【研究背景】

用于海水淡化和废水净化的太阳能界面蒸发是缓解水资源短缺危机的有效策略。目前，改进蒸发器的方法通常围绕光热材料的迭代（提高发热量）或宏观结构的重塑（改变水的传输速率）方面，这些研究存在研发成本高、实验周期长、装置成品率低等问题，阻碍了太阳能蒸发器的广泛应用。

为了克服这些问题，需在高效供水和热能分配之间取得平衡，进而优化能源-水源管理结构。这不仅能大幅加快蒸发速度，还能提高光热材料的内在价值，为现有的一些光热蒸发装置提供新的优化思路，焕发出新的活力。

南昌大学光调控/光热转换团队报道了一种天然纤维素基杂化水凝胶用于光热水蒸发，兼具高蒸发效率和全方位的净水功能，并通过高度调节实现了水-热传递的平衡与能量利用的最大化。该文以“Equilibrium and optimization of water-heat transfer in natural cellulose-based hybrid hydrogel for efficient solar desalination”为题在《Chemical Engineering Journal》（JCR: Q1，TOP，IF2022=15.1）上发表。文章第一作者为南昌大学硕士生李桂琴和徐江，通讯作者为南昌大学陈伟凡教授和刘越副教授。

【文章解读】

1. 天然纤维素与无机碳材料相辅相成，两者杂化可以补充大量亲水官能团，从而充分激活水分子，显著降低蒸发能耗（1287.8 J×g-1）。

图1. 杂化水凝胶的组织及蒸发能耗分析

2. COMSOL仿真表明，调节蒸发器中主材料的高度可以控制水-热分布情况，以及蒸发过程中材料与环境之间的热交换，从而找到最合适的水热传递平衡点，优化蒸发效率。与通过改变材料的亲-疏水性来控制供水，或设计复杂的宏观外部形状来改变水的传输路径等其他途径相比，这种调节高度的方法更加简单、快捷和有效。

图2. 杂化水凝胶内部水-热传输及其与环境的热交换模拟

3. 蒸发器展现出了稳定的净水和抗盐性能。

图3. 蒸发器的多功能性和耐用性测试

【文章总结】

该文提出了一种基于 天然纤维素杂化水凝胶的太阳能驱动界面水蒸发装置，首先 通过功能基团的调控，显著降低了蒸发能耗 ，获得了2.73 kg m-2 h-1的快速蒸发。再通过调节高度并结合COMSOL模拟清晰地呈现了水凝胶内部热与水的分布，为水-热传输的平衡和优化提供了可靠的理论依据。此外，该蒸发器还能高效净化有机废水和微生物，并具有出色的抗盐积累能力。

这种成本效益高且易于制造的蒸发器具有高能效和高稳定性，在解决与海水淡化和污水处理相关的淡水稀缺问题方面发挥了重要作用，而水-热管理的优化则为界面蒸发器的未来设计提供了新的契机。

【文献来源】

Guiqin Li, Jiang Xu, Chujia Xu, Xintao Xie, Weifan Chen*, Yue Liu*. Equilibrium and optimization of water-heat transfer in natural cellulose-based hybrid hydrogel for efficient solar desalination. Chem. Eng. J. 2024, 486: 150398.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150398