综述：用于太阳能海水淡化的无接触蒸发：基本原理与创新设计综述

《Desalination》：Contactless evaporation for solar desalination: A review of fundamental principles and innovative designs

　　

•概述了无接触蒸发的关键物理机制和多物理场建模。
•分析了蒸发器材料趋势和几何设计优化中的关键挑战。
•指出了设计集成盐水 - 淡水共生产系统中的关键差距。
•提出了该领域未来研究的四个优先方向。

引言

地球上的淡水资源占总水量的不到 3% [1]。许多地区由于地理或气候条件面临严重的淡水短缺，这种情况极大地限制了当地的经济社会发展 [2]。海水或咸水脱盐已成为解决淡水稀缺的关键方案 [3]。然而，主流脱盐技术如反渗透 (RO) 和传统热脱盐（如多级闪蒸 (MSF) 和多效蒸馏 (MED)）能耗高且严重依赖化石燃料 [4]，导致运营成本和碳排放高。这对拥有丰富太阳能资源但缺乏稳固能源基础设施的偏远干旱地区构成了特殊挑战，这颇具讽刺意味 [5]。因此，开发太阳能驱动的脱盐技术是可持续生产淡水的关键途径 [6]。

太阳能界面蒸发代表了太阳能脱盐的一个有前景的进展。与通过多个转换步骤浪费能源的传统方法不同，例如间接系统（光伏驱动的 RO、太阳能驱动的 MED [7] 和太阳能驱动的 MSF [8]）或直接系统（太阳能蒸馏器 [9] 和太阳能膜蒸馏 [10]），太阳能界面蒸发将太阳能转化为水面上的局部热量，仅在气 - 液界面产生蒸汽 [11]。通过绕过这些低效率并将热量严格限制在蒸发区，太阳能界面蒸发显著提高了整体效率，同时降低了系统复杂性。因此，它因能够实现低成本、可持续脱盐而引起了广泛关注，并推动了创新材料和系统设计，以最大化蒸发面积和改善热量定位，包括 3D 结构蒸发器、仿生蒸发器和悬浮蒸发器（图 1a）。然而，尽管取得了这些进展，太阳能界面蒸发仍因盐结垢而面临局限性。由于光热层与海水接触，盐晶体 inevitably 沉积在吸热器表面，降低了光吸收，阻塞了水传输通道，并随着时间的推移损害了整体系统的效率和稳定性 [12], [13]。虽然目前的缓解策略试图通过增强马兰戈尼流 [14]、加速水补给 [15] 和引入自清洁结构 [16] 来重新定向盐积累，但这只能延缓问题；在长时间运行过程中，盐最终会扩散回活性表面并导致性能下降。

将太阳能光热吸热器与盐水表面物理分离是充分抑制盐结垢的最佳策略。将吸热器悬浮在水面上方创造了一个固有的空气屏障，阻止盐晶体沉积；然而，这种介入的空气间隙破坏了向本体水的传导热传递，并可能损害蒸发性能。这种热力学限制已通过一种三层悬浮光热架构得到解决，该架构结合了太阳能吸收和热辐射发射，这种配置正式称为“无接触蒸发”（图 1b）。为了术语明确，我们采用 [20] 提出的严格原始定义：“无接触蒸发”指的是一种太阳能脱盐技术，其中空气间隙完全分离光热层与盐水，以长波红外辐射作为主导的热传递方法来驱动水蒸发。该定义从根本上将该技术与传统的界面蒸发系统区分开来，在传统系统中光热材料保持与盐水的直接接触。在功能上，三层结构通过其顶层吸收层捕获入射太阳辐照度，而定制的底层发射器将收集的热能转换为向下传播的红外辐射。如图 2 所示，发射器在约 330 K 下运行，对应于黑体光谱发射功率峰值位于红外波段，在此波段海水具有较高的光吸收系数，将辐射穿透限制在小于 1 cm。因此，几乎所有的长波红外通量都被限制并吸收在空气 - 水界面，实现了用于蒸汽生成的靶向界面加热。

基于无接触蒸发与传统界面蒸发区分的辐射传热机制，几篇关于太阳能驱动界面蒸发的近期综述触及了这一主题 [22], [23], [24], [25]。与这些早期综述一样，本工作关注由光热转换和热管理启用的太阳能驱动蒸发/脱盐系统。然而，在现有文献中，无接触蒸发通常局限于单个章节或小节，通常仅限于对其工作原理和代表性示意图的简要介绍。因此，无接触蒸发通常被视为界面蒸发的边缘变体或空气间隙蒸馏的相关从属配置，而不是作为一种具有独立设计逻辑和物理约束的独立太阳能脱盐架构。因此，其内在的能量传输路径、辐射吸热器 - 水耦合、蒸汽传输特性以及性能限制机制尚未得到系统讨论，如表 1 所示。这种有限的处理与该领域的发展时间线密切相关。在 [20] 于 2018 年引入概念后，进展在几年内保持相对增量，使得专门的综述为时过早。然而，自 2022 年以来，越来越多的严谨研究大大推进了对光热材料、跨空气间隙辐射耦合、蒸汽传输动力学和结构优化的理解，从而形成了足够连贯的知识库。迄今为止，尚无专门的综述综合这些发展。因此，有针对性的综述既及时又必要，以巩固迅速扩张的文献，阐明无接触蒸发的独特物理图景和设计空间，并确定其实际应用中的关键挑战和机遇。

尽管无接触蒸发在抑制盐结垢同时实现太阳能驱动脱盐方面前景广阔，但它仍面临几个实际部署的障碍。这些包括实现高效吸热器 - 发射器光谱匹配的困难、空气间隙引入的蒸汽传输阻力、悬浮加热结构的对流热损失，以及缺乏标准化的面向脱盐的性能评估。与此同时，光热材料、几何设计、混合架构和应用导向评估方面的近期进展迅速扩展了该领域，使得文献越来越碎片化，难以在共同基础上进行比较。为解决这一差距，本综述提供了面向太阳能脱盐无接触蒸发的全面且面向机制的综合分析。它首先检查基本的传热和传质过程，以及相关的多物理场建模方法。然后，它综述了沿三个主要创新路径的最新进展：吸热器和发射器材料、几何和蒸汽传输优化，以及结合无接触和界面蒸发的混合配置。除了设计创新外，本综述还比较评估了当前设备在性能、耐用性、可扩展性和成本特征方面的表现，并批判性地总结了仍然限制领域发展的关键局限性。基于此分析，提出了未来研究的优先方向，包括机制解析建模、光谱知情的材料设计、耦合几何优化以及以蒸发率、淡水生产量和增益输出比 (GOR) 为中心的标准化面向脱盐评估。本综述旨在提供一个更清晰的框架来理解当前进展，并支持无接触蒸发从实验室规模演示向具有实际意义的太阳能脱盐系统过渡。

章节摘要

无接触蒸发的基本原理
在无接触蒸发系统中，能量传输和传质受耦合的热和流体传输过程控制，包括热辐射、传导、自然/强制对流和质量传输。这些多物理过程导致了耦合传热传质机制的复杂性。本节建立了一个统一的理论框架，包含控制方程和简化工程模型，描述了四个核心部分内部的耦合关系。

无接触蒸发的建模方法
多物理场建模和仿真研究这些系统是必不可少的工具。现有研究采用了多种数值方法，每种方法在模型准确性、实现复杂性和计算效率之间有所不同。本节综述了无接触蒸发常用的建模和仿真方法。

无接触蒸发器的创新设计
近年来，出现了许多无接触蒸发器的创新设计，这些设计可以概括为三个主要研究方向：新型蒸发器材料的开发、蒸发器几何结构的优化，以及无接触蒸发与传统界面蒸发的集成。大多数研究同时处理这些方面中的两个或三个。这些策略推动了蒸发效率和系统稳定性的实质性改善。

无接触蒸发器设计的性能、耐用性、可扩展性和成本特征
现有的无接触太阳能蒸发器设计已从概念验证演示向日益应用导向的系统发展。除了增强在没有直接吸热器 - 盐水接触情况下的蒸汽生成外，近期研究还将重点扩展到淡水生产、抗结垢行为、环境耐受性、模块化部署和经济可行性。然而，这些进展的实际相关性不能仅从单一指标进行评估。

无接触蒸发器设计的当前局限性
前述章节表明，无接触蒸发在物理理解、材料选择、结构创新和面向应用的评估方面发展迅速。同时，当前文献中也涌现出几个反复出现的局限性。这些局限性并不局限于单一研究或设备类型；相反，它们反映了跨越领域基础、建模、设计和验证层面的广泛未解决问题。基于此

无接触蒸发的未来研究优先方向
上述局限性表明，无接触蒸发的未来进展不仅取决于提出新的设备结构，还取决于加强机制严谨性、材料选择性、架构集成和应用导向验证。因此，未来研究的优先方向可以沿着相同的四个维度进行组织。

结论

本综述系统地考察了无接触蒸发作为一种独立的太阳能脱盐架构，其中光热层与盐水物理分离，热量主要通过空气间隙的长波红外辐射传递到蒸发界面。这种配置从根本上避免了盐分直接沉积在光热表面，因此，与传统的界面蒸发相比，提供了明确的抗污优势。

当前 CRediT 作者贡献声明
邱志恒：写作 – 原稿。魏新：写作 – 审查与编辑。宋英浩：写作 – 审查与编辑。邓南：写作 – 原稿。齐容辉：写作 – 审查与编辑。Omar AlAli：写作 – 审查与编辑，项目管理。李梦影：写作 – 审查与编辑，监督，项目管理，资金获取。

写作过程中生成式 AI 和 AI 辅助技术声明
在准备本工作过程中，作者使用 GPT-5 改善了语言和可读性。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容承担全部责任。

竞争利益声明
作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为影响了本论文中报告的工作。

致谢
作者衷心感谢香港大学资助委员会 (UGC) 在项目编号 C6003-22Y 下的重大支持，以及香港理工大学在项目编号 P0055995 下的支持。

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