综述：基于生物材料的增强策略在太阳能蒸馏海水淡化中的应用：对进展、挑战及未来前景的批判性综述

《Desalination》：Biomaterial-based enhancement strategies in solar still desalination: A critical review on progress, challenges, and future perspective

生物材料增强太阳能蒸馏海水淡化研究综述，系统分析了生物质衍生物、碳酸钙生物壳、生物蜡、纤维及残渣等材料在提升产水量（2.3-11.9 L/m2）、降低成本（0.005美元/升）和减少碳排放（3.3-5.4吨）方面的综合效益，首次量化评估了技术经济与环境指标，为资源受限地区提供可持续淡水解决方案。

　　

Ramasamy Dhivagar

机械工程学院，岭南大学，大鹤路280号，庆尚北道庆山市，712-749，韩国

摘要

随着对可持续水净化技术的兴趣日益增长，人们开始研究利用生物材料辅助的太阳能蒸馏器进行海水淡化，作为一种低成本且环保的方法。尽管已有许多实验研究集中在单一生物材料上，但迄今为止还没有全面的综述将生物材料作为一个独特的增强类别进行探讨，这造成了一个重要的知识空白。本研究首次系统地总结了基于生物材料的太阳能蒸馏器性能提升策略。最新研究表明，生物质衍生的生物材料通过增强光热吸收、界面蒸发和显热储存，使产水量从2.3升/平方米提高到8.8升/平方米。相应的能量效率达到了73.9%，显热效率达到了4.1%，而每升蒸馏水的成本（CPL）降至0.005美元。此外，富含CaCO?的生物壳材料作为显热储存介质，使产水量从2.2升/平方米提高到11.9升/平方米，能量效率达到71.7%，显热效率达到4.1%，CPL降低了80%，并实现了3.3吨的二氧化碳减排。此外，蜂蜡和大豆蜡等生物蜡作为潜热储存介质，大豆蜡的产水量提高了6.3升/平方米，蜂蜡则保持了2.8升/平方米的稳定产水量，CPL降低，同时减少了5.4吨的二氧化碳排放。另外，生物纤维增强了毛细传输、蒸发和冷凝过程，使产水量提高了30-105%。总体而言，本综述确立了生物材料作为一个独特且未被充分探索的增强类别，并提供了首个定量技术经济和环境综合分析，以指导未来的太阳能蒸馏器设计和应用。

引言

淡水短缺是一个直接影响人类福祉、经济稳定和可持续发展的全球性问题。根据最近的全球评估，由于人口增长、气候变化和用水量增加，过去10年中人均可再生淡水资源减少了约7%[1]。如今，地球上近35%的人口生活在高水压力或极高水压力地区，这些地区的需求通常超过了自然补给的速度[2]。每年损失数百亿立方米的淡水可能无法满足数百万人的基本生活需求。传统的淡水资源，如地表水体和浅层含水层，正日益被过度开发和恶化，无法满足工业、农业和城市的日益增长的需求[3]。因此，迫切需要开发替代的、可靠的、节能的水生产方法，以减轻对有限自然资源的压力。

全球超过90%的淡水供应来自大规模的传统海水淡化技术，如热蒸馏和反渗透，这些技术的日处理能力超过1亿立方米[4]。尽管由于膜设计的进步，能耗相比早期减少了30%，但由于依赖电网电力和复杂的基础设施，这些技术在农村和分散地区的使用受到限制。因此，利用可再生能源的太阳能驱动的海水淡化技术成为一个可行的替代方案[5]。与其他技术相比，太阳能淡化技术以其简单的设计、低材料需求和低外部能耗而脱颖而出。然而，由于太阳辐射的不稳定性以及大量的对流和辐射热损失，传统的太阳能蒸馏器通常产水量较低。其实际的可扩展性和竞争力受到性能限制，因此需要采取有针对性的增强措施来提高日产量、蒸发速率和热利用效率，同时降低成本并简化系统[6]。

为了克服这些困难，许多实验和数值研究尝试通过几何优化和系统集成来提高太阳能蒸馏器的性能。为了增强太阳能捕获、热传递特性和冷凝效率，已经研究了单坡面、双坡面、管状、圆锥形、阶梯形和半球形等多种设计[7]。尽管在几何优化方面取得了可量化的进展，但在不同气候条件下，仅靠几何优化仍无法克服产水量限制。为了提高蒸发量、热保留量和夜间产量，研究活动越来越多地转向基于材料的增强方法[8]。反射器和扩展的吸收表面是用于增加水盆内太阳辐射量的光学增强技术的例子。此外，热能储存是一种显著成功的策略，它允许在太阳辐射高峰期储存多余的热量，并在夜间释放[9]。为了提高热吸收和蒸发动力学，还研究了表面涂层、纳米颗粒和颗粒介质等额外修改措施。

近年来，人们逐渐关注在太阳能蒸馏器淡化中使用生物材料作为一种可持续的增强技术。生物材料通常定义为完全或主要来自生物来源的材料，具有可再生性、环境友好性和可生物降解性。它们来源于生物体或被设计用于与生物环境相互作用，广泛应用于医学、工程、能源和环境领域。由于其固有的多孔性、毛细驱动的水传输、低热导率和优异的太阳吸收特性，生物材料在提高太阳能蒸馏器的蒸发速率、热保留量和整体系统效率方面显示出巨大潜力[10]。对这一领域研究的增加源于用低成本、可持续的替代品取代高能耗合成材料的需要，这些替代品符合循环经济原则，同时还能提高淡化性能。因此，将生物材料整合到太阳能驱动的淡化系统中，为实现高效、可扩展和生态负责的淡水生产提供了可能途径，特别是在偏远地区。

研究动机

生物材料和有机衍生材料作为热传递应用的可持续替代品而越来越受到关注。由于它们具有优异的热特性、可生物降解性、经济性和本地可获取性，这些材料被用作显热储存介质、多孔吸收剂、绝缘层和吸液芯结构[11]。生物材料可以在太阳辐射高峰期延长淡水生产时间，控制水盆温度，并减少热量损失

太阳能蒸馏器的背景

太阳能蒸馏淡化过程由入射的太阳辐射驱动，遵循自然水文循环。在理想的气候条件下，水盆表面吸收太阳辐射并将热量传递给盐水层，使其温度升高到50-75°C[15]。这种温度升高引发了蒸发，从而提高了水-空气界面的蒸汽压。生成的蒸汽向透明的玻璃盖内表面移动

数值评估方法

太阳能蒸馏器的热建模为测量系统性能提供了系统框架，涵盖了主要的传热机制，如水盆水、内部蒸汽区和玻璃盖之间的对流、辐射和蒸发交换[21]。数值分析允许进行受控的参数研究，以评估设计和操作参数（如盐水深度、玻璃盖倾斜角度、绝缘材料和材料热物理性质）的影响

基于生物材料的太阳能蒸馏器增强策略

在太阳能蒸馏淡化中，生物材料作为一种环保的替代品，引起了广泛关注，可用于替代传统的合成材料、金属和矿物增强材料。由于其生物起源，生物材料通常价格低廉、易于获取、可再生且可生物降解，特别适合资源有限的地区的分散式淡水生产系统[41]。

挑战与限制

尽管在太阳能蒸馏器中使用生物材料已被证明可以提高产量和能源经济性能，但仍存在一些操作、技术和规模相关的问题，如图53所示。本节重点讨论了使用生物材料的主要障碍和实际限制。尽管生物材料的集成显示出显著优势，但仍存在许多未解决的问题

未来方向

未来关于用于太阳能蒸馏淡化方法的不同生物材料的研究应考虑以下因素：

• •
  材料标准化：建立统一的加工和制备程序，以降低热物理特性的固有异质性。
• •
  长期耐久性测试：进行广泛的户外和循环性能研究，以评估材料的劣化、污染和服务寿命。
• •
  混合材料开发：结合互补的材料特性

结论

近年来，太阳能蒸馏淡化的发展更加重视使用生物材料作为功能元素，以克服淡水产量和能源效率的限制。在提高热储存、蒸发连续性和冷凝效率方面，生物质衍生的固体、生物壳材料、生物蜡、生物纤维和生物衍生残渣都展示了独特且互补的功能。与传统惰性填充物相比，这些材料利用了其固有的特性

CRediT作者贡献声明

Ramasamy Dhivagar：撰写——综述与编辑，撰写——初稿，方法论，概念化。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT来改进语言和可读性。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。

资助

本综述工作未获得任何资助。

未引用的参考文献

[39], [51]

利益冲突声明

作者声明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。