《Desalination》：Comparative analysis on the contributions of solar and wind energy to interfacial water evaporation using a 2D evaporator
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太阳能驱动蒸发器在纯水和3.5% NaCl溶液中通过耦合风能（2-4 m/s）可补偿50%以下太阳能损失，实现全天候稳定产水，风能贡献度与等量太阳能等效，且抗盐性显著优于太阳能单独驱动。
李波|李向峰|李源硕|胡贤玲|杨浩月|王继月|王圆圆|夏向林|刘克学
中国浙江省科学技术大学物理学院量子精密测量重点实验室，杭州，310023。
摘要
太阳能驱动的界面蒸发（SDIE）在海水淡化方面具有巨大潜力，但其间歇性要求补充能源。风能作为一种普遍存在的资源，可以提供对流驱动，然而其与太阳能的定量作用尚未得到充分研究。本文开发了一种标准化的二维（2D）石墨纳米粉（GNP）/聚偏二氟乙烯（PVDF）蒸发器（GPE），通过冷冻铸造工艺制造，以分离并比较太阳辐射和对流流的贡献。在纯水中，GPE在1.0太阳辐射（1 kW m?2）条件下可实现1.73 kg m?2 h?1的蒸发速率，在2.0太阳辐射和4 m s?1对流流耦合条件下，蒸发速率达到峰值5.01 kg m?2 h?1。研究发现接近能量等效性：对流流速为2、3和4 m s?1时，分别产生的蒸发速率相当于1.0、1.5和2.0太阳辐射的蒸发速率。实际上，将0.5太阳辐射与1 m s?1对流流结合使用，可以重现1.0太阳辐射的效果，表明微风可以在阴天完全补偿太阳辐射的不足，从而实现全天候运行。重要的是，风能在应对盐度影响方面表现出良好的性能：在3.5 wt%的氯化钠（NaCl）溶液中，1.0和2.0太阳辐射下的蒸发速率分别因热力学蒸汽压降低而下降了12.1%和7.0%，而在2和4 m s?1对流流条件下，蒸发速率仅下降了4.8%和0.7%。模拟结果表明，对流流可以减薄边界层并减轻蒸汽积聚，这些结果突显了风能的优势，并为设计连续、耐盐的风能-太阳能混合淡水生成系统提供了基准。
引言
工业扩张的加速和人口快速增长导致了前所未有的全球淡水危机，严重限制了水资源紧张地区的社会经济发展[1]、[2]、[3]。这一问题因水污染的日益复杂以及淡水供应与需求之间的地理不匹配而进一步加剧[4]、[5]、[6]。为缓解这一短缺，集中式工业技术如反渗透膜过滤[7]、[8]和多级闪蒸[9]、[10]已被广泛采用。然而，这些传统方法的广泛应用受到电力或化石燃料依赖性的限制，且需要庞大的基础设施网络，导致运营成本高昂和碳足迹显著[11]、[12]、[13]。因此，迫切需要开发由可再生能源驱动的分散式、可持续的水处理策略。在此背景下，太阳能驱动的界面蒸发（SDIE）作为一种颠覆性技术，已成为绿色淡水生成的解决方案[14]、[15]、[16]。与传统体积加热不同，SDIE利用先进的光热材料将太阳能转换严格限制在空气-水界面[17]、[18]。这种界面加热模式将热量损耗降至最低，将热能集中在蒸发层，从而显著降低蒸发所需的能量，并提高整体热效率。由于这些内在优势，SDIE在多种应用中展现出广泛的潜力，包括海水淡化[19]、[20]、工业废水处理[21]、[22]、电力生成[23]、[24]、同时提取盐分[25]、[26]以及危险有机污染物的催化降解[27]、[28]。
为了超越传统二维（2D）平面薄膜的蒸发极限，结构工程转向了三维（3D）蒸发器的开发，这代表了SDIE研究的当前前沿[29]、[30]。通过将平面表面转变为复杂的3D结构，如垂直排列的阵列、圆锥形结构或仿生设计[31]、[32]，这些设备显著扩大了有效蒸发表面积，超出了预测的几何尺寸[33]、[34]。此外，宏观3D结构促进了入射光的多次内部反射，从而最大化光子吸收，同时从蒸汽凝结中回收潜热以预热供水[35]、[36]、[37]、[38]。尽管取得了这些结构上的进步，但仍存在一个基本的热力学瓶颈：蒸发速率严格受到总太阳能输入的限制。即使具有完美的光学吸收和热管理，产量也无法超过入射太阳通量所施加的理论极限。由于太阳辐射本质上是间歇性的，并且在夜间不可用，仅依赖太阳能的系统生产率是不连续的[39]。因此，有必要利用普遍存在的环境能源来补充太阳能输入。自然蒸发即使在无阳光的情况下也会通过对流流动持续发生[40]。对流流动通过剥离水面上的饱和蒸汽层来增强蒸发，从而维持高蒸汽压差并减少边界层的扩散阻力。最近，风能被探索作为一种补充驱动力，从而提出了风能驱动的界面蒸发（WDIE）的概念[41]、[42]、[43]、[44]。通过利用对流流动，可以加速蒸汽传输，有效提高质量传递速率[45]、[46]、[47]。鉴于全球近地表风速通常在陆地为2至4 m s?1 [48]、[49]，在海洋上甚至更高[51]，整合风能为实现全天候、连续的淡水生产提供了可行的途径。
从经典的热量和质量传递理论角度来看，已知对流流动通过减薄扩散边界层和加速蒸汽传输来增强蒸发[52]。然而，在SDIE这一特定领域，量化每种能源具体贡献的严格比较研究仍然很少。现有关于混合系统的研究主要采用复杂的3D蒸发器来最大化性能[53]。虽然有效，但3D蒸发器的复杂几何形状引入了显著的气动复杂性，如湍流、自我遮挡效应和不均匀的流动分布，这些因素可能会无意中放大或掩盖风能的真实贡献[54]。例如，某些3D结构可能会因气流阻塞而在死区捕获蒸汽，或者相反，成为“风铲”，使得难以区分对流流动的固有动力学贡献和几何形状带来的增强效果。因此，复杂的3D蒸发器不是用于分离太阳能和风能作用的基本比较分析的最佳选择。相比之下，标准化的2D平面蒸发器提供了一个受控的、无干扰的界面[55]、[56]。使用2D模型可以精确量化仅由辐射驱动的蒸发速率与由对流流动驱动的蒸发速率及其耦合效应，而不受宏观结构设计带来的混淆变量的影响。这些基本见解对于建立定量基准至关重要[57]，随后可以指导下一代3D蒸发器的合理设计，这些蒸发器不仅在光捕获方面得到优化，而且在气动质量传递方面也得到优化，确保在多变气象条件下的高性能和可靠性。
在这项研究中，报告了一项系统的定量调查，利用圆形平面2D蒸发器作为标准研究模型，以分离和评估太阳能和风能对界面水蒸发的单独和耦合贡献。本研究介绍了2D石墨纳米粉（GNP）/聚偏二氟乙烯（PVDF）蒸发器（GPE）的设计和制造过程，使用GNP、PVDF和二甲基乙酰胺（DMA）作为原材料。将均匀混合物注入浅圆柱形铜模具中，然后通过冷冻铸造技术[58]、[59]进行处理，形成平坦的多孔表面，有效减少了复杂3D结构典型的气动干扰，从而为气动分析提供了标准化的基准。通过改变太阳强度（0–2.0 kW m?2；此后1.0太阳=1 kW m?2?1?2 h?1，在模拟海水中为1.52 kg m?2 h?1?1对流流），该装置在纯水中的蒸发速率为5.01 kg m?2 h?1，在模拟海水中为3.92 kg m?2 h?1，展示了风能和太阳能协同作用带来的显著提升。单源贡献的直接比较显示，对流流和对流流的贡献接近等效：在纯水中，对流流速为约2、3和4 m s?1时，产生的蒸发速率分别为约1.68、2.32和2.70 kg m?2 h?1，与1.0、1.5和2.0太阳辐射的蒸发速率相当（约1.73、2.32和2.87 kg m?2 h?1?2 h?1（分别减少了12.1%、12.5%和7.0%），而对于2、3和4 m s?1对流流，测量速率分别为约1.60、2.17和2.68 kg m?2 h?1（减少了4.8%、6.5%和0.7%）。这些结果表明，虽然风能和太阳能对蒸发的能量贡献大致相当，但对流流在抵抗盐分积累方面表现出明显优势，可能是通过加速界面处的蒸汽去除和整体质量传输实现的。关键的是，在实际环境条件下，耦合操作具有实际优势：例如，1.0太阳和2 m s?1对流流的组合在纯水中的产生速率（3.03 kg m?2 h?1?2 h?1?1?1对流流的组合在纯水中的产生速率（≈1.80 kg m?2 h?1?2 h?1?1单独使用时相当。由于清晰的全日照条件并不普遍——许多地方经历多云或部分多云天气，辐射强度通常降至约0.5太阳——适度对流流（例如1 m s?1
材料
本研究中使用的GNP（D50 < 400 nm，≥99.95%金属基）来自上海Macklin生化科技有限公司。PVDF（试剂级）和DMA（分析级）分别从上海Aladdin生化科技有限公司和Sinopharm化学试剂有限公司采购。用于制备模拟海水的NaCl（≥99.99%）来自广东光华科技有限公司。所有试剂均按接收状态使用，未进行任何额外处理。
GPE的表征
所制备的GPE的宏观外观和表面纹理在数字照片（图2a）中得到了直观展示。样品由于含有高比例的石墨纳米粉而呈现明显的黑色，同时具有粗糙的海绵状地形和许多不规则的沟槽。这些宏观形态特征是冷冻铸造和随后的升华过程的固有结果，在提高性能方面发挥了双重作用。
结论
总之，本研究建立了一个标准化的2D平面蒸发器模型，以严格分离和量化太阳辐射和对流流对界面水蒸发的单独和耦合贡献。在标准条件（1.0太阳，零对流流）下，蒸发器在纯水中的蒸发速率为1.73 kg m?2 h?1，在模拟海水中为1.52 kg m?2 h?1，为比较分析建立了可靠的基准。
CRediT作者贡献声明
李波：概念化、方法论、验证、正式分析、初稿撰写、审稿与编辑、监督、资金获取。李向峰：研究、验证、软件、数据管理、可视化。李源硕：研究、资源管理、数据管理。胡贤玲：研究、数据管理、可视化。杨浩月：数据管理、可视化。王继月：正式分析、可视化。王圆圆：软件。夏向林：研究。刘克学：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了浙江工业大学的一个研究项目（项目编号：KYY-HX-20220057）的支持。
