蒸发材料丨吉林化工学院CEJ论文丨一种通过水合调控的水-离子相互作用实现的耐盐多孔太阳能脱盐蒸发器

2026年，《Chemical Engineering Journal》期刊在线发表了题为“A salt-resistant porous evaporator for solar desalination enabled by hydration-regulated water–ion interactions”的研究性论文。经优化的CCA-70-2材料在1小时日光照射下可实现2.47 kg·m⁻²·h⁻¹的蒸发速率及91.1%的能量效率；在含3.5 wt%NaCl的废水中连续运行时，蒸发速率仍保持在2.07 kg·m⁻²·h⁻¹。该系统在海水、含染料废水及重金属污染水中均展现出优异的脱盐性能，能产生有效去除污染物的清洁冷凝液，并在户外条件下达到1.27 kg·m⁻²·h⁻¹的蒸发速率。《Chemical Engineering Journal》期刊2025年影响因子为12.5，《Chemical Engineering Journal》是一本国际同行评审研究期刊，致力于刊发化学工程各领域高质量、具有原创性与创新性的研究成果。

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开发高效、稳定且可扩展的太阳能驱动海水淡化系统仍是可持续水处理领域的一项关键挑战，尤其是在高盐度和复杂废水条件下。本研究采用简便的发泡-交联策略制备了一种基于壳聚糖的三维多孔泡沫蒸发器，该装置将亲水性聚合物网络与宽带光热组件相结合，实现连续脱盐。其互连多孔结构确保了快速的毛细管驱动供水和有效的热量集中分布，从而实现持续的蒸汽生成。值得注意的是，该系统建立了水合调控的水-离子相互作用机制：稳定的界面水结构可抑制离子脱水并促进盐的持续反向扩散，从而防止盐结晶并在长期运行中维持无盐蒸发界面。经优化的CCA-70-2材料在1小时日光照射下可实现2.47 kg·m⁻²·h⁻¹的蒸发速率及91.1%的能量效率；在含3.5 wt%NaCl的废水中连续运行时，蒸发速率仍保持在2.07 kg·m⁻²·h⁻¹。该系统在海水、含染料废水及重金属污染水中均展现出优异的脱盐性能，能产生有效去除污染物的清洁冷凝液，并在户外条件下达到1.27 kg·m⁻²·h⁻¹的蒸发速率。本研究提出了一种稳健且可扩展的蒸发器设计，适用于复杂条件下的稳定脱盐过程，并为实现实用化的太阳能驱动水处理系统提供了低成本解决方案。

全球人口增长、工业活动扩张持续推高淡水需求，同时工业含盐废水、污染废水大量排放，进一步加剧水资源短缺与环境压力，海水淡化、废水处理成为保障干旱/沿海地区供水的核心手段。反渗透、热蒸馏等主流工艺能耗高、基建复杂、运维成本昂贵；且依赖集中式设施与稳定电网供电，难以在偏远、无市电的分散场景推广，亟需低成本、可再生能源驱动的水处理方案。太阳能界面蒸发可将太阳能直接定域在气液界面产热，大幅降低向水体的热损耗，实现温和条件下高效产蒸汽，是极具潜力的可持续净水路线。目前已开发碳基吸光材料、聚合物水凝胶、气凝胶、多级多孔泡沫等多种光热蒸发基材：碳基材料（碳纳米管、石墨烯、活性炭）具备宽光谱吸光、高光热转化效率；壳聚糖等天然高分子本身富含羟基、氨基，亲水性优异、可调控水离子相互作用，成本低廉，但单独使用光热性能不足，需复合吸光组分；现有材料通过结构优化（不对称润湿性、Janus 结构、定向孔道）提升蒸发速率，但普遍存在制备工艺复杂、润湿性精准调控难度大、长期稳定性差等问题，规模化应用受限。蒸发界面盐累积、结晶是制约高盐海水浓卤水长期稳定运行的关键难题：持续蒸发过程中盐分在表面析出，堵塞输水孔道、破坏光热吸收，最终导致设备失效；高盐、超高盐工况下该问题会急剧恶化。现有抗盐策略（不对称润湿、定向盐迁移、多级孔道扩散）虽能一定程度缓解盐沉积，但大多依赖精密制备、严苛工况控制，难以低成本大规模制备。亲水高分子网络可调控内部输水与离子分布，依靠毛细持续输水、重新分配盐分，是提升抗盐稳定性的重要方向；壳聚糖/聚乙烯醇（CS/PVA）复合水凝胶氢键丰富，可构建限域水化微环境，同时碳复合水凝胶能兼顾光热能力。但当前体系难以同时平衡高光热转化、快速毛细输水、结构机械强度、长效耐盐性四大性能，仍缺少一种制备简单、可放大、依托水化调控水 - 离子相互作用从根源抑制盐结晶的多孔蒸发材料。基于上述背景，亟需开发一种简易发泡 - 交联 - 冷冻干燥工艺制备的活性炭/壳聚糖/聚乙烯醇多孔泡沫蒸发器，利用互联多孔结构实现快速输水与盐分反向扩散，依靠 CS/PVA 亲水网络构建水化层调控水离子作用，解决高盐环境盐析堵塞问题，同时兼顾高效光热蒸发、海水，重金属，染料废水多场景净化、户外实际应用，提供低成本可规模化的太阳能水处理方案。

碳-壳聚糖-聚乙烯醇多孔泡沫蒸发器在1个太阳光强下实现2.47 kg·m⁻²·h⁻¹的蒸发速率，蒸发效率达91.1%。

在盐环境中长期运行时，该装置可维持稳定的海水淡化效果，无盐分积聚现象。

图1. CCA系列器件制备流程示意图

图2. (a) CCA-30-2；(b) CCA-50-2；(c) CCA-70-2；(d) CCA-100-2的扫描电子显微镜（SEM）图像；(e)–(h) CCA-70-2的能谱分析（EDS）元素分布图；(i)水滴在CCAs表面渗透过程的时间序列光学图像。

图3：(a)不同样品的傅里叶变换红外光谱；(b)不同样品的紫外光谱；(c) CCA-70-2与CCA-70样品的紫外光谱；(d)蒸发系统的示意图；(e)不同样品在1小时太阳辐射作用下随时间变化的水质量变化曲线；(f)不同样品在1小时太阳辐射作用下随时间变化的表面温度曲线；(g)不同样品在黑暗条件下的蒸发速率；(h)不同样品在纯水中蒸发性能的对比分析。

图4。(a)CCA-70-2在不同光强条件下随太阳照射时间变化的水质量变化；(b)CCA-70-2在不同光强下的表面温度变化；(c)CCA-70-2在不同光强下的蒸发性能；(d)CCA-70-2在单次日光照射下的循环实验结果；(e)与已报道的碳基聚合物光热蒸发器在相同日光照射条件下的蒸发速率对比；(f)温差型热电发电装置示意图；(g)基于CCA-70-2的装置在不同太阳辐射强度下的循环热电输出：(h)Isc（短路电流），(i)Voc（工作电压），(j)功率密度。

图5. (a) CCA-70-2在不同浓度模拟海水及1太阳辐照条件下随时间变化的水质量；(b) CCA-70-2在不同浓度模拟海水及1太阳辐照条件下的蒸发速率；(c) CCA-70-2在不同模拟海水浓度下的红外热成像图像；(d) CCA-70-2耐盐机制示意图；(e) CCA-70-2在纯水及10 wt%氯化钠溶液中饱和状态下的低温差示扫描量热曲线；(f) CCA-70-2在纯水饱和状态下的拉曼峰拟合结果；(g) CCA-70-2在10 wt%氯化钠溶液饱和状态下的拉曼峰拟合结果；(h) CCA-70-2在3.5 wt%盐水中于1 kW·m⁻²模拟太阳辐照下的长期蒸发速率；(i)不同时间点拍摄的CCA-70-2光学图像。

6(a)太阳能海水淡化装置的实际光学图像（右）及示意图（左）；(b)南海海域四种主要离子在海水淡化处理前后的浓度分布（虚线分别代表世界卫生组织和美国环境保护署制定的安全盐度标准）；(c)海水淡化处理前后四种重金属离子的浓度变化；为期7天户外试验期间的平均环境温度与湿度；(e)7天户外试验期间的平均蒸发速率。CCA-70-2设备在不同天气条件下（7天）的总集水量；通过CCA-70-2太阳能蒸发器净化前后的模拟废水紫外可见吸收光谱：(f)RhB(g)MB(h)Mo

总之，我们开发了一种基于活性炭/壳聚糖/聚乙烯醇多孔泡沫的可扩展且耐盐的太阳能蒸发器，用于高效脱盐和废水处理。通过优化其组成和多孔结构，该蒸发器实现了毛细管驱动的水传输、热量集中分布与宽波段太阳光吸收之间的平衡耦合。优化后的CCA-70-2在1小时光照条件下可实现高达2.47 kg·m⁻²·h⁻¹的蒸发速率，能效达91.1%。在含盐环境中，其稳定运行依赖于水合调节型水-离子相互作用机制：稳定的界面水结构可抑制离子脱水并促进持续的盐反扩散，从而在长期运行中维持无盐蒸发界面。实验表明，在含3.5 wt%NaCl的溶液中连续运行七天时，蒸发器平均蒸发速率为2.07 kg·m⁻²·h⁻¹且未观察到盐结晶现象。此外，该系统能有效净化海水、重金属污染水及含染料废水，产生的冷凝液离子浓度远低于国际饮用水标准。户外实验进一步证实了其在实际环境条件下的稳定性能。与传统蒸发器系统相比，该设计在保持高性能的同时简化了制造工艺，凸显了其可大规模、分布式部署的潜力。总体而言，本研究为复杂工况下的太阳能驱动海水淡化及废水处理提供了稳健且低成本的解决方案。

Linghui Kong, Shuyue Feng, Yongpeng Wang, Xin Wang, Mengzhu Liu, Dazhi Sun, Yingyuan Zhang, Haoyue Wu, Yuchen Wu, Tinghui Wu, Xiao Sun, Yilong Wang, Haibo Zhang, Tao Jia, Qingling Wei, A salt-resistant porous evaporator for solar desalination enabled by hydration-regulated water–ion interactions,Chemical Engineering Journal,541,2026,177595,https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.177595.

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资料整理：徐泽恩（阳光净水）

编辑：环境与能源功能材料

徐泽恩（阳光净水课题组）

【资料整理】徐泽恩：资源与环境硕士研究生，研究方向为海水/废水蒸发处理，发表中科院TOPSCI期刊论文3篇，参与浙江省自然科学基金项目2项，获一等学业奖学金1次。

阳光净水课题组：主要研究方向为壳聚糖功能材料、太阳能蒸发材料、磁性吸附材料、污染物吸附和环境催化反应机理。课题组主页：

https://www.x-mol.com/groups/zhuhuayue

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壳聚糖丨纤维素丨MOF材料丨石墨烯丨碳纳米管丨MXenes丨硫化钼丨催化材料丨蒸发材料丨吸附材料丨电极材料丨除磷材料丨产氢材料

2025年9月，国际TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》发表了阳光净水课题组题为“Multifunctional and sustainable chitosan-based interfacial materials for effective water evaporation, desalination, and wastewater purification: A review”的综述性论文。根据Web of Science检索，这是国际上首篇全面论述多功能和可持续壳聚糖基界面蒸发材料在废水处理和水净化中应用的综述性论文。本文总结了壳聚糖基太阳能界面蒸发器（CS-SIE）四种类型（水凝胶、气凝胶、海绵和膜）、五种改性材料和在水污染控制中应用。最后，总结了CS-SIEs在际应用中仍面临挑战。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化学改性及其在生物、环境、制药、食品等领域的工业应用，最新中科院分区：8.50/二区TOP期刊。

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2024年06月08日，国际期刊《International Journal of Biological Macromolecules》发表了阳光净水课题组题为“Sustainable chitosan-based materials as heterogeneous catalyst for application in wastewater treatment and water purification: An up-to-date review”综述论文。根据Web of Science检索，这是国际上首篇全面论述壳聚糖基异相催化剂在废水处理和水净化中应用的综述性论文。本综述概述了金属氧化物/壳聚糖基复合材料（MOs@CSbMs）、金属硫化物/壳聚糖基复合材料（MSs@CSbMs）、铋基半导体/壳聚糖基复合材料（BibSCs@CSbMs）、金属有机框架/壳聚糖基复合材料（MOFs@CSbMs）和纳米零价金属/壳聚糖基复合材料（NZVMs@CSbMs）等5种Cat@CSbMs材料的制备策略及作为助催化剂、光催化剂、类芬顿试剂在处理各类废水中的应用进展。该综述不仅加深了对环境功能材料与环境污染控制作用的理解，也为未来Cat@CSbM在污染物吸附和富集、光催化氧化降解污染物和还原金属离子等相关领域的研究提供了参考和启示。该论文自2024年6月发表以来，现已被引用56次（Web of Science），国际引用占比73%，2025年5月起入选ESI高被引论文。

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2024年 12 月 24 日，国际期刊《 Separation and Purification Technology 》发表了 阳光净水课题组 题为 “ Intriguing and boosting molybdenum sulfide (MoS2)-based materials for decontamination and purification of wastewater/seawater: An upgraded review” 综述论文。本综述全面总结了近6年（2018-）MoS2基材料（MoS2bMats）提高废水处理和水净化的有效改性策略，并重点阐述了MoS2bMats在环境污染物吸附、光催化降解和还原、Fenton高级氧化、PMS/PS活化氧化、废水脱盐（膜过滤和太阳能蒸发脱盐）等方面的应用。最后，讨论并提出了 MoS 2 bMats 理论研究与应用之间存在差距、工程挑战、未来的研究方向和机遇。 该论文自 2024 年 12 月线上发表以来，现已被引用31 次（ Web of Science ）。

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2024 年 1 月，国际期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》期刊发表了阳光净水课题组题为 “A review on chitosan/metal oxide nanocomposites for applications in environmental remediation“ 的综述性论文。更清洁、更安全的环境是未来最重要的要求之一。与传统材料相比，壳聚糖具有丰富的生物相容性、生物降解性、成膜能力和亲水性，是一种更环保的功能材料。由于壳聚糖分子链上丰富的 -NH2 和 -OH 基团可以有效地与各种金属离子螯合，壳聚糖基材料作为金属氧化物纳米材料（ TiO2 、 ZnO 、 SnO2 、 Fe3O4 等）的多功能支撑基质具有巨大的潜力。近年来，许多壳聚糖 / 金属氧化物纳米材料（ CS/MONM ）作为吸附剂、光催化剂、非均相类芬顿试剂和传感器，在环境修复和监测中具有潜在和实际的应用。本综述全面分析和总结了CS/MONMs复合材料的最新进展，这将为CS/MONMs复合材料的制备和废水处理应用提供丰富而有意义的信息，并有助于研究人员更好地了解CS/MONMs复合材料在环境修复与监测中的潜力。该论文自 2024 年 1 月线上发表以来，现已被引用69 次（ Web of Science ），国际引用占比65.0%。

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2024 年 2 月，国际期刊《 Separation and Purification Technology 》发表了阳光净水课题组题为 “ A review on the progress of magnetic chitosan-based materials in water purification and solid-phase extraction of contaminants” 的综述性论文。污染物检测和水净化对于实现环境保护和资源利用非常重要。构建新型功能材料去除各种污染物也变得越来越重要和紧迫。本综述总结了磁性壳聚糖（M-CSbMs）的3种可靠制备策略（原位策略、两步策略和沉积后策略），并详细介绍了M-CSbMs在有效吸附/光催化去除污染物（如重金属离子、有机染料、抗生素和其他污染物）和磁性固相萃取超低浓度污染物等方面的研究进展。最后，提出了 M-CSbMs 目前面临的挑战和前景，以期促进其在水净化和固相萃取污染物方面的实际应用。该论文自 2024 年 2 月发表以来，现已被引用 51 次（ Web of Science ）。

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