https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.130379淡水资源对人类生命的维系至关重要。太阳能海水淡化（SSD）技术通过利用太阳能，为水资源短缺提供了一种前景广阔的解决方案。本文设计了一种倒锥形生物炭基水凝胶，以结冷胶（GG）为基底，采用碳化的废弃西伯利亚鸢尾作为吸光材料，通过添加聚乙二醇降低蒸发焓，优化了蒸发器内部水的态势调控。该结构实现了高效太阳能吸收、快速物质传输和良好的稳定性。实验表明，最佳蒸发器的蒸发速率达1.80 kg m-2 h-1，光热转换效率为89.01%。此外，该生物炭基水凝胶蒸发器在处理含有不同污染物的废水时性能出色，即使在7%的盐水中，蒸发器表面也能稳定运行，罗丹明B和酸橙染料污染物的去除率分别达到97.2%和98.9%。令人瞩目的是，在为期7天的户外实验中，海水的平均蒸发量为0.72 kg m-2 h-1，可计算出每日产水量足以供5人使用。这项工作为未来淡化系统的设计和制造提供了宝贵的见解。随着生活水平的提高和对发展的需求不断增加，未来的水资源短缺问题可能会进一步恶化。目前可直接利用的清洁水资源极其有限。地球上仅有3%的水是淡水，余下的97%为海水，无法直接饮用。界面太阳能蒸发技术被认为是有效的海水淡化方法之一，因为它通过将热量集中于蒸发器表面，最大程度地减少了热量向水体和环境的散失，从而提升了光热转换效率。然而，昂贵的原材料、复杂的生产工艺和缺乏生物降解性限制了该技术的广泛应用。
本研究提出的生物炭基水凝胶蒸发器在多方面展现出竞争优势：1. 结构优势：与传统蒸发器相比，水凝胶的可塑性、超亲水性和良好的光吸收性增强了性能，而蒸发器内部的维管束结构促进了水从底部到表面的快速传输。2. 形状优化：倒锥形水凝胶设计相比传统形状具有更优的吸光性和稳定性，同时无需外部水源供水，操作简便。3. 能量效率：通过调节蒸发器内部的水比例，生物炭基水凝胶降低了蒸发焓，使得在相同能量条件下能够蒸发更多水量。4. 耐盐性和稳定性：该蒸发器在长期的海水淡化过程中展现出优异的抗盐结晶能力和稳定性，适合长期应用。生物炭基水凝胶蒸发器的倒锥形结构和微观特性展示了其独特的设计优势。其表面富含毛细网络结构，有助于吸附废水中的离子和污染物，同时，内部的维管束通道则有效地推动了水从蒸发器底部向表面的快速运输，进一步提升了蒸发效率。倒锥形水凝胶在光吸收、物质传输和结构稳定性方面展现出显著优势。1）光吸收方面，与传统平面水凝胶相比，倒锥形结构的倾斜壁面能够引导多次光反射，从而延长光在水凝胶中的路径，提高光能吸收率。2）物质传输方面，倒锥形结构可以直接与盐水接触，不依赖传输带，有效提升了与环境中溶质的交换效率。3）稳定性方面，倒锥形设计与金字塔结构类似，其底部结构更宽，使水凝胶在外界干扰下更稳定，不易倾倒或位移，确保了其在长期使用中的稳固性。生物炭基水凝胶在不同浓度盐溶液中的光热转换效率及盐结晶实物图生物炭基水凝胶蒸发器在3.5%和7.0%盐溶液中能够长时间维持稳定的水蒸发，且蒸发器表面未出现盐结晶。这表明其在高盐环境下具备出色的耐盐性。即便在较高盐浓度下偶有盐结晶生成，光照暂停后，结晶可在短时间内自行脱落，从而避免结晶积累。该现象验证了生物炭基水凝胶蒸发器在长期海水淡化应用中的良好稳定性和耐盐能力。在室外试验中，一天中不同时间的环境湿度、环境温度和光照强度。在室外试验期间，连续7天的总蒸发量和平均光强。纯化RB（罗丹明）前后的紫外吸收光谱和实物照片。纯化前后AO（酸橙）的紫外吸收光谱和实物照片。在为期7天的户外实验中，生物炭基水凝胶蒸发器的淡水收集量达5.29至8.89kg m-2，相当于满足3至5人的每日淡水需求。采用紫外-可见分光光度计测定了含有机污染物AO和RB的溶液纯化前后的吸光度，结果显示AO和RB的特征吸收峰几乎完全消失，染料去除率分别为98.9%和97.2%。这表明生物炭基水凝胶不仅具有优异的蒸发性能，还具备出色的抗污能力，能够确保海水淡化过程的高效性与稳定性。本工作成功合成了用于太阳能海水淡化的倒锥形生物炭基水凝胶，其蒸发速率显著优于传统材料。在为期7天的户外实验后，蒸发器仍保持了优异的蒸发速率，为未来高效、稳定的海水淡化系统的设计和制造提供了有力参考。姚金刚，山东理工大学副教授，山东省青创团队负责人，研究生导师，中国化工学会工程热化学专业委员会青年委员，《Green Carbon》、《燃料化学学报（中英文）》、《生态与农村环境学报》青年编委/学术编辑。主要从事有机固废能源化与资源化高效清洁利用基础理论研究及技术开发，瞄准生物质能源多元化和高效清洁利用的重大科技问题，聚焦“碳达峰”、“碳中和”、绿色能源工艺和催化剂的开发及工程化，围绕生物质气化制富氢合成气、生物质经合成气转化的碳一化学与工程、生物质直燃发电烟气污染物控制、二氧化碳（CO2）捕集及其催化转化等前沿热点，从反应机理、催化剂设计、系统集成及工程化推广等方面开展从基础到应用的贯通式研究工作。主持国家自然科学基金项目3项、山东省自然科学基金/科技计划项目3项，以课题骨干参与国家重点研发计划、国家重点研发计划课题项目4项。近五年在Bioresour Technol、Energ Convers Manage、Sep. Purif. Technol.、Ind Crops Prod、J Energy Inst、Fuel Process Technol、Micropor Mesopor Mat、Renew Energ、Appl Energ、J. Anal. Appl. Pyrolysis、Surf. Interfaces、煤炭学报、燃料化学学报、天津大学学报（自然科学与工程技术版）等SCI、EI学术期刊上发表论文40余篇，授权中国发明专利5项，荣获2024年中国发明创业奖·创新奖一等奖，2023年日内瓦国际发明展银奖、荣获2022年中国发明创业奖·创新奖一等奖。![]()
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