气凝胶材料在太阳能蒸发淡水制备中的研究进展
曹欣雨 马奇诺 孙衍宁 贾文超 石海强*
（大连工业大学轻工与化学工程学院，辽宁省生物质化学与材料重点实验室， 辽宁大连，116034）
作者简介
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第一作者：曹欣雨女士，在读硕士研究生；主要从事太阳能蒸发水领域凝胶材料方面的研究。
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*通信作者：石海强，教授，博士生导师；主要从事农林生物质组分分离与转化利用、生物质基功能材料、清洁制浆造纸等方面的研究。
水资源是人类生存和发展不可或缺的重要自然资源。为了克服淡水日益枯竭问题，工业上发展出许多生产淡水的技术，如多效蒸馏（MED）、纳滤（NF）、多级闪蒸（MSF）、微滤（MF）、反渗透（RO）和超滤（UF）等。但这些技术普遍存在着能耗高、成本高和排放的温室气体对环境有害等缺点。因此，迫切需要开发低能耗、绿色清洁的高效海水淡化技术。太阳能具有绿色洁净、可持续供应的优点，是人类可利用的丰富能源，利用太阳能驱动水蒸发成为近年来最具发展前景的新兴太阳能技术之一。近期，因气凝胶材料具有低密度、高表面积以及化学结构可控的特点，将气凝胶材料应用于太阳能蒸发水（SVG）系统从而实现较高光热转换效率成为研究热点。本文旨在介绍提升太阳能蒸发效率的途径以及有机材料气凝胶应用于SVG系统的两种主要类型，包括聚合材料和碳基材料，并对未来工作进行了展望。选择合适的光热材料，增强太阳能吸收层在红外光和近红外光波段的吸收，对提高光热转换性能至关重要。目前，等离子体纳米金属、半导体、碳质材料、聚合物及其混合物已被用于与气凝胶复合制备的太阳能蒸发器。在蒸发过程中，当蒸发面积太大，没有足够的供水时，材料可能会出现蒸发速率下降的问题，但不同蒸发器的水输送路径不同。水通道可分为 3类：一维阵列、二维片层和三维多孔结构。将这3种设计智能地结合起来，是一种很有前途的平衡水运输和保温的策略。能量损失是导致 SVG 系统蒸发效率降低的一个不利因素，可能发生在光热转换、热传导、地表对环境的辐射和对流过程中。由于蒸发器的温度高于水和环境的温度，通过辐射、传导和对流必然会失去热量，因此用于水蒸发的能量决定了系统的能源效率。适当的隔热设计对于在空气-水蒸发界面定位热量、减少热量损失和提高蒸发效率至关重要。气凝胶基材料制成水蒸发器对于解决能源消耗过大、废水的处理排放及偏远地区难以推广等问题具有重要意义。对于具有多孔接收层的太阳能热收集系统，其性能取决于纳米多孔轻质材料的特性。特别是在早期合成过程中，气凝胶的特性很大程度上取决于合成过程中所选择的制备工艺和材料。目前，气凝胶可以通过使用一些有机材料成功制备，如纤维素、石墨烯、碳纳米管及其他聚合物等。不仅如此，通过采用一些无机材料也能够完成气凝胶的制备，如SiO2、TiO2等氧化物。与传统制备气凝胶的材料相比，纤维素具有成本低、机械强度高、官能团含量丰富等优点，并且可以使用成熟的工业方法进行大规模加工，因此纤维素成为制造环保气凝胶的前驱体之一。纤维素的化学结构具有丰富的羟基，使其易于进行表面修饰或功能化，增加了其与非极性基质介质的相容性。纤维素纤维表面的极性基团易于在极低浓度下制备成气凝胶，使纤维素基气凝胶结构具有超低的密度。聚合物气凝胶是高聚物分子与胶体粒子之间以氢键或范德华力相结合而形成的具有多孔结构的有机化合物。常用的聚合物有很多，如聚吡咯（PPy）、聚多巴胺（PDA）、聚苯胺（PANi）等。PPy和PDA在用于太阳能蒸发的光热聚合物中效果最好，且具有高光吸收率、低成本及易于合成等优点。此外，与金属和碳材料相比，聚合物具有生物相容性和环境性稳定的优势。聚合物的光热转化机理与碳材料相似，即分子的热振动。碳纳米管气凝胶由于其高孔隙率、低密度的自然特性 （完全共轭结构、机械强度），在各种太阳能相关应用领域得到广泛关注。碳纳米管气凝胶应用于太阳能蒸发水领域时，水传输通道和碳纳米管多孔结构的亲水性是光热材料提升蒸发效率的关键。石墨烯是典型的二维纳米材料，可以作为构建三维材料的基本构件。石墨烯气凝胶是由氧化石墨烯 （GO） 通过水热工艺或使用适当的还原剂合成的孔径在亚微米到微米范 围 内 的 三 维 结 构 ；也 可 以 用 还 原 氧 化 石 墨 烯（rGO） 水凝胶作为原料，通过冷冻干燥或超临界干燥法制备。太阳能蒸发水 （SVG） 是解决水资源短缺问题的一种绿色、低能耗的有效方法之一。气凝胶因其高孔隙率、低导热率、高透光率等特点，是适合制备太阳能蒸发器的材料之一，所制备的蒸发器蒸发速率可达1.2~4.2 kg/(㎡·h)。然而，SVG的技术开发还不够成熟，在发展的道路上依旧存在以下问题：（1）现有的气凝胶骨架较为脆弱，机械强度难以满足实际应用的需求；
（2）气凝胶处理高浓度盐水时，会造成材料的盐分累积，处理更高盐浓度水质需要提高材料耐久性，这将是 SVG 亟待解决的重要难题；（3）便于大规模的 SVG 生产仍然需要拓展更简单的制备方法和低成本的材料，使其能够实际应用并且促进可持续发展；（4）具有抗菌过滤活性、光催化作用、能量转化特性的多功能 SVG 是下一代蒸发器的发展趋势。文章信息：曹欣雨，马奇诺，孙衍宁，等.气凝胶材料在太阳能蒸发淡水制备中的研究进展[J].中国造纸，2022,41（10）：87-95.