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太阳能热膜蒸馏技术通过利用太阳能驱动膜蒸馏过程，为缺水地区提供高效海水淡化及高盐度水源处理方案，并分析直接/间接系统及光热耦合模式的优势与挑战。
朱莉安·罗尔夫（Julianne Rolf）| 约翰·弗洛伊德（John Floyd）| 蒂姆·乔米亚克（Tim Chomiak）| 齐赫（Ze He）| 鲁坤·辛（Ruikun Xin）| 娜奥米·富恩特斯（Naomi Fuentes）| 左秋昌（Kuichang Zuo）| 王静波（Jingbo Wang）| 奥马尔·阿尔雷海利（Omar Alrehaili）| 雷扬·阿尔加纳耶姆（Rayan Alghanayem）| 穆斯塔法·M·阿博·埃尔-法德勒（Moustafa M. Abo El-Fadl）| 穆罕默德·A·埃尔-纳加尔（Mohamed A. El-Naggar）| W·谢恩·沃克（W. Shane Walker）| 大卫·贾斯比（David Jassby）| 弗朗索瓦·佩罗（Fran?ois Perreault）| 梅纳赫姆·埃利梅莱赫（Menachem Elimelech）| 穆罕默德·E·A·阿里（Mohamed E.A. Ali）| 易卜拉欣·A·赛义德（Ibrahim A. Said）| 李启林（Qilin Li）
纳米系统工程研究中心（NEWT），莱斯大学，德克萨斯州休斯顿，77005，美国
摘要
全球超过四分之一的人口缺乏安全可靠的饮用水。为了确保充足的水资源供应，干旱地区的社区越来越多地利用非常规水源，这些水源通常含盐量较高，需要耗费大量能源进行处理。对于同时面临缺水和缺电问题的一亿人来说，整合可再生能源有助于解决这一水-能源关联的挑战。本文全面回顾了太阳能热膜蒸馏技术，这是一种利用太阳光热能将不同盐度的水源转化为饮用水的方法。膜蒸馏（MD）是一种热驱动的分离过程，通过多孔疏水膜实现水蒸气的传递。这种热脱盐技术可以利用丰富的低品位热能来降低能耗和总体成本。此外，太阳能热膜蒸馏特别适用于处理高盐度水源。本文综述了当前在实验室和试点规模上进行的太阳能热膜蒸馏系统研究，比较了直接太阳能热膜蒸馏、间接太阳能热膜蒸馏和混合太阳能热膜蒸馏系统，以及太阳能集热的应用潜力。标准太阳能热膜蒸馏过程中，进水通过高效传热装置进行间接加热；而直接太阳能热膜蒸馏则直接利用太阳能加热膜表面。混合太阳能热膜蒸馏系统将太阳能转化为电能和热能，使其能够独立运行。文章还讨论了太阳能热膜蒸馏技术面临的主要挑战和商业化限制，并提出了可能的解决方案。最后，通过成功案例展示了该技术在解决水资源和能源问题方面的优势。
引言
大约21亿人，即全球四分之一的人口，无法获得安全的饮用水[1]。人口增长加剧了水资源需求，但全球气候变化、基础设施老化或缺乏基础设施进一步影响了供水情况。因此，全球超过一半的人口每年至少有一个月的时间面临水资源短缺[2]。目前，至少有37个国家面临“极高”的水资源压力，至少33个国家依赖其他国家提供超过50%的水资源[3]。污染、人口过剩、低效的农业灌溉方式以及资金不足等问题使问题更加严重。为了实现更循环的水资源利用，我们必须依赖淡化非传统水源，如废水、微咸地下水和富含营养的农业用水[4]。一些国家，如中东和北非地区的卡塔尔和科威特，完全依赖海水淡化来满足其用水需求[5]。多种热脱盐和膜脱盐技术，包括多效蒸馏（MED）、多级蒸发（MSE）、纳滤（NF）和反渗透（RO），已被成功应用于各种水源的淡化处理。然而，广泛推广这些技术的主要障碍是高能耗和高资本成本。反渗透作为最节能的脱盐方法，每立方米海水淡化需要1.5至2.5千瓦时的电能[6]，并且需要大量投资进行预处理以防止膜污染和结垢[6]。此外，海水反渗透系统通常只能回收约50%的水分[7][8]，会产生大量浓缩盐水[9]，这给内陆淡化设施带来了高昂的处置成本。传统热脱盐工艺的能耗和资本成本远高于反渗透。由于难以缩小规模，这些工艺不适合小型应用[10][11]。因此，只有那些拥有充足能源和财政资源的缺水地区才能通过淡化技术补充水源。
对于生活在缺水地区且缺乏可靠电力基础设施和资源的人来说，从非常规水源获取水资源仍然是一个未实现的目标。在这些地区，将当地可用的可再生能源（如太阳能）与脱盐和净水系统结合，可以提供一种无需昂贵电力基础设施的离网解决方案。太阳能驱动的界面蒸发是一种高效的太阳能脱盐方法，但其缺点是产水量低且成本较高[12]。近年来，太阳能热膜蒸馏（MD）因与太阳能的兼容性高、预期成本低以及良好的可扩展性而受到广泛关注。随着太阳能成本下降和可再生能源目标的提出，全球范围内太阳能的使用正在增加。许多缺水地区拥有丰富的太阳辐射，为淡化厂提供了可持续的能源来源[1]。太阳能可以通过光伏（PV）或光热转换技术转化为电能或热能，这两种技术都已用于驱动淡化过程。
本文将探讨和评估当前将膜蒸馏与太阳能结合用于海水淡化的研究。通过比较直接太阳能驱动的MD系统、间接太阳能驱动的MD系统和混合太阳能驱动的MD系统，我们将分析太阳能热膜蒸馏技术在处理地下水、地表水和工业废水时面临的独特挑战，并提出可能的解决方案。同时，我们还将重点介绍从实验室规模到商业规模的成功扩展案例。最后，我们将深入分析能源回收和优化问题，以确定太阳能热膜蒸馏在解决水-能源关联问题中的适用性。
膜蒸馏
膜蒸馏是一种结合热蒸发和膜分离的脱盐工艺。多孔疏水膜将高温的进水溶液与低温的产水分离。进水在膜表面的水-空气界面处蒸发，膜两侧的温差产生的蒸汽压差驱动水蒸气的传输。
太阳能热驱动的膜蒸馏
在所有可再生能源驱动的脱盐技术中，太阳能是最有前景的方法之一，它通过光伏和热能驱动膜蒸馏过程。太阳能热膜蒸馏系统利用太阳能集热器收集太阳辐射并将其转化为热能，进而推动蒸发过程。因此，太阳能集热器是该系统的关键组成部分[98]。
利用太阳能集中光照进行膜蒸馏：机遇
利用聚光太阳能（CSP）技术驱动的膜蒸馏是一种有前景的方法。聚光太阳能集热器（如抛物面槽式集热器PTC、线性菲涅尔反射器LFR或太阳能塔SPT）能够高效利用太阳光实现高达40–90°C的进水温度[9]。进水温度对膜蒸馏系统的产水量有显著影响，因为蒸汽压差是主要的驱动力。
部分成功的太阳能驱动膜蒸馏试点项目（规模扩展与商业化)
自1963年B.R. Bodell首次申请膜蒸馏专利以来，该技术的规模扩展进展缓慢[218]。过去60年中，仅有约20座商业化的膜蒸馏工厂建成[219]，但研究人员测试了许多试点项目，其中一些项目采用了太阳能[10][220][221][222][223][224][225][226][227][228][229]。高能耗和成本是膜蒸馏商业化的主要障碍。
结论
饮用水的稀缺性和传统脱盐技术的高能耗促使人们将太阳能与当前的脱盐和水处理技术相结合，尤其是在干旱地区。膜蒸馏技术是一种有潜力的脱盐方法，可以与传统太阳能集热器（如平板集热器、太阳能池、真空管和光伏集热器）结合使用。
CRediT作者贡献声明
穆罕默德·A·埃尔-纳加尔（Mohamed A. El-Naggar）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、研究、概念构思。穆罕默德·E·A·阿里（Mohamed E.A. Ali）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、研究、概念构思。李启林（Qilin Li）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、研究、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了NSF NERC纳米技术驱动的水处理项目（NEWT-EEC 1449500）的资助。本文部分数据还得到了USAID和NAS通过Subaward 2000010567项目的支持。本文所表达的观点、发现、结论或建议仅代表作者个人意见，不一定反映USAID、NAS或NSF的观点。本研究得到了国家科学基金会（NSF）研究生研究奖学金计划（GRFP）的支持。
