生物质闭环水循环：基于木材支撑海娜光热层的废弃物-水太阳能蒸发器实现双源净化

针对全球淡水短缺和传统海水淡化技术高能耗问题，研究人员开发了一种基于海娜叶衍生多孔碳(HLPAC)和天然木材的太阳能蒸发器(HLPACW-1)。该材料具有1101.7 m2 g-1的超高比表面积和97%的宽谱光吸收率，在1太阳光强下实现2.38 kg m-2 h-1的蒸发速率（效率88%），并能同步去除99.9%盐离子和99.5%重金属，为可持续水处理提供创新方案。

　　

全球淡水资源危机日益严峻，尽管地球表面70%被水覆盖，但可供人类使用的淡水仅占10%。传统海水淡化技术如反渗透虽广泛应用，却面临高能耗、高成本的瓶颈。在此背景下，太阳能驱动界面蒸发技术因其利用免费太阳能实现高效水净化的特点，成为研究热点。然而现有光热材料普遍存在制备复杂、成本高昂、盐沉积等问题，制约其实际应用。

为突破这些限制，北京化工大学Jawad Ali等学者在《Journal of Rural Studies》发表创新研究，通过将农业废弃物海娜叶转化为高性能光热材料，开发出兼具高效能与可持续性的新型蒸发器。研究团队采用钾辅助微波热解技术，将海娜叶转化为具有分级多孔结构的碳材料(HLPAC)，其比表面积达1101.7 m² g^-1，并与天然木材复合形成HLPACW-1蒸发器。这种设计巧妙结合了木材的天然微通道和碳材料的光热优势，实现了"变废为宝"的循环经济理念。

关键技术方法包括：1) 钾碳酸盐辅助微波热解制备分级多孔碳；2) 壳聚糖溶液浸渍法构建木材-碳复合材料；3) 太阳模拟器测试系统量化蒸发性能；4) 多种表征手段（BET比表面积分析、电子显微镜、X射线光电子能谱等）解析材料特性；5) ICP-OES检测离子去除率。

【研究结果】

3.1 微观结构与形貌特征

通过SEM和TEM观察到HLPAC-1具有30-200 nm的分级孔隙，HRTEM显示0.35 nm的石墨层间距。氮吸附测试证实其兼具微孔（0.48 nm）、介孔和大孔结构，比表面积是传统叶基碳材料的1.6倍。

3.2 元素组成与相结构

XRD显示HLPAC-1在2θ=27°处出现尖锐衍射峰，表明高度有序结构。拉曼光谱ID/IG比达3.26，证实丰富的结构缺陷。XPS分析显示表面含氧官能团减少，出现氟化物特征峰。

3.3 亲水性与光热性能

接触角测试显示HLPACW-1在0.15秒内完全润湿，而木材仍保持79°接触角。UV-Vis-NIR显示99%的宽谱吸收，表面温度在1太阳光下迅速升至68.1°C，热导率仅0.196 W m^-1 K^-1。

3.4 界面太阳能蒸汽生成

蒸发速率达2.38 kg m^-2 h^-1，是纯水的47.6倍。蒸发焓降至1427 J g^-1，归因于纳米限域效应削弱水分子氢键网络。

3.5 孔隙率对蒸发性能影响

线性回归分析表明蒸发速率与介/大孔面积相关性最强（R²=0.9545），证实这些孔隙作为"水分子高速公路"的关键作用。

3.6 实际水处理应用

对3.5%盐水和20%浓盐水均保持稳定蒸发性能，Na⁺、Pb²⁺等离子去除率>99.9%。纯化水电阻达2.72 MΩ，经15次循环后性能无衰减。

【结论与意义】

该研究开创性地将农业废弃物转化为高效光热材料，通过多尺度孔隙工程和天然木材的协同作用，实现三大突破：1) 创纪录的2.38 kg m^-2 h^-1蒸发速率；2) 99.9%的离子截留能力；3) 1427 J g^-1的低蒸发焓。这种"废弃物-水"转化策略不仅为缺水地区提供可持续解决方案，更开辟了生物质资源高值化利用新途径。未来通过优化涂层工艺和开展户外试验，有望推动该技术走向实际应用，助力全球碳中和目标实现。