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可持续海水淡化技术太阳能驱动界面蒸发 高效生物基蒸发器通过小麦蛋白泡沫经淀粉去除、硼酸交联和表面碳化制备，形成垂直通道和分级孔隙结构，实现3.62±0.04 kg·m?2·h?1蒸发速率和95.6±1.1%能源效率，兼具抗细菌性和高盐耐受性。
王斌|徐超|刘浩|史汉晓|史海玲|葛瑞豪|刘奎|王一轩|权凤宇|田星
中国山东省青岛市青岛大学材料科学与工程学院海洋生物基材料研究所生物纤维与生态纺织品国家重点实验室，邮编266071
摘要
为解决全球淡水短缺问题，需要开发可持续的海水淡化技术。太阳能驱动的界面蒸发技术是一种有前景的替代方案，相比传统的高能耗方法更具优势。本研究报道了一种高性能的生物基太阳能蒸发器（CB-NWPF），该蒸发器由面筋蛋白泡沫制成。通过去除淀粉、硼酸盐交联和表面碳化处理，该蒸发器具有长距离垂直通道和层次化孔结构。这种独特的结构有效促进了快速的毛细水传输和高效的盐分回流。在单太阳光照条件下，CB-NWPF蒸发器的蒸发速率达到3.62 ± 0.04 kg·m?2·h?1，能量效率高达95.6 ± 1.1%。此外，该蒸发器还表现出优异的长期稳定性和抗菌性能。这项工作为利用生物质资源开发高性能太阳能蒸发器提供了新的策略。
引言
淡水仅占全球水循环的约2.5%，其中可直接供人类使用的淡水占比不到1%。相比之下，海水占水资源的96.5%[1]。随着人口增长和气候变化导致的干旱加剧，开发低成本、低碳的海水淡化技术变得至关重要[2]。目前主要的海水淡化方法（如反渗透[3]、多级闪蒸[5]和多效蒸馏[7]）通常能耗较高，设备磨损严重，并对基础设施和选址有严格要求。此外，这些方法大多依赖化石燃料，对环境造成负担[8]。近年来，太阳能驱动的界面蒸发（SIE）技术作为一种创新解决方案受到关注。通过利用太阳能而非化石燃料，SIE显著降低了能源消耗和碳排放[9][10]。其简单的设计使得淡水生产可以分散进行，减少了对大规模基础设施和特定地点的依赖，从而降低了初始投资和运营成本[11]。因此，SIE技术被认为是一种高效且可持续的淡水生产方法[12]。
SIE系统的优化主要集中在选择合适的蒸发器材料（基材和吸光层）以及改进结构设计，以最大化光热转换效率、增强水传输能力并确保长期耐盐性[13][14][15][16][17]。气凝胶和泡沫因其高表面积、低密度和极低的导热性而成为SIE的理想基材[18][19]。这些材料通常由亲水性聚合物（如聚乙烯醇[PVA]和聚丙烯酰胺[PAM]）合成，具有三维多孔结构，能够通过毛细作用高效传输水分。同时，亲水基团通过氢键作用形成“中间水”（IW），降低蒸发焓并提高效率[20][21][22]。生物质材料因其环保性、可再生性、低成本和固有的多孔性而成为有前景的基材选择。例如，Shen等人[23]使用纤维素气凝胶实现了2.31 kg·m?2·h?1的蒸发速率；Fang等人[24]也展示了丝绸蛋白蒸发器的优异蒸发性能。然而，生物质材料在实际应用中面临两大挑战：一是缺乏抗菌性能，容易导致微生物生长并堵塞水通道，从而引发二次污染；二是耐盐性较差，限制了在高盐度环境中的稳定运行。对于光热层，碳基材料、金属纳米颗粒和半导体是常见的选择，但高成本和稳定性问题限制了它们的应用[25][26]。作为一种替代方案，直接碳化的生物质可以提供低成本且有效的光热层[27][28][29]。此外，通过定向冷冻、模板化和纤维凝胶铸造等先进制造方法[30][31]可以形成垂直通道和层次化孔结构，促进水流方向性并引导盐分回流至水体中，防止通道堵塞，确保在高盐度条件下的稳定性能[32][33]。
本文提出了一种使用面条作为原料制备具有长距离垂直通道和层次化孔结构的SIE装置的策略。该方法利用了面条中面筋蛋白的亲水性（图1）。通过逐步浸提去除淀粉后，通过直接冷冻干燥得到面筋蛋白泡沫（NWPF）。所得NWPF不仅具有由交联面筋蛋白形成的孔网络，还具有由相邻面条粘合形成的大型连续垂直通道，这些结构共同促进了高效的水分传输和盐分回流。为抑制微生物生长和防止通道堵塞或二次污染，NWPF经过硼酸盐处理以赋予其抗菌性能，得到硼酸盐改性的NWPF（B-NWPF）。随后通过对B-NWPF进行表面碳化处理，制备出碳化面筋蛋白泡沫蒸发器（CB-NWPF）。在单太阳光照条件下，CB-NWPF的蒸发速率为3.62 ± 0.04 kg·m?2·h?1，同时具备优异的长期耐盐性、抗菌性能和运行稳定性。这项工作为开发高性能生物基太阳能蒸发器提供了创新方法。
CB-NWPF的制备
首先，将100克面条放入500毫升沸水中加热2分钟，然后浸泡在30 ± 2°C的新鲜水中30分钟，重复此过程五次以去除淀粉。之后用蒸馏水冲洗面条，得到面筋蛋白水凝胶（NWP）。为了进行改性，将NWP浸入2 wt%的硼砂溶液中，在40 ± 2°C下处理30分钟，冲洗后用塑料模具塑形，并在-18°C下冷冻。冷冻干燥后得到硼酸盐改性的NWP泡沫。
成分与结构表征
面条作为典型的小麦粉制品，由于面筋蛋白和淀粉中含有大量亲水基团，因此具有较高的亲水性[35]。然而，基于小麦粉的材料不适用于直接用于太阳能蒸发器，因为淀粉吸水膨胀会堵塞蛋白质网络的孔隙，阻碍水分传输。此外，反复的水合-脱水循环会破坏面筋中的氢键，导致结构破坏。
结论
综上所述，我们成功开发了一种高效太阳能蒸发器（CB-NWPF）。该蒸发器的设计利用了面筋蛋白的亲水性以及具有层次化孔结构和垂直通道的特点。在单太阳光照条件下，其蒸发速率为3.62 ± 0.04 kg·m?2·h?1，能量效率为95.6 ± 1.1%。关键研究表明，CB-NWPF具有优异的光热转换效率和高效的水分传输能力。
作者贡献声明
王斌：撰写初稿、验证、方法论设计、实验研究、数据分析。
徐超：数据分析。
刘浩：数据分析。
史汉晓：数据分析。
史海玲：数据分析。
葛瑞豪：数据分析。
刘奎：数据分析。
王一轩：数据分析。
权凤宇：项目指导、资源协调、方法论设计、概念构思。
田星：撰写修订稿、项目监督、资源协调、方法论设计、资金申请。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了青岛大学生物纤维与生态纺织品国家重点实验室开放项目的支持。
