基于牛油果皮衍生多孔水凝胶的高效太阳能净水器开发及其生物质废料资源化研究

针对淡水资源短缺和传统净水技术高能耗问题，韩国研究人员利用牛油果皮生物炭（CAP）与海藻酸钠（SA）复合制备三维多孔水凝胶（SA-CAP），实现1.44 kg m?2 h?1蒸发速率和90.26%光热转换效率，兼具重金属/染料去除功能，为农业废料高值化利用提供新范式。

　　

全球淡水危机正以惊人的速度逼近——到2050年，约50亿人将面临水资源短缺。传统海水淡化技术虽能缓解这一危机，但其依赖化石能源的特性与碳中和目标背道而驰。在此背景下，太阳能界面蒸发技术（ISWE）因其零碳排、低成本的特性成为研究热点。然而，现有系统普遍面临三重困境：光热材料成本高昂（如贵金属纳米颗粒）、合成聚合物不可降解、农业废料利用率不足。更棘手的是，多数蒸发器在真实海水环境中会出现盐结晶堵塞问题，导致性能断崖式下跌。

韩国忠南国立大学的研究团队独辟蹊径，将超市废弃的牛油果皮转化为高性能光热材料，通过创新性的"碳化-冻融"工艺将其嵌入海藻酸钠（Sodium Alginate, SA）基质，开发出兼具超高蒸发效率与环境友好特性的SA-CAP水凝胶。这项发表于《Sustainable Materials and Technologies》的研究，不仅实现了90.26%的太阳能-蒸汽转换效率，更开创了"从垃圾箱到水龙头"的可持续水净化新模式。

研究团队采用四项核心技术：①氮气保护下梯度升温碳化法制备牛油果皮生物炭（CAP）；②钙离子交联冻干法构建三维贯通孔道结构；③紫外-可见-近红外光谱全波段吸收表征；④室外自然光照射下的实际工况验证。特别值得注意的是，实验所用牛油果皮直接采购自韩国天安市本地超市，最大限度模拟真实废弃物处理场景。

材料设计与表征
通过SEM-EDS分析揭示，碳化后的牛油果皮形成独特的"蜂窝状"多级孔结构，比表面积达217 m² g^?1，其表面丰富的含氧官能团（C=O, -COOH）使光吸收率在250-2500 nm范围保持>95%。XPS证实碳骨架中sp²杂化域占比达68%，这种类石墨烯结构赋予材料优异的光热转换能力。

蒸发性能突破
在标准太阳辐照（1 kW m^?2）下，SA-CAP水凝胶表现出1.44 kg m^?2 h^?1的蒸发速率，较纯SA水凝胶提升320%。红外热像仪显示，该材料能将热量精准局域在气-液界面（表面温度58.3°C），而本体水温仅31.2°C，这种"热定位"效应使能量损失降低至9.74%。

环境适应性验证
面对20 wt%高盐度 brine water时，SA-CAP仍保持1.32 kg m^?2 h^?1的稳定输出，归功于其超亲水孔道（接触角0°）产生的快速排盐效应。更令人惊喜的是，该材料对Pb²⁺、Cd²⁺的截留率>99.9%，对甲基橙/亚甲基蓝的去除效率达98.7%，这源于CAP表面负电荷与金属离子的强静电作用。

结论与展望
这项研究实现了三重创新：首次将牛油果皮生物炭应用于界面蒸发领域；开发出目前报道中能效最高的生物质基水凝胶（90.26%）；建立完整的废弃物-功能材料转化路径。室外实验显示，1 m² SA-CAP装置每日可产出10.8 L饮用水，足够满足3人基本需求。正如通讯作者Sung Jea Park强调："我们不仅创造了一个高效蒸发器，更设计了一套将早餐残渣转化为生命源泉的循环经济方案。"该成果为联合国SDG6（清洁饮水和卫生设施）和SDG12（负责任消费和生产）目标的实现提供了切实可行的技术支撑。