天津大學(xué)/天津商業(yè)大學(xué)陳冠益教授團(tuán)隊(duì)與電子科技大學(xué)于淼教授團(tuán)隊(duì)EES Perspective：用于資源和能源回收的先進(jìn)太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)

【研究背景】

在全球能源/資源短缺與環(huán)境惡化的雙重挑戰(zhàn)下，推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展迫在眉睫。海水、工業(yè)廢水等水體中蘊(yùn)藏著豐富的鋰、鈾等戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源，同時(shí)含有可觀的化學(xué)能與熱能，具備顯著的資源和能源價(jià)值。太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)（SIE）為從上述水體中同時(shí)回收淡水、高值礦物及能源提供了一條低碳、可持續(xù)的新路徑。然而，目前該技術(shù)仍存在若干瓶頸，例如：揮發(fā)性有機(jī)物易隨蒸汽遷移而影響水質(zhì)；在復(fù)雜水基質(zhì)中對(duì)目標(biāo)組分的選擇性分離效率仍不理想；實(shí)現(xiàn)多功能集成的SIE系統(tǒng)尚需兼顧能量效率與資源回收效益的平衡等。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，天津大學(xué)/天津商業(yè)大學(xué)陳冠益教授團(tuán)隊(duì)與電子科技大學(xué)于淼教授團(tuán)隊(duì)在能源與環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《Energy & Environmental Science》上合作發(fā)表了題為“Advanced solar-driven interfacial evaporation technology for resource and energy recovery”的Perspective文章。天津大學(xué)/天津商業(yè)大學(xué)陳冠益教授，電子科技大學(xué)于淼教授和香港城市大學(xué)于楨博士為論文共同通訊作者。天津大學(xué)崔孝強(qiáng)副教授為本文第一作者。本研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。該文系統(tǒng)梳理了SIE技術(shù)在資源與能源回收方向的最新研究進(jìn)展，并首次構(gòu)建了針對(duì)相關(guān)過程的動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)分析框架，為設(shè)計(jì)下一代高效、可持續(xù)的SIE系統(tǒng)提供了理論依據(jù)與科學(xué)指導(dǎo)。

【文章概要】

1. 清潔水生產(chǎn)

當(dāng)前，SIE系統(tǒng)在處理非揮發(fā)性廢水方面已展現(xiàn)出良好的運(yùn)行穩(wěn)定性。然而，在處理含揮發(fā)性有機(jī)污染物（VOCs）的廢水時(shí)，VOCs在蒸發(fā)?冷凝過程中的共遷移問題嚴(yán)重制約了產(chǎn)水水質(zhì)。現(xiàn)有攔截方法，如耦合高級(jí)氧化、吸附等技術(shù)，雖可實(shí)現(xiàn)99%以上的VOCs去除率，但蒸發(fā)速率、降解速率與VOCs截留效率之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系仍缺乏系統(tǒng)揭示。針對(duì)這一關(guān)鍵問題，本研究首次構(gòu)建了VOCs截留效率的耦合動(dòng)力學(xué)模型。模型表明，提高降解速率常數(shù)與采用分級(jí)反應(yīng)器設(shè)計(jì)是提升VOCs攔截效率的重要途徑。此外，實(shí)際水體中多污染物共存的特點(diǎn)及二次污染物等問題，凸顯了未來研究需聚焦于污染物選擇性降解與資源化轉(zhuǎn)化技術(shù)的開發(fā)。

圖1 用于清潔水生產(chǎn)的SIE系統(tǒng)

2. 礦物回收

除鹽生產(chǎn)外，SIE系統(tǒng)還可用于從海水等水體中回收具有重要戰(zhàn)略價(jià)值的礦物元素，如鋰、鈾、硼、銫等。本文綜述了近年來面向礦物元素回收的SIE系統(tǒng)的研究進(jìn)展，并進(jìn)一步提出了“蒸發(fā)誘導(dǎo)的多場(chǎng)協(xié)同吸附”調(diào)控機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，在不同元素的提取過程中，各物理場(chǎng)（如熱場(chǎng)、濃度場(chǎng)、電場(chǎng)等）的貢獻(xiàn)比例存在差異，表明吸附劑本征物理化學(xué)性質(zhì)主導(dǎo)著多場(chǎng)協(xié)同效應(yīng)的實(shí)際表現(xiàn)。為提升系統(tǒng)在復(fù)雜水體中的資源回收效率，后續(xù)需重點(diǎn)開發(fā)具有高選擇性的功能吸附材料，并構(gòu)建“光熱吸附?膜分離”等多技術(shù)協(xié)同的集成系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)多種資源的高效和梯級(jí)回收。

圖2 用于礦物回收的SIE系統(tǒng)

3．能源與燃料生產(chǎn)

本研究還系統(tǒng)梳理了SIE系統(tǒng)在水-電聯(lián)產(chǎn)和燃料生產(chǎn)領(lǐng)域的相關(guān)進(jìn)展。在水-電聯(lián)產(chǎn)方面，光伏耦合系統(tǒng)因其較高的輸出功率密度而展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。為提升其他SIE耦合發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，仍需在材料設(shè)計(jì)和界面結(jié)構(gòu)上進(jìn)行深入優(yōu)化。開發(fā)面向微功率需求的應(yīng)用場(chǎng)景，如自供電、自清潔、生物傳感等，可能成為推動(dòng)SIE耦合發(fā)電系統(tǒng)走向商業(yè)化的關(guān)鍵路徑。在燃料生產(chǎn)方面，SIE系統(tǒng)可與光催化或電催化過程相結(jié)合，用于制氫或合成氨等?？傮w而言，SIE耦合燃料生產(chǎn)系統(tǒng)主要通過以下機(jī)制發(fā)揮作用：降低反應(yīng)能壘、提供純凈反應(yīng)環(huán)境以避免設(shè)備腐蝕、濃縮反應(yīng)前驅(qū)體或及時(shí)分離目標(biāo)產(chǎn)物等。該耦合系統(tǒng)能夠減少對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)和淡水資源依賴，從而構(gòu)建更為節(jié)能與可持續(xù)的燃料合成路徑。為全面評(píng)估SIE耦合燃料生產(chǎn)系統(tǒng)的性能，本研究以SIE耦合制氫為例，對(duì)不同工藝路線（SIE耦合電催化與SIE耦合光催化系統(tǒng)）進(jìn)行了?分析。結(jié)果顯示，SIE耦合電催化系統(tǒng)具有更高的實(shí)際?效率。研究進(jìn)一步指出，未來需著力提升催化劑本征活性、優(yōu)化系統(tǒng)能質(zhì)傳輸匹配，并解決產(chǎn)物收集、純化及系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性等工程實(shí)踐問題。

圖3 用于電力回收的SIE系統(tǒng)

圖4 用于燃料生產(chǎn)的SIE系統(tǒng)

【總結(jié)與展望】

SIE系統(tǒng)正從單一的“水凈化”向“資源?能源工廠”模式轉(zhuǎn)變，在分布式海水淡化、廢水處理、礦物提取與清潔燃料合成中展現(xiàn)出廣闊前景。未來發(fā)展的重點(diǎn)包括：建立涵蓋制備工藝、穩(wěn)定性、環(huán)境與生命周期成本的材料評(píng)價(jià)體系；優(yōu)化系統(tǒng)冷凝效率、提升系統(tǒng)集成度與規(guī)模化運(yùn)行可靠性；發(fā)展基于成本?效益分析與資源潛力的多產(chǎn)品優(yōu)先級(jí)回收策略；結(jié)合地域氣候、水質(zhì)特征與政策支持，開展因地制宜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與生態(tài)影響評(píng)估。通過多維度協(xié)同創(chuàng)新，SIE技術(shù)有望為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)水?能?資源循環(huán)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

圖5 展望

本文鏈接：https://doi.org/10.1039/D5EE05041C