生物启发的各向异性纤维素蒸发器用于高效太阳能界面海水淡化

         

全球约70%的表面被水覆盖，但只有约3%是可直接获取的淡水，而大部分淡水以冰川和地下水的形式存在，难以直接利用。地球上可供人类消费的淡水不到总水量的1%，却要满足全球近80%的清洁水需求。随着全球人口的快速增长，对淡水的需求不断增加，导致全球范围内的饮用水短缺问题日益严重。目前，约有20亿人缺乏安全可靠的淡水供应，预计到2050年，仍有8.4亿人将面临慢性水资源短缺问题。

为应对这一挑战，从丰富的海水资源中获取淡水成为一种有前景的解决方案。然而，传统的脱盐技术（如电渗析、蒸馏、反渗透和离子交换等）通常依赖于化石能源或其他不可再生资源，面临能耗高、基础设施成本高以及系统配置复杂等多重挑战。

相比之下，太阳能作为一种最丰富的可再生能源，在全球范围内广泛分布，且直接利用太阳能不会造成二次污染，因此太阳能驱动的脱盐技术被认为是一种可持续的绿色技术，也是缓解全球水危机最有希望的解决方案之一。

近年来，太阳能界面蒸发（Solar Interfacial Evaporation, SIE）技术因其在界面处有效蒸发水分、减少热传导损失而受到关注。然而，现有的蒸发器仍面临环境友好性不足、蒸发效率低、机械性能差和耐盐性差等技术瓶颈。

纤维素作为地球上最丰富的可再生天然高分子材料，具有可持续发展的广阔前景。其独特的分子结构赋予纤维素诸多优异性能，如大量的羟基使其具有良好的亲水性，有助于水分运输；低导热性可减少热量向体相水的散失；机械强度可调，能提高纤维素材料在复杂环境中的耐久性。

此外，纤维素材料易于加工成纳米/微米多孔结构，以进一步提高水分运输能力，并通过增加内光反射和散射来增强光吸收。因此， 纤维素材料被认为是非常理想的太阳能界面蒸发器候选材料。

受天然木材定向结构的启发， 研究人员设计了一种各向异性多孔纤维素（APC）水凝胶，作为太阳能蒸发器。

该研究旨在通过生物启发的结构设计，为海水淡化和水净化提供一种环保、高效、可持续的解决方案。

相关成果以“Bioinspired anisotropic cellulose evaporator for high-efficiency solar interfacial desalination“为题发表在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》上。

受天然木材的启发，利用冷冻铸造技术制备了各向异性多孔纤维素（APC）水凝胶。纤维素蒸发器的创新主要体现在三个方面：

(1) 纤维素链上丰富的羟基赋予其优异的亲水性。

(2）光热效应和蒸发焓降低的协同作用提高了界面蒸发效率。

(3）排列整齐的多孔结构使水凝胶具有快速的水传输能力，从而促进表面盐分的持续溶解，有效防止盐分积累。

这些特性确保了蒸发器快速稳定的蒸发，从而提高了蒸发速率和效率。因此，在 1 个太阳光照条件下，APC6-24 的水蒸发率和效率分别达到 2.31 kg m ^{- 2}  h ^-1  和 90.69 %，优于大多数同类蒸发器。即使在不同浓度的氯化钠溶液中，APC6-24 蒸发器也能保持优异的蒸发性能。该蒸发器还具有出色的耐盐性和循环稳定性，可在模拟海水中长期运行。

此外，室外蒸发试验进一步验证了该蒸发器的脱盐性能，它对高浓度盐水和有机染料都表现出卓越的净化能力。总之， 本研究制备的高效、耐盐和可持续太阳能界面蒸发器在海水淡化和废水净化方面具有广泛的潜在应用，为下一代光热蒸发器的结构设计提供了新的视角。

         

图1  APC水凝胶的仿生设计和制造。（a）植物中水和养分运输的示意图。（b）APC水凝胶的太阳蒸发和脱盐的示意图。（c）APC水凝胶制备过程的示意图

         

图2  SEM图像：（a-b）APC6–24;  （c-d）ISC;  （e-f）APC6-10;  （g-h）APC4–24。  （a，c，e和g）径向方向（R）。  （b，d，f和h）轴向方向（A）

         

图3 （a）在干燥状态和肿胀状态下纤维素水凝胶的密度。  （b）傅立叶变换红外光谱（FTIR）光谱和（c）干燥状态下纤维素水凝胶的XRD模式。  （d）纤维素水凝胶在不同方向上的压缩应力应变曲线。  APC6-24的压缩应力 - 应变曲线在轴向（E）和径向（f）方向上以60.0％应变为10个循环

         

图4 （a）干燥状态下纤维素水凝胶的吸水比。  （b）纤维素水凝胶中染料溶液的水速速度。  （c）纤维素水凝胶中质量传输过程的典型数字照片

         

图5  （a）自制太阳能蒸发器系统进行水蒸发测量的示意图。  （b）在1个太阳光照下蒸发器的表面温度变化。  （c）在1个太阳照明下蒸发器的表面温度的红外图像。  （d）质量变化，以及（e）在1个太阳光照下蒸发器的蒸发速率和效率。  （f）黑暗蒸发实验中蒸发器的水蒸发率和等效蒸发焓。  （g）APC6-24中水蒸发过程的DSC曲线。  （h）与以前的相关文献相比，APC6-24蒸发剂的水蒸发率和效率与以前的相关文献相比

         

图6 （a）质量变化和（b）在1个太阳光照下3.5   wt％NaCl溶液中纤维素蒸发器的蒸发速率和效率。  （c）在1个太阳光照下，在各种溶液盐度下，APC6-24蒸发剂的蒸发速率。  （d）在淡化过程中APC6-24蒸发器的盐耐性的示意图。  （e）质量变化和（f）在1个太阳光照射下10个周期后，APC6-24蒸发器在3.5 wt％NaCl溶液中的蒸发速率和效率

         

图7 （a）室外蒸发实验：太阳通量，环境温度和APC6-24蒸发器在模拟海水（3.5 wt％NaCl）中的相对湿度变化，从10:00到16:00。  （b）在10:00–16:00中，APC6-24蒸发器的小时平均蒸发率。  （c）在模拟海水和脱盐水中四个主要离子的浓度变化。  （d）太阳蒸发后MB和RHB水溶液和纯净水的照片和UV -VIS吸收光谱

（来源：热质纳能）