光热转换、热管理、焓降低和配置优化）及其在包括高盐度、有机物、重金属、微生物和含微塑料废水在内的各种复杂废水流中的应用。此外，蒸发性能与资源回收（如锂、铀和盐的回收）之间的协同作用在之前的综述中尚未得到充分探讨。本综述旨在通过提供结构化和应用导向的视角来填补这些空白，不仅整合了最新的材料和设计进展，还批判性地评估了它们在实际废水场景中的实施情况，从而为可扩展、多功能和可持续的太阳能驱动的水管理系统提供了明确的设计原则和集成路径。

本文系统阐述了提高蒸发性能的主要技术解决方案，包括光热转换、热管理、蒸发焓降低和蒸发器配置优化。随后，我们全面概述了将ISSG应用于处理各种类型水污染物的最新进展，重点介绍了材料设计原则、结构-功能关系及其背后的机制。此外，本文还讨论了系统放大和长期稳定性方面的挑战，并探讨了旨在提高效率、耐用性和与相关技术集成的未来研究方向。总体而言，这项工作为下一代界面蒸发系统的发展提供了关键见解，以促进可持续的水处理和资源回收。

章节片段

高性能ISSG的关键工程设计策略

最近在ISSG方面的进展集中在通过四种关键策略提高太阳能到蒸汽的效率：(1) 提高光热转换效率；(2) 改进热管理；(3) 降低蒸发焓；(4) 优化蒸发器配置。以下小节总结了每个方向的代表性进展，重点介绍了材料设计、机制和结构-性能关系。

用于先进废水管理和资源回收的ISSG

ISSG技术在处理生活和工业废水及资源回收中发挥了重要作用。通过将太阳能直接转化为局部界面热能，ISSG能够在最少的外部能量输入下从复杂废水中生产出清洁的淡水。最新进展表明，ISSG的适应性可以扩展到多种废水类型，包括高盐度废水、含有机物废水和含重金属废水

挑战与展望

尽管在试点规模验证和性能优化方面取得了显著进展，但界面太阳能蒸汽生成（ISSG）从实验室创新向广泛工业应用的过渡面临三个相互关联的瓶颈：材料级别的适应性和耐用性限制、实际条件下的系统级能量-质量管理挑战，以及多过程集成方面的技术差距，这些限制影响了资源的有效回收。

结论

界面太阳能蒸汽生成（ISSG）已从一个新兴概念发展成为一种有前景且多用途的可持续废水处理和资源回收技术。其独特优势在于在气液界面局部化太阳能热能，从而最小化热量损失并最大化蒸发效率。通过四种关键工程策略——增强光热转换、优化热管理、降低水蒸发焓和合理设计蒸发器

CRediT作者贡献声明

陈雅茹：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、调查、正式分析、数据管理、概念化。牛圆圆：撰写——审稿与编辑、可视化、正式分析。查米尔·钱德：撰写——审稿与编辑、方法论、调查。黄亮亮：撰写——审稿与编辑、资金获取。张长勇：撰写——审稿与编辑、监督、调查、资金获取、正式分析、数据管理

利益冲突声明

作者声明他们没有影响本工作的任何利益冲突。

致谢

我们衷心感谢 国家自然科学基金（编号：52370090）对张长勇教授的支持。