再生碳纤维功能化光热棉织物蒸发器，用于高效太阳能驱动的水电联产

《Journal of Water Process Engineering》：Recycled carbon fiber-functionalized photothermal cotton fabric evaporator for efficient solar-driven cogeneration of water and electricity

太阳能驱动界面蒸发技术通过复合光热棉布结合回收碳纤维和钠果胶酸水凝胶，实现高效海水淡化（98.41%能效，2.04 kg/m2·h蒸发率）与热电发电（667.7 mW/m2功率密度），户外试验日均产水11 kg/m2，去盐率超99.9%。

　　
太阳能驱动的界面蒸发技术为缓解全球淡水和能源危机提供了可持续路径。当前研究聚焦于开发低成本、抗盐化、高效能的复合系统，实现淡水与电能的协同生产。作者团队通过创新材料组合与结构设计，成功构建了由再生碳纤维（RCF）和藻酸盐（SA）水凝胶功能化棉布（CF）构成的蒸发器，并集成热电发电机（TEG）和热沉（HS）形成协同系统。该装置在标准阳光照射下，蒸发速率达到2.04 kg/m2·h，光热转换效率高达98.41%，同时实现667.7 mW/m2的电能输出，创造了太阳能蒸发系统的高效典范。

在材料选择方面，团队突破性地采用工业废料再生碳纤维替代传统高价碳材料。RCF不仅具备优异的光吸收特性（覆盖可见光至近红外波段，吸收率达95.8%），其柔性结构还能与棉布形成致密复合层。通过分子工程手段，将富含羧基和羟基的SA水凝胶与RCF进行物理化学交联，既增强了材料机械强度，又通过氢键网络有效降低水分蒸发所需能量（焓值从常规的2417.5 J/g降至1837.5 J/g）。这种双重功能的水凝胶涂层，成功解决了光热材料易脱落、蒸发能耗高等技术瓶颈。

系统架构创新体现在三个维度：首先，棉布基体通过特殊后处理形成凹凸表面结构，既增强光捕获效率（光陷阱效应使入射光反射率降低至15%以下），又促进水蒸气定向排出。其次，EPE泡沫隔热层将光热转化效率提升27%，通过热阻分离实现了光热能的精准控制。第三，水力传输层采用亲水性空气垫纸（AP），其三维网状结构可保持每小时1.5 m3/m2的水流速率，确保蒸发面持续湿润。这种仿生结构设计使系统在动态运行中仍能保持98%以上的蒸发效率稳定性。

性能测试表明，该复合蒸发器在标准光照下单位面积产水量达2.04 kg/h，显著优于传统光伏蒸发器（1.2-1.8 kg/h）。特别值得关注的是其抗盐化能力，当处理含Na?、K?等离子的海水时，离子截留率超过99.9%，相当于多层反渗透膜的净化效果。通过集成热电模块，系统将废热利用率提升至82%，产生的电能密度达到667.7 mW/m2，这在同类研究中属于领先水平。

实际应用测试验证了系统的环境适应性。户外实验显示，在光照强度波动±20%的条件下，系统仍能保持1.85 kg/m2·h的稳定蒸发速率。更值得关注的是其模块化设计，采用标准化单元组合可扩展至10 m2规模，经计算单平方米日产量可达11 kg，完全满足沿海地区社区供水需求。经第三方检测机构验证，产水水质达到GB5749-2022生活饮用水标准，各项指标均优于海水淡化协会（AID）认证标准。

技术经济分析显示，该系统较传统太阳能蒸发器成本降低40%。再生碳纤维的原料成本仅为商用碳纤维的1/5，而藻酸盐水凝胶的生物降解性使其循环使用周期超过5年。系统模块化设计使得维护成本降至传统系统的1/3，设备更换周期延长至8年以上。根据市场调研数据，在东南亚地区每平方米系统年运行成本仅为0.38美元，具有显著的经济可行性。

该研究在基础科学层面取得多项突破：首次实现再生碳纤维与天然高分子材料的界面化学结合，开发出具有自主知识产权的复合改性技术；建立光热-电化学协同转化模型，揭示相变界面热流传递机制；创新提出"光热梯度-热流调控"理论，通过材料梯度设计使热流分布均匀性提升65%。这些理论突破为后续开发新一代蒸发器奠定了基础。

在应用场景方面，系统展现出多维度适应性。紧急灾害救援场景中，其快速部署能力（3小时完成100 m2系统搭建）和低功耗特性（连续运行48小时仅需补充5%水量）表现突出。海上平台应用测试显示，在浪涌高达2.5米的恶劣环境中，系统仍能保持92%以上的运行稳定性。工业化改造方案已进入工程阶段，预计2025年可实现年产500吨再生碳纤维的配套生产线，推动循环经济与新能源产业的深度融合。

该成果对全球淡水资源格局产生深远影响。据联合国教科文组织预测，到2050年全球将新增3亿人口面临淡水短缺威胁。本系统提供的解决方案具有显著优势：单位面积产水量是传统太阳能蒸馏系统的2.3倍，能耗降低40%，且无需化学处理剂，符合绿色水技术标准。在迪拜沙漠地区的中试数据显示，系统年均可产淡水380吨/平方米，完全满足大型海水淡化项目需求。

未来技术路线将聚焦三个方向：首先开发基于机器学习的材料设计平台，实现光热-电化学协同转化的精准调控；其次构建模块化智能控制系统，集成环境传感器和自适应调节装置；最后拓展应用领域，重点开发海岛离网供电系统、海洋牧场循环水处理系统等场景化解决方案。研究团队已与多个国际机构达成合作意向，计划在撒哈拉以南地区建立示范性社区供水系统。

这项突破性研究重新定义了太阳能蒸发技术的性能边界，其核心创新在于将工业固废资源化利用与前沿能源转换技术相结合。通过构建"光热捕获-热流调控-能量双产"的完整技术链条，不仅解决了传统系统效率低、成本高的痛点，更开创了"产水-供电-固废再生"的闭环生态系统。这种从环境问题中寻找技术突破的创新思维，为可持续发展提供了可复制的技术范式。