综述：从机理到应用：基于水凝胶的太阳能、大气及雾水收集技术

《Desalination》：From mechanism to deployment: Hydrogel-based solar, atmospheric, and fog water capturing technologies

　　

淡水资源短缺由气候变率、人口增长及基础设施不均衡所驱动，正加速对分散式水收集技术（WCT）的需求。基于水凝胶的材料已成为三种互补路径的多功能平台：用于海水淡化的太阳能蒸汽生成（SSG）、基于吸附的大气水收集（AWH）以及表面工程化的雾水收集（FC）。尽管已有大量水凝胶配方被报道，但由于测试条件不一致和长期验证有限，性能指标差异显著，使得有意义的比较和实际评估复杂化。本综述采用统一的、以机理为导向的框架来分析水凝胶赋能的水收集。研究人员考察了水态调控、层级传输结构及表面相互作用如何共同支配SSG、AWH和FC系统中的热质传递。研究人员不仅关注实验室性能，还提取了常见功能策略，识别了吸附强度与再生之间的设计权衡、热局域化与盐稳定性之间的权衡、以及粘附与排水控制之间的权衡，并澄清了关于蒸发热力学的持续讨论。此外，研究人员讨论了制造可扩展性、成本报告局限性以及实际部署所需的系统级集成。最后，研究人员综合了耐久性机理，包括盐结晶、微生物生长、紫外暴露、机械疲劳和添加剂迁移，并提出了标准化的实验室和现场报告参数以提高可重复性。通过将聚合物设计原理与应用特定约束联系起来，本综述为推进基于水凝胶的WCT提供了比较性和面向应用的路线图。

本综述以统一的机理视角审视了面向SSG、AWH和FC的水凝胶基水收集技术。分析强调，传输调控、热局域化和水态分布共同支配跨应用的系统性能，而非仅关注峰值性能值。这种跨应用视角解释了为何记录指标难以比较，以及设计权衡为何在看似不同的系统中反复出现。尽管目标水源不同，这些技术共享共同的物理化学原理，可实现可迁移的设计策略。同时，实际部署的主要障碍日益偏向工程层面：测试非标准化、系统损失（如冷凝回收）核算不完整，以及在实际紫外暴露、盐度、生物污损和循环条件下的长期耐久性证据有限。

在太阳能蒸汽生成（SSG）方面，盐结晶和污损仍是核心问题。水凝胶蒸发器通过互连微通道、亲水基质或动态盐扩散路径展示出对盐积累的改善抵抗力，但多数耐久性评估限于短期循环而非长期现场暴露。热局域化与毛细传输的耦合是性能关键，蒸发速率超过3 kg m^?2 h^?1（1个太阳下）的案例均需结合宽带吸收与低热导率及界面隔热。生物质衍生和混合水凝胶（如碳化生物质、聚合物改性生物支架）利用天然微通道和低热导率实现高效蒸发，但成本报告常缺失平衡系统组件和再生能耗。

在大气水收集（AWH）方面，吸附-脱附滞后、再生能耗和添加剂迁移主导性能。高容量吸附剂（如含MgCl₂、CaCl₂、LiCl₂的吸湿聚合物网络）在低RH下实现显著吸水，但增加吸附强度可能提高再生温度或导致添加剂流失。热响应聚合物（如聚N-异丙基丙烯酰胺）通过LCST切换实现可逆吸放水，光吸收组分（石墨烯、碳纳米管）辅助太阳能再生。混合架构（含COF、MOF或两亲盐-聚合物复合材料）平衡容量与稳定性，但需关注盐浸出和结构疲劳。典型户外验证显示生物质水凝胶吸附剂产水率可达14.19 kg kg^?1 d^?1（热再生），但依赖再生策略和湿度窗口。

在雾水收集（FC）方面，场地依赖、磨损/灰尘和润湿性对比丧失控制实际性能。FC性能主要受表面液滴沉积、聚并和排水控制，而非体相水传输。气动沉积和边界层控制（如遮荫系数、压降系数）影响拦截效率；水凝胶涂层（如海藻酸钙）通过维持水膜增加有效线径，收集效率提升达136%。仿生设计（仙人掌刺、荷叶、玫瑰花瓣）利用拉普拉斯压力梯度和润湿性梯度引导液滴定向运动，实现高达960 mg cm^?2 h^?1的表面效率。但需平衡粘附与排水，静态亲水性不足以最大化雾产量。

耐久性方面，主要退化途径包括紫外/氧化、微生物生长、盐污染、机械疲劳和添加剂浸出。SSG常报告2周至30天稳定性测试，AWH常见20-30个吸附-脱附循环，FC的循环寿命报告最薄弱。建议报告保留曲线并将寿命终止定义为产量或容量相对初始性能损失20%以上。系统集成需考虑地理适配：沿海多日照地区适合SSG，内陆湿润地区适合AWH，雾频发地区适合FC。可扩展制造路径包括连续涂覆/层压（如PVA/PPy膜）和模块化组装（如25板的hydrocell系统）。成本报告需包括系统级组件和寿命数据，目前仍不完整。标准化测试参数（如表3所示）建议采用日平均产水量而非峰值实验室速率，并报告光照、温度、RH、风速、水质等现场条件。未来研究应优先标准化报告实践、长期户外测试和可扩展制造，将水态工程与结构设计和热管理相结合，推动从概念验证向实际脱盐和供水解决方案转化。