江苏科技大学郭峰/施伟龙团队CEJ：自旋转木球基漂浮太阳能界面蒸发器实现连续高效海水淡化

研究背景

全球淡水资源短缺问题日益严峻，亟需高效、可持续的淡水生产技术。太阳能驱动的界面蒸发技术因能耗低、环境友好，在海水淡化和水处理领域展现出巨大潜力。提升光热转换效率和水蒸发速率是该技术发展的核心方向，材料选择和结构优化成为研究重点。

近年来，多种光热材料被应用于太阳能蒸发系统，其中导电聚合物如聚吡咯（PPy）因其优异的光热转换能力受到广泛关注。然而，盐沉积问题仍是影响太阳能蒸发长期稳定性的一大挑战。蒸发过程中，盐分不断累积在蒸发表面，阻碍光热转换和水输运，导致蒸发速率显著下降。因此，如何在不影响光热性能的情况下有效抑制盐结晶，是提升太阳能蒸发技术实际应用价值的关键。

近些年，自旋转蒸发器因其独特的动态盐管理机制受到广泛关注。这类系统能够通过自动旋转不断更换蒸发表面，使盐分重新溶解于水体中，从而减少表面盐结晶的积累，维持较高的蒸发效率。但现有的大多数自旋转蒸发器采用塑料泡沫或聚合物基材料作为基底，这些材料虽然轻质且易于加工，但长期使用可能释放微塑料颗粒，对水体和生态环境造成潜在污染。

木材作为一种可再生的天然材料，凭借其独特的多孔结构、高度可调的亲水性和优异的水输运能力，在太阳能蒸发器的设计中展现出巨大潜力。相比于传统塑料基底，木材不仅具有良好的环境兼容性，还能通过结构优化和表面改性，实现优异的光热转换性能，并在长期运行中保持稳定的蒸发效率。然而，常规块状木材蒸发器因尺寸较大，难以实现动态盐管理，而片状木材在柔性和光热转换方面虽有所提升，长期使用仍会受到盐结晶的影响。

相关成果以“Self-rotating wood-based floating solar-driven interfacial evaporator for continuous and high-efficiency desalination”为题发表在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》(JCR一区，中科院一区TOP，IF=13.3)上。

研究结论

本研究基于去木质素木球（DWS），通过化学氧化聚合方法在其表面沉积聚吡咯（PPy），构建了一种自旋转浮动式太阳能蒸发系统。图 1 展示了PPy/DWS蒸发器的制备过程及其光热转换示意图。木球的多孔结构和垂直输水通道确保了高效的水输运，而PPy涂层的引入大幅提升了光热转换效率。在3.5 wt% NaCl溶液中，该蒸发器实现了2.43 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率，并在20 wt%高盐溶液中仍保持1.52 kg m⁻² h⁻¹的高效蒸发。自旋转机制的引入有效缓解了盐沉积问题，确保长时间稳定运行。与传统塑料基蒸发器相比，该系统不仅具备优异的蒸发性能，同时避免了微塑料污染，展现出良好的环境兼容性。借助木材的可再生性、PPy的高效光热转换能力以及自旋转策略的结合，该光热蒸发系统在海水淡化和污水处理领域具有广阔的应用前景，为可持续淡水获取提供了新的技术路径。

研究数据

图1.PPy/DWS蒸发器的制备过程示意图。

图2.(a) WS、(b) DWS 和 (c) PPy/DWS 的光学图像。(a1) WS、(b1) DWS 和 (c1) PPy/DWS 在切向截面的 SEM 图像。(a2) WS、(b2) DWS 和 (c2) PPy/DWS 在横截面的 SEM 图像。(a3) WS、(b3) DWS 和 (c3) PPy/DWS 的 EDS 能谱。(d) WS、DWS 和 PPy/DWS 的 FT-IR 光谱。(e) WS、DWS 和 PPy/DWS 的 Raman 光谱。(f) WS、DWS 和 PPy/DWS 的 XRD 图谱。

图3.(a) WS、DWS 和 PPy/DWS 粉末的 XPS 全谱，以及相应的高分辨 XPS 光谱：(b, e, h) C 1s，(c, f, i) O 1s，(d, g, j) N 1s。

图4.(a) WS、DWS 和 PPy/DWS 的接触角；(b) WS、DWS 和 PPy/DWS 的紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）吸收光谱；(c) WS、DWS 和 PPy/DWS 在纯水环境下接受单太阳光照射时的温度变化曲线；(d) PPy/DWS 在 1.0 倍太阳光照射下不同时间的红外（IR）图像。

图5.(a) PPy/DWS 蒸发器在不同时间的照片：(a1) 蒸发过程中的 0 min、44 min 和 50 min；(b) PPy/DWS 在 20 wt% 盐溶液中接受单太阳光照射时的温度变化曲线；(c) 自旋转蒸发器的示意图：(c1) 初始状态，(c2) 盐积累，(c3) 旋转过程。

图6.(a) 预制样品在 3.5 wt% NaCl 溶液和 (b) 20 wt% NaCl 溶液中，在 1 倍太阳光照射下的质量变化曲线；(c) 自旋转 PPy/DWS 蒸发器在 3.5 wt% 和 20 wt% NaCl 溶液中 8 h 内的蒸发速率变化情况；(d) PPy/DWS 在 1 倍太阳光照射下不同盐浓度条件下的蒸发速率；(e) PPy/DWS 在 3.5 wt% NaCl 溶液中不同光照强度下的蒸发速率；(f) 1 倍太阳光照射下，不同文献报道的自旋转或木基蒸发器在 3.5 wt% 盐溶液中的蒸发速率比较；(g) PPy/DWS 蒸发器在 3.5 wt% NaCl 模拟海水中对染料废水进行太阳能蒸发后，冷凝液中 RhB 和 MB 吸光度的变化；(h) 在 3.5 wt% NaCl 模拟海水中，蒸发酸性（0.5 mol/L CH₃COOH）和碱性（0.025 mol/L NaOH）溶液后冷凝液 pH 值的变化；(i) 海水脱盐前后四种主要离子的浓度变化；(j) 海水脱盐前后的电阻率变化；(k) 自来水、模拟海水和纯化水对绿豆萌发的影响（光学图像）；(l) 2024 年 9 月 5 日在中国镇江（31°E，121°N）进行的 PPy/DWS 与传统蒸馏器的户外蒸馏测试；(m) 户外测试中，实时记录的太阳光强度和 PPy/DWS 蒸发器温度变化。

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.161363

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