毛细调节盐分管理的木质纤维素框架用于高盐度盐水的稳定太阳能淡化

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Capillary-Regulated Salt Management in a Lignocellulosic Framework for Stable Solar Desalination of High-Salinity Brine

　　

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  木质纤维素毛细管促进盐的再溶解与重新分布。
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  开放的三维界面促进供水与蒸汽释放。
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  在单倍太阳辐射下，蒸发量可达3.05 kg m^-2 h^-1。
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  在10 wt.% NaCl卤水中，仍保持纯水电蒸发速率的93.1%。
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  在10 wt.% NaCl卤水中实现了连续七天的稳定运行。

引言

淡水匮乏和水污染仍是可持续发展面临的重大挑战，尤其是在沿海、岛屿和干旱地区，传统水处理技术往往受限于高能耗和基础设施需求[1], [2], [3]。太阳能驱动的界面蒸发作为一种有前景的脱盐和海水净化策略应运而生，因为它能将可再生太阳能直接转化为气-水界面的局部热量，从而减少热量向主体水体的耗散[4], [5], [6], [7], [8], [9], [10]。然而，在盐水中实现稳定运行仍然困难。在持续蒸发过程中，盐离子在蒸发界面附近逐渐富集，盐的结晶会堵塞水分传输通道，削弱光吸收能力，增加蒸汽扩散阻力，最终导致性能下降[11], [12], [13], [14], [15], [16]。因此，太阳能蒸发器的设计不应仅关注光热转换，还应解决盐水条件下供水、蒸汽释放和盐迁移的耦合调控问题。目前已开发了多种盐管理策略以缓解盐的积累，包括通过设计的离子传输通道实现盐扩散、利用Janus结构实现盐的定向迁移，以及通过局部结晶策略调控盐的沉积。然而，这些方法主要针对盐的迁移或沉淀控制，而在一个集成框架内同时实现供水、蒸汽传输和盐的动态再分布仍具有挑战性。

植物来源的木质纤维素支架为应对这一耦合传输问题提供了天然的结构平台。与致密的平面蒸发器不同，木质纤维素框架具有分级孔隙、相互连通的毛细通道和各向异性的纤维骨架。这些结构特征在多个方面有利于太阳能蒸发。首先，多孔骨架可诱发多次光散射和内部反射，从而增强蒸发结构内部的光捕获。其次，相互连通的湿润通道可通过毛细管泵送效应持续从主体溶液中吸水，维持加热界面的供水。同时，蒸发界面的局部盐富集可在上层蒸发区域与内部液相之间建立浓度梯度，该梯度可促进盐离子通过相互连通的湿润通道传输，在严重的表面结晶发生前促进盐的再溶解和重新分布。第三，开放的三维表面提供额外的蒸汽释放通道，相比仅局限于表面的蒸发器，扩大了有效蒸发界面[17], [18], [19], [20], [21]。因此，植物来源的木质纤维素毛细管结构不仅可作为支撑基底，还可作为光管理、毛细管水传输、蒸汽释放和盐调控的功能性框架。与主要将多孔结构作为被动供水基底的传统生物质蒸发器不同，这种毛细管结构可作为主动传输网络，调控太阳能蒸发过程中的水-汽-盐相互作用。

高效的光热转换对于驱动高速率界面蒸发仍然是必要的[22], [23], [24], [25]。在本工作中，将优化的MoSe₂/还原氧化石墨烯（MoSe₂/rGO）杂化光热涂层原位生长在丝瓜络来源的木质纤维素支架上，构建了L-MrG蒸发器。该杂化涂层提供宽光谱太阳吸收和局部界面加热，而木质纤维素毛细管支架则保留相互连通的湿润通道以实现供水、蒸汽释放和盐调控。在这一设计中，MoSe₂/rGO主要作为光吸收和产热组分，而多相传输的调控主要源自丝瓜络来源的毛细管结构。通过将局部光热加热、毛细管供水、三维蒸汽释放和盐管理集于一体化的生物质衍生框架内，L-MrG旨在在高浓度盐水条件下维持太阳能脱盐过程。

在此，我们报道了一种具有毛细管调控盐管理功能的植物来源木质纤维素毛细管蒸发器，用于稳定的太阳能脱盐和海水净化。通过形态学与成分表征、光学吸收、界面热定位、润湿性、选择性侧壁密封实验、高盐度循环、随时间变化的盐调控观测以及户外蒸发测试，系统研究了L-MrG的结构-功能关系。对所收集的冷凝水进一步评估了主要离子截留率、染料去除效果和初步的水回用潜力。通过将MoSe₂/rGO涂层的光热作用与木质纤维素支架的水-汽-盐调控作用区分开来，本工作建立了一个毛细管调控的传输框架，而非简单地将生物质基底与光热材料组合在一起，从而实现了高盐水稳定太阳能脱盐。

章节摘要

材料

天然丝瓜络购自线上零售平台（拼多多，中国），作为生物质支架使用。氧化石墨烯（GO）购自苏州碳丰石墨烯技术有限公司。五氯化钼（MoCl₅）、亚硒酸钠（Na₂SeO₃）、甲基橙（MO）、亚甲基蓝（MB）、氢氧化钠（NaOH）、盐酸（HCl）、乙二醇（EG）、氯化钠（NaCl）和罗丹明B（RhB）均购自上海麦克林生化科技有限公司。乙醇购自

毛细管调控盐重新分布的设计概念

图1展示了L-MrG木质纤维素毛细管蒸发器在高盐度条件下实现稳定太阳能脱盐的设计原理。在常规的表面限制太阳能蒸发过程中，水在加热界面持续转化为蒸汽，而挥发性盐离子则被保留并逐渐在蒸发表面附近浓缩。一旦严重的盐结晶发生，积累的盐会堵塞供水通道，削弱光

结论

总之，我们开发了一种集成原位生长MoSe₂/rGO光热涂层的木质纤维素毛细管蒸发器，用于在高盐度条件下实现稳定太阳能脱盐。除提供高效的宽光谱光热转换外，相互连通的木质纤维素框架建立了连续的湿润毛细管通道，在蒸发过程中耦合了供水、多方向蒸汽释放和盐的重新分布。这些结果表明，长期

未引用参考文献

[28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36]

CRediT作者贡献声明

周雅男：撰写 – 原稿，形式分析，数据管理，概念构思。谈瑞明：资源获取。钟鹏杰：指导。商慢雨：指导。赵慧：指导。白工勋：撰写 – 审阅与编辑，指导，资源获取，概念构思。陈良：指导。

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本文所报告工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2023YFE0207700）、浙江省重点研发计划（2024C01126和2024C01078）以及国家自然科学基金（62575265和62075205）的资助。

周雅男|钟鹏杰|谈瑞明|赵慧|商慢雨|陈良|白工勋