《Desalination and Water Treatment》：All-day freshwater generation via low voltage Joule heating–assisted interfacial solar steam generation
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本研究开发了一种基于聚吡咯涂层碳布的双模式界面蒸发器，集成太阳能光热转换与低电压焦耳加热，实现全天候稳定淡水生产。系统在1 sun光照下对去离子水和3.5%海水蒸发率分别为6.51和5.8 kg·m?2·h?1，夜间2.3℃时仍达1.67 L·m?2·h?1，且耐受3.5%-20%盐度范围，无结垢失效，为可持续海水淡化提供新路径。
A.R. 沙基卢尔·拉赫曼（Shakeelur Raheman）| 希金斯·M·威尔逊（Higgins M. Wilson）| 穆罕默德·诺比·侯赛因（Muhammad Nobi Hossain）| 尚俊·李（Sang Joon Lee）
韩国庆北道浦项市南区清岩路77号浦项科技大学机械工程系，邮编37673
摘要
太阳辐射的间歇性限制了界面太阳能蒸汽生成（ISSG）在连续生产淡水方面的实际应用。本文开发了一种基于原位聚合聚吡咯（Ppy）涂层的碳纤维（Ppy-CF）的双模式界面蒸发器，将太阳能光热转换与低压焦耳加热相结合，实现了全天候的海水淡化。碳纤维提供了机械强度高且导电性良好的框架，而Ppy涂层增强了宽带光吸收、表面润湿性和电阻率，从而提高了电热加热效率。由于光-电-热效应的耦合，优化的Ppy-CF-1.5蒸发器在1太阳光照条件下，输入3伏电压时，脱盐水的蒸发速率为6.51千克/平方米·小时，3.5%盐度海水的蒸发速率为5.8千克/平方米·小时；仅采用焦耳加热时，蒸发速率仍保持在4.36千克/平方米·小时。在自然阳光下，结合低压焦耳加热（2伏电压），白天（14.3°C）和夜间（2.3°C）的淡水生产率分别为2.31升/平方米·小时和1.67升/平方米·小时。在室内1太阳光照模拟器下，相对湿度为50%时，经过多次循环测试，淡水生产率稳定在3.89升/平方米·小时。该系统在广泛的盐度范围内（3.5–20%）表现出良好的稳定性，表明其对高盐度海水和盐水的耐受性较强。这一低成本平台为连续和全天候的海水淡化提供了可行的解决方案。
引言
由于全球变暖、工业增长和人口压力增加，全球水资源短缺问题日益严重，因此迫切需要既节能又可持续的海水淡化技术[1]。最近的全球评估表明，到2030年，淡水需求预计将超过供应量近40%，特别是在干旱和半干旱地区，这加剧了社会经济和环境挑战。传统的海水淡化技术（如反渗透）仍是主要选择，但这些技术通常受到高能耗、运营成本和高昂基础设施的限制[2]、[3]。在发展中国家，由于缺乏经济实惠和可持续的水处理方法，这些问题更加突出。因此，亟需开发外部能量输入少、环境影响小的替代淡化技术。界面太阳能蒸汽生成（ISSG）因此受到了广泛关注[4]。通过在水-空气界面局部集中热量，ISSG减少了热量损失，为淡水生产提供了一种环保的方法。这种界面蒸发技术还使得利用低品质和非传统热源成为可能，使其成为分散式淡水生产的多功能平台。最新研究表明，将光热材料工程化到分层多孔气凝胶/水凝胶结构中，可以同时提高宽带光吸收、热量局部化和水分传输能力，在1太阳光照条件下，蒸发速率可达约1.78–2.30千克/平方米·小时，太阳能到热能的转换效率达到91%[5]、[6]、[7]、[8]。
然而，在实际的海水淡化过程中，“淡水生产”不仅取决于稳定的蒸汽生成，还依赖于有效的冷凝/收集；因此，系统级别的可靠性与高蒸发速率同样重要。尽管有这些优势，但由于蒸发表面盐分积累、天气变化导致的稳定性问题以及夜间或光照不足时的出水不稳定，ISSG的广泛应用仍面临挑战[9]。夜间运行尤其具有挑战性，因为环境温度降低和较高的导热/辐射损失会迅速抑制界面温度和蒸汽通量。为了使ISSG成为实用的解决方案，必须对其重新设计，使其能在实际环境中连续可靠地运行。克服这些瓶颈对于将ISSG从概念验证阶段发展为能够持续运行的实际海水淡化技术至关重要。最新研究表明，基于气凝胶的多功能蒸发器可以实现高太阳能热转换效率（约91.5%），并在多次循环中保持稳定的海水淡化效果，同时具备快速溶解盐分的能力。此外，一些气凝胶系统在黑暗条件下也能实现盐分的自我清洁，表明相互连接的孔隙结构和离子扩散路径有助于抗结垢[5]、[7]。现场测试进一步证明，淡化性能应在变化的辐照度和环境条件（温度/湿度/风速）下进行验证，而不仅仅是室内太阳模拟器环境[7]、[8]。虽然这些进展显著提高了白天的淡化效果和多污染物净化能力，但大多数仅依赖光热的蒸发器仍依赖太阳能量，导致夜间和光照不足时的淡水产量较低，这促使人们探索混合电热-光热策略以实现连续生产。
为了解决太阳能的间歇性问题，结合电热蒸发和太阳能光热蒸发的焦耳加热辅助ISSG（JHA-ISSG）成为了一种有效策略[10]、[11]。低压电输入的加入增强了热量生成，使得系统性能不受太阳强度的影响。这种双模式操作不仅提高了蒸发效率，还允许在日落后或阴天继续生产淡水。重要的是，低压操作提高了操作安全性，并可与小型光伏板和电池等紧凑型直流电源直接连接，增强了分散式/离网淡化的可行性。原则上，在太阳光照条件下，加热蒸发界面与较冷的进水之间的温差可以被利用（例如通过热电转换）储存（电池/超级电容器），并在无光照条件下重新用于提供低压焦耳加热输入，从而实现全天候自供电的淡化。然而，JHA-ISSG蒸发器的成功取决于能否找到同时具备高导电性和低热导性的合适材料，以将热能限制在空气-水界面。基于碳的材料，尤其是碳纤维（CF），因其机械强度高、导电性强和可扩展性好而被用于混合电热-光热蒸发[10]、[12]、[13]。它们的编织纤维结构实现了均匀的电流分布和高效的水分传输，这对于稳定的界面蒸发至关重要。然而，纯CF本身的光吸收能力较低，限制了其在太阳能驱动应用中的使用。为了解决这个问题，研究人员通常会引入改性后的光热材料以增强光吸收[14]、[15]、[16]。但传统的方法（如表面涂层、浸渍或喷涂）存在机械稳定性差的问题，因为添加的层可能会在连续运行中分层、脱落或降解，影响耐用性和长期性能。更可靠的策略是在CF上直接原位生长功能性材料，以确保紧密结合、机械强度和结构均匀性。其中，聚吡咯（Ppy）因其固有的导电性、宽带光吸收性和易于聚合的特性而受到关注[17]、[18]。Ppy的共轭聚合物骨架通过非辐射弛豫途径实现了高效的光热转换，其可调的电气特性使其适用于基于焦耳加热的蒸发。先前的研究（特别是在超级电容器和储能应用中）表明，Ppy可以通过原位聚合吡咯单体在CF上均匀生长，形成牢固的导电网络[19]、[20]。这些特性表明，Ppy涂层CF可以作为多功能平台，同时提高光热吸收、电热加热效率和表面润湿性，这些都是高性能界面蒸发的关键。然而，实现（i）耐用的原位光热涂层，（ii）适用于高效低压焦耳加热的导电性调整，以及（iii）在实际户外条件下验证的昼夜淡水收集（而不仅仅是蒸发）仍需进一步研究。尽管如此，将Ppy涂层CF集成到焦耳加热辅助ISSG系统中以实现连续全天候淡化的工作仍不够充分。除了材料开发外，这种方法还解决了下一代化学工程系统中的关键问题，包括过程间歇性、能源效率低下和操作窗口有限。通过在设备层面整合多功能材料属性，Ppy-CF平台实现了连续的系统级运行，而不仅仅是实验室规模的性能展示，突显了功能性材料在推动过程强化和系统可靠性方面的作用。
在本研究中，我们通过在编织CF上原位聚合Ppy，开发了一种坚固的双模式ISSG平台，实现了连续淡化。这种基于Joule加热的蒸发器（Ppy–CF）设计用于安全低压操作（≤3伏）和全天候淡水生产（蒸发与冷凝/收集相结合）。与传统后涂层导电层不同，Ppy在单个CF纤维上均匀生长，形成机械锁定的涂层，通过一步可扩展的过程增强了宽带光热吸收，提高了表面润湿性，促进了有效的水分供应，并提高了电阻率，以实现有效的电热（Joule）加热；同时，CF支架提供了机械强度高且导电性良好的网络，促进了均匀的电流分布和局部界面加热。通过光-电-热耦合，Ppy–CF架构在光照和完全黑暗条件下都能维持稳定的蒸汽生成，1太阳光照条件下，脱盐水的蒸发速率为6.51千克/平方米·小时，海水的蒸发速率为5.8千克/平方米·小时，仅需要3伏电压；仅采用焦耳加热时，蒸发速率仍保持在4.36千克/平方米·小时。除了蒸发指标外，还量化了封闭式淡化原型中的冷凝淡水产量。在2伏电压下的户外白天/夜间现场测试中，白天环境温度约为14.3°C，夜间约为2.3°C，证实了低压焦耳加热可以补偿太阳辐射的波动并减少环境热损失。蒸发器在多次循环中表现出优异的耐久性，没有分层或降解现象，并且在广泛的盐度范围内（3.5–20%）保持稳定，包括高浓度海水和盐水，没有明显的盐结晶或性能下降，表明其具有强大的毛细管传输和离子扩散驱动力。这一发现表明Ppy–CF是一种低成本、高效且环境适应性强的混合ISSG系统，能够在实际条件下实现连续的淡水生产。
结果与讨论
图1示意性地展示了所提出的Joule加热辅助ISSG的工作原理。Ppy-CF层作为一种双模式蒸发器，将光热转换和电热（Joule）加热集成在一个导电且多孔的结构中。CF基底提供了机械强度高且导电性良好的框架，实现了空气-水界面的均匀电流分布和有效热量局部化。
结论
本研究开发了一种基于原位聚合Ppy–CF的双模式界面蒸发器，以克服传统ISSG系统的固有间歇性问题。通过结合太阳能光热转换和低压焦耳加热，Ppy–CF蒸发器在光照和黑暗条件下都能实现连续可靠的淡水生产。导电碳纤维提供了机械强度和均匀的电流传输，而均匀的Ppy涂层进一步增强了...
CRediT作者贡献声明
沙基卢尔·拉赫曼（Shakeelur Raheman A.R.）：概念构思；研究；形式分析；初稿撰写。
希金斯·M·威尔逊（Higgins M. Wilson）：概念构思；研究；形式分析；初稿撰写。
穆罕默德·诺比·侯赛因（Muhammad Nobi Hossain）：研究；形式分析。
尚俊·李（Sang Joon Lee）：指导、资金获取、审稿和编辑。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢韩国政府通过国家研究基金会（NRF）（MSIT）（RS-2024-00341278）提供的财政支持。
