实现可行的太阳能驱动蒸发技术用于水处理的关键方面

一个最重要的和报告的价值数字是单位面积和单位时间的淡水(或蒸汽)生产力(通常表示为物理单位[升h]⁻¹米⁻²或[kg h .⁻¹米⁻²])。影响生产力的主要方面包括只产生蒸汽而不产生液态水，以及使用光学浓缩。在海水淡化中，收集液态水更为重要。光浓度超过单位(即能量通量高于1 [kW m⁻²)，必须仔细评估。在这些情况下，被动解决方案的经济和技术优势并不明显¹¹并要求个案研究。即使能量通量低于1 [kW m⁻²](没有光学浓度)，就水生产力而言，对太阳能驱动的蒸发系统进行有意义的比较需要对操作条件进行标准化，并对优点本身的数字和相应的归一化参数进行明确的定义。

操作条件可能有所不同，因为一些系统已经在实验室规模上进行了研究，在太阳模拟器下产生光，而其他设备则进行了一个攷虑或海描述^3.，12．因此，直接比较在如此不同的操作条件下获得的数据是值得怀疑的。其中一个原因可能与所使用的太阳模拟器的级别有关¹³．然而，一个主要的挑战仍然是在实验室的封闭空间内精确控制所有相关的光学条件(和能量通量)。只要注意到蒸发表面和太阳模拟器灯的光学视因子与天空中暴露在太阳下的同一表面相比会有显著的不同就足够了。类似的考虑也适用于实验室的墙壁，而不是建筑、植被等攷虑安装。此外，为了适当地计算热对流损失，需要测量和报告空气或风的速度和方向。

这表明，对于不同的情况(例如:攷虑而且在实验室里)．我们设想了三个基准案例研究的精确定义，每个案例研究都由表中所报告的最少量良好控制的操作条件定义1．除了上面的基准测试案例，还需要定义一个不稳定实验室基准测试，其中施加的能量通量遵循规定的时间相关定律，以规范和表征瞬态系统行为。如果完成，目前的技术可以进行全面的循环研究，而未来的工作可以通过在社区设定的精确参考条件下直接进行实验来获得突破性的成果。

最近有报道称，3D界面蒸发器的概念已被建议取代经典的2D太阳能蒸发器。3D蒸发器引入了一种聪明的设计，高展宽比的亲水杆垂直放置在底部与水接触，而与空气的交流则通过横向和顶部表面发生。虽然水蒸气是横向释放到空气中，但生产力的价值数字是采用小得多的投影地面面积计算的，对于一个圆柱形单位来说，相当于基地面积。惊人的产量超过30公斤⁻²h⁻¹可以这样观察到¹⁴．此外，这种设计也引起了人们的兴趣，因为它可能提供更好的污垢控制¹⁵．

这样的选择需要注意几个方面。以上所定义的特定生产力仅代表单个蒸发器或稀疏阵列，因为在生产力方面，密集排列的3D蒸发器并不会随着阵列的扩展而线性扩展。在更现实的条件下对3D蒸发器阵列的初步结果显示，生产力值约为10 [kg m]⁻²h⁻¹]或更低¹⁶．在实际应用中，一个重要的目标是使海水淡化厂所占用的单位表面积的淡水产量最大化。因此，需要进行更多的研究，以更全面和更理论地理解这种三维垂直蒸发器的集体行为，特别关注阵列中每个元素的流体-动力边界层的发展和干涉。

需要强调的一个更为关键的方面是，解决方案依赖于由于横向空气对流而增加的蒸汽通量，利用对非饱和环境空气的传质现象。这需要注意两点。

首先，2D蒸发器和3D蒸发器的性能没有相当的可比性，因为2D蒸发器是由阳光的火用含量驱动的，而3D蒸发器同时利用阳光的火用含量和与不饱和环境空气相关的化学火用含量。在海水淡化系统中，后者的可用性可能受到限制，尽管它可以在仅基于蒸发的应用中加以利用，例如废水处理¹⁵．

其次，3D蒸发器产生冷水蒸汽，最终在接近或低于环境的条件下¹⁷．海水淡化或蒸馏技术的最终产出要求以液态水的形式，而蒸发只是两步蒸馏过程中的一个。在第一个蒸发步骤中，水蒸气的温度越低，后续的凝结就越困难，因为它需要一个更冷的表面，能够吸收潜热，将其排斥到环境中。因此，如果两种系统都能将液态水作为最终产品，就可以对2D和3D技术的比水生产率进行更有意义的比较。从这个意义上说，如果将3D蒸发系统嵌入到蒸发和冷凝循环中，与高效的2D解决方案相比，它能在多大程度上达到更好的性能还有待研究^12，18．最后，最好为二维和三维系统引入容量优点数字，其中单位时间的水生产力和所占用的体积也加以评估⁻³h⁻¹])。

实现一个完整蒸馏循环的溶液仍然受到以下热力学极限的限制:1,47[升千瓦时]⁻¹]对应的生产力数字为1,47[升米]⁻²h⁻¹当操作的能量通量为1 [kW m。⁻²］¹²．即使在这种热力学极限下工作，而不诉诸光学浓度，也需要大面积的装置来满足平均每人每天2.5升的饮用水需求¹⁹．如果将其他日常用水需求也计算在内，后一个数字可能会高得多。为克服上述生产率限制，提出了两种主要策略。

一方面，人们已经认识到，与大型脱盐厂类似，被动装置内的热管理是至关重要的。在这里，多个蒸馏级被堆在一起，目的是重复利用几倍于凝结潜热的冷凝，同时保持装置的被动特性^12，20.．后一种方法能够观察到超过5,7 [l m]的生产力值⁻²h⁻¹在一次阳光照射下¹⁸．

另一方面，一些研究已经把重点放在可能有助于大幅度降低水蒸发焓的材料上，他们假设在某些材料(如水凝胶)中蒸发是根据水簇理论进行的:即，水不是以单分子形式蒸发，而是以几个或几十个分子组成的小簇形式蒸发。自2018年首次观测以来²¹在美国，蒸发焓的降低在一些研究中大多被假设为间接解释能量平衡。然而，这还没有被直接测量证实，也没有在水凝胶中证实²²其他金属基材料也是如此^23，24，因此在科学界仍然是一个有争议的问题。

到目前为止，还不清楚水团蒸发是热驱动过程还是需要光的中介作用。对于前一种情况，需要进行更广泛的量热研究。具体而言，除了基于非平衡条件下蒸发物质第一定律平衡的测量外，研究人员还应着重于利用克劳修斯-克拉珀龙关系的平衡条件下的测量实验:测量平衡水吸附等温线和等压线¹³可能会有帮助，尽管它可能不全面。事实上，最近的研究途径似乎表明，水团蒸发(蒸发焓降低)可能是由光直接驱动的，从而实现了最近的报道photo-molecular在这种效应中，光子被认为直接负责将水分子团簇从液-气界面分离^25，26．如果得到科学界的进一步证实，这种方法可能会在该领域开辟令人兴奋而又难以想象的新可能性。最后，我们观察到缺乏基础研究(例如数值模拟)，能够增强我们在分子水平上对这种可能的蒸发焓降低的理论理解。

实验室规模的表征设备或材料的内在升级可能会决定太阳能驱动的无源水处理技术是否会在未来几年达到完全成熟。

一方面，关于广泛的可循环性和老化性的技术稳健性的可靠和统一的证据仍然缺乏。当报告时，典型的测试时间限制在几周内^20.而且只有十几次循环²⁷．尽管如此，在很长一段时间内(以年为数量级)预期的低维护是这些被动式技术的一个关键方面，正如最近的一项技术经济分析所证明的¹⁰．为此，材料科学的进步有望实现具有内在抗堵塞性能的高性价比和耐用材料²⁸，然而，在海水和或废水的长期操作下，社区将必须继续提供新的稳健的解决方案和相应的演示，以解决盐积聚和有机物污染问题。因此，利用在纳滤膜领域获得的先前长期的专门知识似乎是自然的²⁹．有趣的是，这些方法还可以与利用Marangoni效应的高效被动流操作相结合^20.自然对流^30.增强对盐的排斥。

虽然被动技术可能较少受到内部磨损的影响，但当放置在开放的环境中时，其功能和结构完整性可能会受到许多条件的影响，如风暴、雪、强风、海浪、沙子、污染碎片和鸟类(啄/抓/鸟粪)的作用。为此，我们可以从其他面临类似挑战的表面改性应用(如除冰、自清洁、太阳能电池等)中获得例子，这些应用通常需要进行机械测试，如砂磨、刀刮和胶带剥离。到目前为止，这些方面几乎未被触及。

最后，虽然许多提出的解决方案可以安全地宣称模块化，但真正的经济可持续性需要从本质上可扩展到大型安装区域的方法。据我们所知，文献中很少报道过在>100 m的表面积上进行大规模可扩展性实验的例子²³¹．社区开始增加报告大规模安装(例如>10 m)的研究数量，这似乎是自然和非常理想的²)，以便更切合实际地估计资本及营运开支(资本支出及营运开支)的数字。在这个方向上，还需要为比例预测进行建模和验证计算工作，因为大规模现场试验并不总是可能的。

用于海水淡化和/或处理的被动太阳能驱动技术已经引起了越来越多的关注，并且已经展示了大量不同的材料和设备。尽管这些方法具有无可争辩的优点，但在目前的文献中，重要的方面仍然没有得到充分的讨论，从而为最近提出的一些巧妙的解决方案的完全技术成熟创造了关键的障碍。在这项工作中，一些最重要的公开问题和挑战被确定并归类为三个主要支柱。我们希望这一评论将在广泛的研究界内激发有用的行动，从而促成更全面的可持续性的新突破。