悉尼科技大学AM：分层结构水凝胶实现高盐度海水淡化

摘要：全球淡水短缺问题日益严重，超过20亿人无法获得安全饮用水，而人口增长和工业化进一步加剧了这一危机。在众多新兴海水淡化技术中，界面太阳能蒸汽发生（ISSG）技术因其低能耗、无需高压或外部热源的特性，成为可持续生产清洁水的有前景方案。然而，ISSG技术在高盐度环境

全球淡水短缺问题日益严重，超过20亿人无法获得安全饮用水，而人口增长和工业化进一步加剧了这一危机。在众多新兴海水淡化技术中，界面太阳能蒸汽发生（ISSG）技术因其低能耗、无需高压或外部热源的特性，成为可持续生产清洁水的有前景方案。然而，ISSG技术在高盐度环境（如工业废水和浓盐水）中仍面临盐积累、光吸收下降和维护成本高等挑战，限制了其实际应用。

近日，悉尼科技大学付强博士、Huang Yuhan博士、魏薇博士合作，提出了一种基于分层结构水凝胶的创新型ISSG系统，能够同时实现高盐度海水淡化和环境能量收集。该系统通过具有中央垂直通道和径向梯度孔径的多级孔道结构，成功解耦了盐离子与水的传输过程：太阳能驱动的流体对流将水向外输送以蒸发，而盐离子则向内迁移，避免表面结晶并重新分配余热。该系统在20 wt%高盐环境中实现了超过12 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率，并可连续运行15小时无盐积累，户外测试中日产水量达67.2 L m⁻²，展现出在可持续海水淡化和工业废水处理中的巨大潜力。相关论文以“ Decoupling Transport of Salt Ions and Water in Hierarchically Structured Hydrogel for High Salinity Desalination ”为题，发表在Advanced Materials上，论文第一作者为Shi Yihan。

研究团队采用聚乙烯醇（PVA）和生物炭通过静态冷冻铸造法制备了具有独特分层多孔结构的水凝胶（SPBH）。该结构包括中央垂直通道和径向排列的梯度孔径通道，显著提升了水的吸收和传输能力。图1展示了SPBH的制备过程、结构特征及其输水机制。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，中央孔平均尺寸为0.965 μm，中间孔为4.233 μm，边缘孔为8.583 μm，形成了从中心到外围的梯度孔道。与水随机孔道结构的水凝胶（RPBH）相比，SPBH具有更优的亲水性和更快的吸水性，能在60秒内完全饱和，并通过中央织物通道实现快速纵向输水，再通过径向孔道实现高效扩散。

图1. 3D SPBH蒸发器的制备、结构及输水机制。 a) SPBH制备过程示意图；b–e) 显示径向多孔结构的SEM图像和内部照片；f) SPBH与RPBH的吸水性能，插图为半溶胀时间和输水速率；g) SPBH中输水机制的数字与示意图展示。

图2进一步揭示了SPBH的水活化与蒸发性能。拉曼光谱和紫外-可见-近红外吸收光谱表明，生物炭成功嵌入水凝胶基质，并展现出高达88.2%的广谱光吸收率。在太阳光照射下，3D SPBH蒸发器表面温度甚至低于环境温度，形成“冷蒸发”效应，显著提升了蒸发效率。SPBH-CG在去离子水中的蒸发速率达到9.2 kg m⁻² h⁻¹，且在高盐条件下仍保持稳定性能。

图2. SPBH的水活化与蒸发性能。 a) 生物炭、PVA水凝胶和SPBH的拉曼光谱；b) PVA和SPBH的紫外-可见-红外吸收光谱与AM 1.5太阳光谱对比；c) 在空气中一太阳光照下2D RPBH与3D SPBH的红外热图像；d) SPBH在光照下的质量损失；e) 水的等效蒸发焓随时间变化；f) SPBH的蒸发速率；g–i) SPBH拉曼光谱中O–H伸缩区的拟合峰，粉红色和蓝色峰分别代表自由水和中间水。

图3研究了蒸发面积指数（EAI）对热管理和蒸汽扩散的影响。通过调节水凝胶的高度与半径比（h/r），团队发现随着EAI增加，系统能从环境中吸收更多能量，蒸发速率显著提升，最高达12.06 kg m⁻² h⁻²，太阳能-蒸汽转换效率甚至超过500%。计算流体动力学（CFD）模拟进一步验证了冷表面蒸发机制，显示蒸汽沿侧壁下沉增强了自然对流，避免了热积累和蒸汽滞留。

图3. 蒸发面积指数（EAI）对SPBH-CG热与蒸汽扩散的影响。 a) 不同高度SPBH-CG在一太阳下的侧表面红外热图像；b) 表面和侧温度在60分钟内的变化；c) SPBH-CG的蒸发速率；d) 先进3D蒸发器蒸发速率与EAI的关系；e) CFD模拟显示SPBH-CG周围的温度、水蒸气质量分数和流速分布。

图4展示了SPBH-CG的耐盐性与运行稳定性。通过建立径向盐度梯度，系统实现了自适应的盐排斥机制，能在0–20 wt%盐度范围内保持约9.5 kg m⁻² h⁻¹的高蒸发速率，并在多次循环中表现稳定。在20 wt%盐水中连续运行15小时后未观察到盐结晶，而对照组在6小时内即出现显著沉积。此外，系统还成功实现了零液体排放（ZLD）脱盐，所有矿物质被保留，淡水被完全蒸发收集。

图4. SPBH-CG的耐盐性与运行稳定性。 a) 离子在纵向和横向截面中的传输示意图；b) 不同盐度下SPBH-CG3的蒸发速率；c) 与其他耐盐蒸发器的性能对比；d) 在3.5 wt%和20 wt%盐度下7个循环的蒸发速率，插图为运行15小时前后的SPBH-CG3；e) 在海水中的长期性能；f) 在20 wt% NaCl溶液中两太阳光照下的ZLD蒸发速率。

图5展示了集成冷凝与通风模块的户外大规模系统性能。在悉尼进行的实地测试中，该系统在自然海水条件下实现了67.2 L m⁻²的日淡水收集量，收集效率达81%，并且产水中的离子浓度符合世界卫生组织（WHO）饮用水标准。

图5. 户外大规模系统与脱盐性能。 a) 户外“蒸发-冷凝-收集”装置示意图；b) 实际装置照片；c) 室外光照、湿度和温度随时间变化；d) 海水中金属离子浓度降至WHO标准以下（灰色虚线）；e) 8小时户外测试中的淡水生产率。

该项研究成功开发出一种具有分层多孔结构的3D水凝胶蒸发器，有效解决了高盐环境下盐积累与蒸发效率之间的矛盾。其冷表面设计优化了热管理，提升了能量利用效率，实现了在多种盐度条件下的高效、稳定蒸发，为零液体排放和可持续水资源管理提供了可靠路径。未来，该技术有望在分布式海水淡化、工业废水处理和矿物质回收等领域发挥重要作用。