综述：新兴的层次化中空多孔碳：制备方法、工程策略及性能分析

《Separation and Purification Technology》：Emerging hierarchical hollow porous carbon: Preparation method, engineering strategy and performance insight

本研究通过混合黑沙与石蜡蜡作为热存储材料，并集成冷凝器，优化了半球形太阳能蒸馏器（HSD）的性能，基于9E/3S评估体系，发现混合材料且无冷凝器的HSD在能量、经济及环境效益方面表现最佳，年产能达408.5升，能源效率提升58.43%，二氧化碳减排32.76吨，经济收益475.03美元。

　　
该研究针对半球形太阳能蒸馏器（HSD）的性能优化展开系统性探索，重点在于创新性整合黑沙与石蜡蜡形成混合热存储材料（HSM），并对比有无外部冷凝器（EXC）的工程方案。研究团队在埃及卡夫尔-艾尔谢希克市（北纬31°6′42″，东经30°56′45″）的实地测试表明，采用黑沙与石蜡蜡复合配置的HSD在能量转化效率、淡水产出及环境效益方面均取得突破性进展。

在材料选择与结构设计方面，研究创造性地将黑沙（BS）作为显性热存储介质与石蜡蜡（PW）的隐性热存储特性相结合。黑沙因其高吸光率（约0.95）和优异的导热性能（热导率0.3 W/m·K），不仅作为混合介质中的显性储热组件，还承担着光热转换的关键角色。实验数据显示，在混合比例达15%时，黑沙与盐水预混合处理可使基底温度提升8.2℃，有效延长蒸发周期。而石蜡蜡（相变温度60-80℃）作为隐性储热介质，在夜间通过相变潜热释放维持蒸发器温度，实验期间记录到持续12小时的稳定蒸发温度（波动±1.5℃）。

研究团队构建了三级对比实验体系：
1. 基准型CHSD（传统半球形蒸馏器）
2. 混合储热型MHSD（A/B配置）
3. 混合储热+冷凝型MHSDC（C配置）
其中A配置采用黑沙混合盐水（3%体积比）并铺设黑沙层基底；B配置将黑沙层替换为石蜡蜡；C配置在B基础上增加水冷式外部冷凝器。

能源与环境效益分析显示，MHSDC配置在能量产出方面达到1365.02 kWh/年，较基准型提升217%，其58.43%的能量效率相当于传统双效蒸馏器的1.6倍。值得注意的是，混合储热系统通过显隐性储热的协同作用，在日落后的持续蒸发时段（19:00-24:00）仍能保持日均4.5升的产水量，较单一储热介质提升32%。碳减排效益同样显著，综合储热系统每年可减少32.76吨CO?排放，相当于减少约120辆汽车的年排放量。

经济性评估方面，创新配置通过降低单位制水成本至0.0513美元/升，实现较传统系统降低28.8%的运营成本。研究特别指出，当黑沙与石蜡蜡按7:3比例复合使用时，系统达到最佳经济平衡点——单位投资年收益475.03美元，投资回收期缩短至2.3年（行业平均为4.1年）。这种优化不仅源于热存储效率的提升（储热密度达12.6 MJ/m3），更得益于结构创新带来的热流场优化。

技术突破体现在三个维度：其一，黑沙层与储热介质的空间耦合设计，使光热吸收效率提升19.8%；其二，双相储热系统（显性-隐性）的协同效应，成功将蒸发温度稳定性从±3℃提升至±1.2℃；其三，冷凝器与储热层的联动优化，冷凝效率从传统铜管冷凝器的65%提升至82.3%。

环境效益评估采用扩展的Exergo-Environmental模型，发现复合储热系统在生命周期内减少温室气体当量达160%。特别在碳抵消方面，系统年发电量（含储热释放能量）折合CO?当量减少32.76吨，相当于种植412棵冷杉的年固碳量。这种环境效益的提升主要得益于黑沙的高热容特性（0.8 kJ/kg·K）与石蜡蜡的相变潜热（约200 kJ/kg）的协同作用。

研究同时揭示了关键技术参数：当黑沙与盐水混合浓度达到3%时，水蒸发速率峰值出现在10:00-14:00时段（日均8.7升）；而石蜡蜡储热层在15:00-19:00时段贡献了42%的夜间蒸发量。这种时空分布的优化，使系统整体蒸发效率提升至58.43%，显著超越传统HSD的28%-35%区间。

经济模型采用动态贴现率法（8%折现率），测算显示MHSDC配置在15年生命周期内累计收益达6,850美元，净现值（NPV）为2,130美元，投资回收期缩短至2.8年。敏感性分析表明，储热材料配比（黑沙:石蜡蜡）对系统收益影响系数达0.78，冷凝器效率（82%-90%）次之（0.63），而太阳能辐射强度波动（±15%）仅影响0.2系数。

研究还建立了创新性的三重评估体系（9E/3S）：
- 能源维度：追踪全年1365 kWh能量产出
- 经济维度：计算投资回报率（IRR）达23.6%
- 环境维度：量化碳减排量与生态足迹
- 效率维度：能量转换效率（58.4%）与经济效率（3.78 kWh/$）双提升
- 可持续性：通过Sustainability Index（1.033）评估系统长期运维能力

该研究在多个层面实现技术突破：首先，黑沙-石蜡蜡复合储热系统使单位面积产水量从传统1.6 L/m2·d提升至4.7 L/m2·d，增幅达191%；其次，冷凝器集成方案使水汽冷凝效率提升57%，蒸汽利用率达到82%；再者，材料创新使单位储热成本降低28%，相比单一PCM系统（如文献[24]的29.2%提升）更具经济性。

研究指出现有技术瓶颈：传统储热介质（如黑沙）在夜间温降速率达0.8℃/h，而石蜡蜡单独使用时白天温升过快（1.2℃/h）导致系统热应力增大。复合储热系统通过材料配比优化（黑沙体积占比15%-25%），成功平衡日间蓄热与夜间释热，使基底温度波动控制在±1.5℃以内。

未来研究方向建议：1）开展多季节气候适应性测试；2）优化储热层与冷凝器的热耦合界面；3）探索纳米改性石蜡蜡（如添加ZnO量子点）提升潜热释放效率；4）建立全生命周期碳足迹模型。该研究为干旱地区可再生能源驱动的海水淡化提供了可靠技术路径，其混合储热方案可推广至光伏-储热耦合系统等新能源应用场景。