由废弃咖啡渣制成的海绵：一种多功能太阳能蒸发器，可用于协同实现海水淡化和净化

太阳能海水淡化利用碳化咖啡渣@酸钠聚胺@聚氨酯泡沫蒸发器，实现2.26 kg·m?2·h?1高效蒸发，兼具抗污抗菌和循环经济特性。

　　

万伍波|胡家琦|李宇|魏伟杰|曾柔|张璐曦|史雅琴|王英飞|王丽娟

中国海南省三亚市海南热带海洋大学食品科学与工程学院亚洲湾创新研究所，邮编572022

摘要

太阳能海水淡化被广泛认为是缓解全球淡水短缺问题的有前景的解决方案。然而，开发高效、稳定、耐盐、抗菌和抗腐蚀的蒸发器仍然是一个重大挑战。为了解决这个问题，本研究采用了碳化咖啡渣（CWCGs）作为光热材料，海藻酸钠（SA）作为亲水粘合剂，聚氨酯（PU）泡沫作为柔性基底，以及木质素-银纳米复合抗菌剂（L-Ag NCAA）作为抗菌成分。通过浸渍-交联方法合成了碳化咖啡渣@海藻酸钠@聚氨酯海绵（CWCGs@SA@PU）。所得到的CWCGs@SA@PU蒸发器表现出快速的水传输能力和高效的光热转换效率，在99.36%的效率下实现了2.26 kg·m^?2·h^?1的蒸发速率。该材料还展示了优异的机械稳定性、循环耐久性、有效的净化性能以及对大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的抗菌活性。这项工作成功开发了一种多功能蒸发器，集成了高效光热转换、水蒸发、防污和抗菌性能，使其成为海水淡化和废水处理的有希望的候选材料。

引言

近年来，水资源短缺已成为一个日益严重的问题，迫切需要将丰富的海水转化为淡水以满足日常家庭和工业需求[1]、[2]。太阳能驱动的界面蒸发技术为海水淡化提供了一种有效的解决方案。在这种技术中，光热材料被放置在气液界面，它们能高效地将太阳能转化为热能，在界面处产生高温。隔热设计将热量限制在薄薄的水层中，最大限度地减少了能量损失到水体中。水通过毛细作用持续供应到蒸发表面，确保了系统的稳定和长期运行[3]、[4]。与其他海水淡化技术（如反渗透（RO）、多级闪蒸（MSF）和多效蒸馏（MED）[5]、[6]、[7]相比，太阳能界面淡化技术具有使用完全清洁和可持续能源、显著降低运营成本、高能量利用率、系统简单以及适应恶劣环境等优点，使其成为海水淡化领域极具前景的技术[8]。 在太阳能热海水淡化技术中，作为核心组件的界面蒸发器已经从二维（2D）结构（如过滤膜、棉织物和滤纸）发展到三维（3D）结构，包括气凝胶、泡沫和海绵[9]、[10]。例如，何等人[11]在棉质基底上制备了一种智能多响应棉织物。该织物由一维铜纳米线（CuNWs）与二维MXene纳米片交织而成，表现出高效的光热转换能力。与2D材料相比，3D蒸发器通过其多孔框架内的多次内部反射延长了光路径，从而增强了光吸收并提高了光热转换效率。此外，通过将光热层置于水面之上并通过细柱或纤维与水体连接，热源与水体物理分离，从而在蒸发界面和水体之间形成了一个静态空气层，显著减少了导热损失[12]、[13]。在这些3D材料中，聚氨酯泡沫（PU）因其固有的多孔结构、低热导率和良好的机械性能而受到关注，因此被广泛用于海水淡化蒸发器的制造[14]、[15]、[16]。尽管PU海绵具有多孔结构，但它缺乏光热性能。为了解决这个问题，研究人员将其与光热材料结合，并调整其结构以用于海水淡化蒸发器[17]。例如，马等人[18]组装了一种分层的MXene编织碳纳米管网络作为太阳能吸收层（SMC），并开发了一种仿生亲水海藻酸钠气凝胶。这种气凝胶实现了2.416 kg·m^?2·h^?1的高蒸发速率和90.56%的效率，同时还具有抗菌性能。蒋等人[19]开发了一种集成Cu–CuO_x/纳米碳（CNC）作为光热材料的复合材料。在此基础上，他们将PVA–SA–CNC/PU蒸发器与改性聚 vinyl alcohol（PVA）和海藻酸钠（SA）的聚氨酯泡沫结合，实现了1.99 kg·m^?2·h^?1的蒸发速率。同样，赵等人[20]开发了一种用于抗盐海水淡化的PANI–SPPSU@PU蒸发器，其结构包括聚苯胺（PANI）的光热涂层和由负电荷磺化聚苯硫醚（SPPSU）组成的中间层，使其在10 wt% NaCl溶液中能够达到超过1.92 kg·m^?2·h^?1的蒸发速率。 尽管聚氨酯（PU）海绵的表面改性优化了其孔隙润湿性和水传输动力学，从而显著提高了太阳能蒸发速率和淡化效率，但在复杂水源中的应用仍然具有挑战性。这些水源包括高盐度盐水、含有重金属或染料的工业废水以及含有病原微生物的生活污水[20]、[21]、[22]。以往的研究主要集中在提高蒸发和淡化性能上，但往往忽略了同时去除多种共存污染物的有效机制的开发——包括重金属离子、有机染料和新兴微污染物。此外，在富含微生物的实际水环境中，材料表面缺乏持久的抗菌功能，使其容易形成生物膜，导致孔隙堵塞、光反射增加和热转换效率降低，从而严重影响了长期运行稳定性[23]。因此，开发一种能够结合高效太阳能热蒸发、协同污染物净化和长期抗生物污染性能的界面蒸发器变得至关重要。 基于这些考虑，本研究开发了一种碳化咖啡渣@海藻酸钠@聚氨酯泡沫（CWCGs@SA@PU）复合材料，该材料同时表现出高效的光热转换效率、快速的水蒸发能力、防污能力和抗菌性能。利用碳化咖啡渣（CWCGs）作为双功能的光热和吸附核心，通过海藻酸钠（SA）凝胶网络将其固定在聚氨酯（PU）泡沫基质中。进一步使用木质素-银纳米复合抗菌剂（L-Ag NCAA）构建了抗菌屏障。这种改良的海绵解决了原始咖啡渣的局限性，即机械强度低、容易脱落以及难以直接制成稳定的蒸发器或吸附剂的问题。因此，选择聚氨酯泡沫作为易于获取、低成本、高孔隙率和弹性的框架，以促进水传输和蒸汽释放[24]。海藻酸钠是一种生物相容性聚合物，以其优异的凝胶化和亲水性能而闻名，用于将CWCGs牢固地固定在PU支架上[25]。所得到的复合海绵克服了原始PU泡沫的固有缺陷，尽管其具有多孔结构，但缺乏光热功能。CWCGs的加入赋予了泡沫强大的光热能力，使其适用于太阳能驱动的水蒸发[26]。此外，L-Ag NCAA的添加赋予了材料强大的抗菌性能。L-Ag NCAA和释放的Ag⁺离子表现出高效和广谱的杀菌和抑制效果，对大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）具有优异的抗菌性能[27]。与现有的生物质蒸发器不同，本研究首次将来自咖啡渣的碳材料与SA/PU海绵结合，并引入了木质素-银抗菌成分。这种组合实现了光热转换、污染物吸附和抗菌功能的协同整合。所得材料不仅保持了高蒸发速率（2.26 kg·m^?2·h^?1），还表现出抗盐性、防污能力和持久的抗菌性能。因此，它为太阳能驱动的复杂水源净化提供了一种新的解决方案。这项研究为丰富咖啡渣的高价值利用提供了创新策略，实现了“以废治废”的目标，并有助于促进循环经济的发展。同时，也为下一代基于生物质的水处理多功能材料的设计提供了新的见解和实验证据。

材料

使用的材料包括：咖啡渣（从咖啡店提取后干燥获得）、海藻酸钠（AR，中国国家制药集团化学品有限公司）、PU泡沫（恒昌荣泡沫制造商）、硝酸银（AR，西龙科技）、碱性木质素（AR，阿拉丁）、无水氯化钙（AR，西龙科技）、非织造布（青峰）、实验用水（去离子水）、蒸发溶液（NaCl溶液，35 g/L）、指南针刀（JD创源利家五金）

CWCGs@SA@PU的制备和表征

1(a)展示了木质素-银纳米复合抗菌剂（L-Ag NCAA）的合成过程。在此过程中，木质素作为绿色还原剂将Ag⁺离子转化为银纳米颗粒，同时作为稳定剂防止聚集并控制银离子的释放。加入氯化钠（NaCl）有助于在反应过程中通过沉淀去除过量的未反应AgNO₃。如图1(b)所示，CWCGs@SA@PU复合材料

结论

总结来说，通过冷冻干燥方法制备了CWCGs@SA@PU蒸发器。该蒸发器使用PU泡沫作为结构骨架，CWCGs作为光热材料，L-Ag NCAA提供抗菌功能。所得复合材料表现出光热性能、高蒸发速率、耐盐和酸碱条件以及抗菌性能。其相互连接的多孔结构促进了高效的水传输。

CRediT作者贡献声明

万伍波：概念构思、数据管理、初稿撰写、实验研究。 胡家琦：概念构思、实验研究、数据管理。 李宇：实验研究、数据管理。 魏伟杰：数据管理。 曾柔：概念构思。 张璐曦：概念构思。 史雅琴：概念构思。 王英飞：资源获取、监督。 王丽娟：资源管理、方法论、撰写与编辑、资金获取、项目管理。

作者声明

作者确认对以下内容承担全部责任：数据收集、结果分析和解释以及手稿准备。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢亚洲湾创新研究所的重大科技项目（2022CXYZD003）、海南热带海洋大学的研究生研究创新项目（RHDYC-202419）的支持，以及海南热带海洋大学科学研究基金（编号RHDRC202315）和大学生创新创业培训计划（S202411100013）的资助。