基于碳化生物质气凝胶的高效界面太阳能蒸汽生成技术用于海水淡化和废水处理

针对全球水资源短缺问题，研究人员开发了一种基于小球藻/海藻酸钠(PC-C/SA)的碳化气凝胶蒸发器，通过离子交联-冷冻干燥-部分碳化工艺构建薄层光热转换结构，原位生成的CaCO3可抑制热损耗。该蒸发器在1太阳光照下实现2.43 kg m?2 h?1的蒸发速率和96.76%的效率，为生物质材料在界面太阳能蒸汽生成(ISSG)领域的应用提供新思路。

　　

随着全球人口增长和气候变化加剧，淡水短缺已成为威胁人类发展的重大挑战。尽管地球表面70%被水覆盖，但仅有2.53%是可用淡水。据预测，到2025年全球将有35亿人面临水资源危机。传统海水淡化技术如反渗透、多效蒸馏等虽有效但存在高能耗、高成本的缺陷。在此背景下，界面太阳能蒸汽生成(Interfacial Solar Steam Generation, ISSG)技术因其低碳、低成本的优势成为研究热点，其核心在于开发高效稳定的太阳能蒸发器。

福建地区科研团队在《Desalination》发表的研究中，创新性地利用藻类生物质构建了具有薄层光热转换结构的自漂浮气凝胶蒸发器。研究人员采用离子交联-冷冻干燥-部分碳化三步法，将小球藻(Chlorella)与海藻酸钠(Sodium Alginate, SA)复合制备PC-C/SA气凝胶，通过精确控制300℃碳化15分钟形成厚度可控的碳化层。关键技术包括：1) 钙离子交联构建三维网络结构；2) 梯度温度冷冻干燥保持多孔形态；3) 表面选择性碳化形成光热层；4) 原位生成CaCO₃颗粒调节热传导。

【材料与形貌表征】
光学显微和SEM显示，碳化后的气凝胶表面形成致密碳层（吸附率86.1%），截面呈现梯度孔隙结构。XRD证实Ca²⁺交联后原位生成的CaCO₃晶体均匀分布于碳层，其0.27 W m^?1 K^?1的低热导率有效阻隔热扩散。

【蒸发性能测试】
在1太阳光照(1 kW m^?2)条件下，PC-C/SA-15蒸发器表现出创纪录的2.43 kg m^?2 h^?1蒸发速率，效率达96.76%。机理分析表明：1) 碳层降低水的蒸发潜热至1653 kJ kg^?1；2) 未碳化底层通过毛细作用持续输水；3) CaCO₃物理阻隔使热量集中于气-液界面。

【实际应用验证】
处理海水后总溶解固体(TDS)从35 g L^?1降至8 mg L^?1，对含染料废水（甲基橙、罗丹明B等）的脱色率>99%，重金属离子去除率超98%，符合WHO饮用水标准。

该研究通过巧妙的"部分碳化"策略解决了传统生物质蒸发器整体碳化导致的热分散问题。CaCO₃的原位生成不仅改善材料稳定性，其热学特性与碳层形成协同效应，使热效率较同类材料提升15%以上。研究成果为藻类生物质的高值化利用开辟新途径，推动ISSG技术向低成本、规模化应用迈进。特别值得注意的是，该方法避免使用贵金属纳米材料（如文献报道的Pd/rGO体系），单次制备成本降低83%，在应对全球水危机和实现碳中和目标方面具有双重意义。