基于天然木材的高效太阳能界面蒸发器实现海水淡化与锂资源回收

《Environmental Technology & Innovation》：Efficient water desalination with wood evaporators

本研究针对全球淡水资源短缺问题，开发了基于五种天然木材的太阳能界面蒸发器。通过PDA/Fe(II,III)协同光热改性，蒸发速率达到1.62±0.24 kg·m-2·h-1，效率高达91.8%。户外实测显示日产淡水270.8 g·m-2且符合WHO标准，同时实现锂资源回收（3.28 g·m-2）。该研究为可持续水处理与能源危机提供了双功能解决方案。

　　

随着全球人口增长和工业化进程加速，淡水资源短缺已成为威胁人类生存发展的重大挑战。尽管地球表面71%被水覆盖，但其中97%是无法直接利用的海水，而仅占0.06%的易获取淡水资源需要支撑人类和数十万种生物的生存需求。传统海水淡化技术虽然能够缓解水资源压力，但存在高能耗、高成本以及温室气体排放等问题，每生产1000立方米淡水就需要消耗约10吨原油并排放5000立方米温室气体。

在这一背景下，太阳能驱动的界面蒸发技术因其清洁、可持续的特性受到广泛关注。昆山杜克大学自然与应用科学分部的周宇、王宣智、卢天欣、吴青林和石伟伟研究团队在《Environmental Technology》发表研究，通过巧妙利用天然木材的独特结构，开发出高性能太阳能蒸发器，实现了高效海水淡化和锂资源回收的双重目标。

研究人员采用五种常见木材（肉桂木、杉木、泡桐、苦楝和杨木）作为基底，通过脱木质素处理暴露出垂直排列的多孔通道，随后利用聚多巴胺(PDA)和铁氧化物(Fe(II,III))进行表面改性，构建具有协同光热效应的蒸发界面。这种设计充分利用了木材固有的超亲水性、低热导率和定向输水能力，同时通过PDA的π-π堆积效应和铁离子的电子-空穴对生成机制显著提升光热转换效率。

研究结果显示，所有五种木材蒸发器均表现出优异的蒸发性能。在1 kW·m^-2的模拟太阳光下，蒸发速率达到对照组的2-3倍，最高可达1.62±0.24 kg·m^-2·h^-1，相应蒸发效率高达91.8%。特别值得关注的是，Wood-3（泡桐）在户外实际海水测试中，8小时日间可收集270.8 g·m^-2的淡水，水质完全符合世界卫生组织标准。

2.1. 木材蒸发器的制备

通过扫描电镜观察发现，五种木材均具有独特的微观孔道结构，其中Wood-3的孔径最大（38.2±1.8 μm），为水分输送提供了理想通道。制备过程包括脱木质素、PDA改性和Fe(II,III)涂层三个关键步骤，最终形成的黑色蒸发表面展现了优异的吸光性能。

2.2. 木材蒸发器的表征

XPS分析证实了PDA的成功修饰，在285.3 eV和399.4 eV处分别观察到C-NH₂和=N-R特征峰。FT-IR和拉曼光谱进一步验证了Fe₃O₄的形成，而UV-Vis光谱显示改性后木材的光吸收能力显著提升，为高效光热转换奠定了基础。

2.3. 水蒸发性能

热成像显示蒸发表面温度在10分钟内迅速升至40°C以上，远高于对照组。在不同光强测试中，蒸发速率与辐照强度呈正相关，在2.0 kW·m^-2时达到5.66±0.34 kg·m^-2·h^-1，证明了系统的广泛适应性。

2.4. 太阳能淡化性能

在3.5%盐度条件下进行的8小时连续测试表明，蒸发速率保持稳定，首小时最高可达2.26±0.77 kg·m^-2·h^-1。系统表现出良好的抗盐沉积能力，即使在20%高盐度环境下仍能维持正常运作。

2.5. 户外实地测试

渤海海水测试证实了技术的实用性，收集的淡水中重金属离子浓度显著降低，同时对甲基蓝和甲基橙等有机污染物表现出良好的去除效果。更为重要的是，系统在蒸发过程中实现了锂元素的富集回收，累计可达3.28 g·m^-2。

这项研究成功开发了基于天然木材的双功能太阳能蒸发平台，不仅为解决全球水资源短缺提供了可持续方案，还开创了海水淡化过程中战略性资源回收的新途径。木材原料的低成本、可再生特性结合简单高效的制备工艺，使得该技术具备大规模应用的潜力。特别是在锂资源日益重要的背景下，这种能够同步实现淡水生产和锂回收的技术设计，为应对能源和水资源双重挑战提供了创新思路，对推动可持续发展具有重要意义。