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研究背景

隨著全球水資源短缺和能源危機(jī)日益嚴(yán)峻，傳統(tǒng)水凈化技術(shù)因高能耗、高成本及二次污染等問題受到限制，而太陽能驅(qū)動的界面光熱蒸發(fā)技術(shù)因其高效利用太陽能局部加熱水界面而備受關(guān)注。盡管碳基、聚合物及等離激元納米材料等光熱材料性能優(yōu)異，但其昂貴的成本和復(fù)雜的制備工藝制約了應(yīng)用推廣；相比之下，低成本碳化生物質(zhì)材料展現(xiàn)出巨大潛力，其中熱液碳化法能有效維持生物質(zhì)結(jié)構(gòu)并優(yōu)化孔隙，從而提升水輸送和蒸汽逸出性能。然而，該技術(shù)在海水淡化應(yīng)用中面臨鹽分積累的挑戰(zhàn)，鹽結(jié)晶會堵塞水通道、降低光吸收并影響蒸發(fā)效率和長期穩(wěn)定性。目前雖已通過疏水涂層、Janus結(jié)構(gòu)設(shè)計或自清潔等手段嘗試解決鹽沉積問題，但這些方法往往工藝復(fù)雜、成本較高，且可持續(xù)性不足。因此，未來需要開發(fā)更簡便、低成本的方法，在維持高效蒸發(fā)的同時實現(xiàn)鹽分的有效管理，以推動該技術(shù)的實際應(yīng)用。

本文針對現(xiàn)有水鹽分離材料在低成本、可持續(xù)應(yīng)用方面的不足，提出了一種基于簡單熱液碳化制備的一體化立方生物質(zhì)蒸發(fā)器材料。該蒸發(fā)器通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，旨在同時實現(xiàn)水和鹽的有效分離與收集，從而避免鹽分沉積問題。其設(shè)計集成了兩項關(guān)鍵功能：利用空間結(jié)構(gòu)驅(qū)動高效太陽能水蒸發(fā)并調(diào)控局部鹽結(jié)晶行為，以及構(gòu)建可持續(xù)的水鹽分離過程以方便產(chǎn)物采集。該材料在一次太陽照射下可實現(xiàn)高達(dá)約2.64 kg·m-2·h-1的蒸發(fā)速率，并借助自發(fā)的局部鹽沉積實現(xiàn)鹽回收能力。此外，它在酸性、堿性及有機(jī)染料溶液中均表現(xiàn)出穩(wěn)定的高效性能，適用于復(fù)雜污水處理場景。這項工作為海水淡化及高鹽廢水處理提供了一種兼具高性能蒸發(fā)與鹽收集能力的新型實用化設(shè)計。

相關(guān)研究以“Easy and resilient spatio-temporal water-salt separation and collection via hydrothermal all-in-one cubic biomass”為題發(fā)表在國際知名期刊《Water Research》上。（中科院一區(qū)TOP，JCR一區(qū)，IF=12.4）

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相關(guān)數(shù)據(jù)

圖1:可再生能源示意：一體化生物質(zhì)太陽能蒸發(fā)器在鹽收集和通過熱液碳化產(chǎn)生蒸汽中的應(yīng)用。

圖2:(a) 不同木材中半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的相對含量。(b) HCPWs的FT-IR光譜。(c) HCPWs的XRD圖譜。(d) 松木和HCPW-230的橫截面掃描電子顯微鏡圖像。(e) 松木孔徑分布。(f) 松木的掃描電子顯微鏡圖像。(g) HCPW的紫外-可見-近紅外吸收光譜范圍為200至2500納米。(h) HCPW-230 的紅外圖像與單日光下時間的比較。(i) 木材蒸發(fā)器的水接觸角測量。

圖3:(a) 在1日光下純水中HCPW的質(zhì)量變化。(b)1日光下，高程對HCPW-230水蒸發(fā)的影響。(c)HCPW-230在不同太陽條件下隨時間的質(zhì)量變化（不同太陽條件下蒸發(fā)性能周期已作為內(nèi)頁）。(d)HCPW-230的蒸發(fā)循環(huán)性能。(e)比較HCPW-230與某些木材蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率。(f)海水淡化前后四大主要鹽度濃度。(g)對MB和MO染料溶液及相應(yīng)冷凝水進(jìn)行紫外-可見光譜分析。(h)酸堿溶液和純水中使用的pH測試紙照片。(i)折磨HCPW-230的十周期測試。

圖4:(a) HCPW-230在不同鹽堿度下的水分蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率。(b)鹽類回流向過程的擴(kuò)散情況。(c)HCPW-230的耐鹽性示意圖。(d)HCPW-230在連續(xù)光照照射下的蒸發(fā)性能測試結(jié)果。

圖5:(a)HCPW-230結(jié)構(gòu)設(shè)計的示意圖。(b)多重散射和光吸收的示意示范。(c)1日光下鹽分采集的照片。(d)1日光下鹽濃度的分子模擬計算。(e) 不同結(jié)構(gòu)設(shè)計下的HCPW-230水蒸發(fā)速率。(f)與其他鹽收集蒸發(fā)器在1日光下蒸發(fā)速率及蒸發(fā)效率的比較。(g)用于戶外實驗的蒸發(fā)器系統(tǒng)的光學(xué)圖像。(h)戶外蒸發(fā)測試。(i)HCPW-230 能夠利用環(huán)境陽光作為能量源，大規(guī)模漂浮并從鹽水中提取鹽分。

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實驗結(jié)論

通過水熱碳化工藝制備了一種一體化的可循環(huán)利用的立方型生物質(zhì)蒸發(fā)器材料，用于利用太陽能實現(xiàn)水鹽的時空分離。該蒸發(fā)器具有寬譜光吸收、理想的孔隙結(jié)構(gòu)和親水性，能夠在單個太陽照射下實現(xiàn)穩(wěn)定的蒸發(fā)速率約為 2.64 kg m-2 h-1，并且效率高達(dá)約 96.35%。更重要的是，通過生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，鹽結(jié)晶僅在蒸發(fā)器的特定位置發(fā)生，而非其他部位。此外，該蒸發(fā)器即使在酸性、堿性和有機(jī)染料溶液中也能有效且穩(wěn)定地運(yùn)行。因此，這項研究為將“廢棄物”生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高效的分離材料提供了一種直觀的結(jié)構(gòu)選擇方法，并為它們在可持續(xù)海水淡化、廢水處理和鹽回收等領(lǐng)域的實際應(yīng)用鋪平了道路。它還為降低太陽能水管理系統(tǒng)的成本和開發(fā)環(huán)保的水凈化設(shè)備提供了重要見解。

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DOI:10.1016/j.watres.2026.125375

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