WR||通过热液一体化的立方型生物质材料，实现简便且稳定的时空水盐分离与收集

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研究背景

随着全球水资源短缺和能源危机日益严峻，传统水净化技术因高能耗、高成本及二次污染等问题受到限制，而太阳能驱动的界面光热蒸发技术因其高效利用太阳能局部加热水界面而备受关注。尽管碳基、聚合物及等离激元纳米材料等光热材料性能优异，但其昂贵的成本和复杂的制备工艺制约了应用推广；相比之下，低成本碳化生物质材料展现出巨大潜力，其中热液碳化法能有效维持生物质结构并优化孔隙，从而提升水输送和蒸汽逸出性能。然而，该技术在海水淡化应用中面临盐分积累的挑战，盐结晶会堵塞水通道、降低光吸收并影响蒸发效率和长期稳定性。目前虽已通过疏水涂层、Janus结构设计或自清洁等手段尝试解决盐沉积问题，但这些方法往往工艺复杂、成本较高，且可持续性不足。因此，未来需要开发更简便、低成本的方法，在维持高效蒸发的同时实现盐分的有效管理，以推动该技术的实际应用。

本文针对现有水盐分离材料在低成本、可持续应用方面的不足，提出了一种基于简单热液碳化制备的一体化立方生物质蒸发器材料。该蒸发器通过结构优化设计，旨在同时实现水和盐的有效分离与收集，从而避免盐分沉积问题。其设计集成了两项关键功能：利用空间结构驱动高效太阳能水蒸发并调控局部盐结晶行为，以及构建可持续的水盐分离过程以方便产物采集。该材料在一次太阳照射下可实现高达约2.64 kg·m-2·h-1的蒸发速率，并借助自发的局部盐沉积实现盐回收能力。此外，它在酸性、碱性及有机染料溶液中均表现出稳定的高效性能，适用于复杂污水处理场景。这项工作为海水淡化及高盐废水处理提供了一种兼具高性能蒸发与盐收集能力的新型实用化设计。

相关研究以“Easy and resilient spatio-temporal water-salt separation and collection via hydrothermal all-in-one cubic biomass”为题发表在国际知名期刊《Water Research》上。（中科院一区TOP，JCR一区，IF=12.4）

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相关数据

图1:可再生能源示意：一体化生物质太阳能蒸发器在盐收集和通过热液碳化产生蒸汽中的应用。

图2:(a) 不同木材中半纤维素、纤维素和木质素的相对含量。(b) HCPWs的FT-IR光谱。(c) HCPWs的XRD图谱。(d) 松木和HCPW-230的横截面扫描电子显微镜图像。(e) 松木孔径分布。(f) 松木的扫描电子显微镜图像。(g) HCPW的紫外-可见-近红外吸收光谱范围为200至2500纳米。(h) HCPW-230 的红外图像与单日光下时间的比较。(i) 木材蒸发器的水接触角测量。

图3:(a) 在1日光下纯水中HCPW的质量变化。(b)1日光下，高程对HCPW-230水蒸发的影响。(c)HCPW-230在不同太阳条件下随时间的质量变化（不同太阳条件下蒸发性能周期已作为内页）。(d)HCPW-230的蒸发循环性能。(e)比较HCPW-230与某些木材蒸发器的蒸发速率。(f)海水淡化前后四大主要盐度浓度。(g)对MB和MO染料溶液及相应冷凝水进行紫外-可见光谱分析。(h)酸碱溶液和纯水中使用的pH测试纸照片。(i)折磨HCPW-230的十周期测试。

图4:(a) HCPW-230在不同盐碱度下的水分蒸发速率和蒸发效率。(b)盐类回流向过程的扩散情况。(c)HCPW-230的耐盐性示意图。(d)HCPW-230在连续光照照射下的蒸发性能测试结果。

图5:(a)HCPW-230结构设计的示意图。(b)多重散射和光吸收的示意示范。(c)1日光下盐分采集的照片。(d)1日光下盐浓度的分子模拟计算。(e) 不同结构设计下的HCPW-230水蒸发速率。(f)与其他盐收集蒸发器在1日光下蒸发速率及蒸发效率的比较。(g)用于户外实验的蒸发器系统的光学图像。(h)户外蒸发测试。(i)HCPW-230 能够利用环境阳光作为能量源，大规模漂浮并从盐水中提取盐分。

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实验结论

通过水热碳化工艺制备了一种一体化的可循环利用的立方型生物质蒸发器材料，用于利用太阳能实现水盐的时空分离。该蒸发器具有宽谱光吸收、理想的孔隙结构和亲水性，能够在单个太阳照射下实现稳定的蒸发速率约为 2.64 kg m-2 h-1，并且效率高达约 96.35%。更重要的是，通过生物质的结构设计，盐结晶仅在蒸发器的特定位置发生，而非其他部位。此外，该蒸发器即使在酸性、碱性和有机染料溶液中也能有效且稳定地运行。因此，这项研究为将“废弃物”生物质转化为高效的分离材料提供了一种直观的结构选择方法，并为它们在可持续海水淡化、废水处理和盐回收等领域的实际应用铺平了道路。它还为降低太阳能水管理系统的成本和开发环保的水净化设备提供了重要见解。

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DOI:10.1016/j.watres.2026.125375

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