混合式蒸发器中的热损失及水传输能力调节

《Biochar》：Heat loss and water transport capacity regulation in hybrid evaporators

　　摘要
太阳能界面蒸发技术作为一种绿色低碳的水处理解决方案，面临的核心挑战是通过材料设计来协同优化光热转换、水分传输和能量管理。水凝胶因其亲水性网络和在太阳能界面蒸发领域中的独特水分子状态而受到广泛关注。然而，其性能提升和效率增强的机制尚不明确。我们证明了生物炭掺杂能够改善水凝胶的光热性能，调节水分吸收和传输，并降低蒸发焓。功能性团簇的双光热和非光热途径增强机制得以揭示。研究表明，生物炭与聚合物链之间的相互作用改变了混合水凝胶的孔结构，促进了光吸收和水分传输。此外，生物炭的表面功能团簇与氢键网络相互作用，增加了液水比例（IW/FW），有效提高了水的蒸发能力。通过结合增强的光热性能、亲水性和水分传输能力以及降低的蒸发焓，生物炭的加入显著提高了混合水凝胶的蒸发速率。

图解摘要
太阳能界面蒸发技术作为一种绿色低碳的水处理方案，其核心挑战在于如何通过材料设计协同优化光热转换、水分传输和能量管理。水凝胶因其亲水性网络和在太阳能界面蒸发领域中的独特水分子状态而受到关注，但其性能提升和效率增强的机制仍不明确。研究结果表明，生物炭掺杂能够改善水凝胶的光热性能，调节水分吸收和传输，并降低蒸发焓。功能性团簇的双光热和非光热途径增强机制得以揭示。生物炭与聚合物链之间的相互作用改变了混合水凝胶的孔结构，促进了光吸收和水分传输。此外，生物炭的表面功能团簇与氢键网络相互作用，增加了液水比例（IW/FW），有效提高了水的蒸发能力。通过结合增强的光热性能、亲水性和水分传输能力以及降低的蒸发焓，生物炭的加入显著提高了混合水凝胶的蒸发速率。

1 引言
淡水资源的区域缺乏和分布不平衡已成为全球可持续发展的核心挑战之一（Wang等人，2022年；Aleid等人，2022年）。地球上大部分水资源是咸水，包括海水和含盐废水。现有的传统水处理和资源回收技术（如反渗透和多级闪蒸）都存在能耗过高和成本过高的问题（ebrahimi等人，2022年）。利用太阳能进行界面蒸发以淡化海水已成为一种经过验证的有效替代方案（Alex等人，2019年；Fan等人，2024年）。利用绿色、清洁的太阳能进行含盐水的界面蒸发已成为一种成熟的技术，它结合了加热和蒸发的过程，有助于减少热量向水体内部的传递，提高能源效率和太阳能蒸发效果（Zhang等人，2021年）。一个稳定高效的太阳能界面蒸发器需要满足以下条件：（1）高光热转换能力；（2）低导热性以减少热量损失；（3）良好的水分传输能力；（4）在蒸发含盐水时抵抗盐结晶（Liu等人，2022年；Guo等人，2022年；Lei等人，2023年）。由于具有三维亲水性网络结构、高度可调的物理化学性质以及低蒸发焓的优势，水凝胶已成为太阳能界面蒸发系统的一种有前景的基底材料（Zhang和Khademhosseini，2017年；Guo和Yu，2021年；Guo等人，2021年）。优异的水分传输能力确保了蒸发过程中界面的持续供水，而丰富的多孔结构减少了热量对流损失（Bian等人，2019年；Wan等人，2025年）。特别是聚两性离子水凝胶，由于其独特的抗电解质效应，能够有效适应高盐环境，减少了蒸发过程中的盐结晶可能性，形成了更多的界面水（IW），降低了蒸发焓，从而提高了蒸发性能（Wang等人，2025年）。然而，其光热转换能力较弱。将具有良好光热性能的生物炭掺入具有可控三维结构的水凝胶中，是制造具有强稳定光吸收性能的蒸发器的一种有效方法（Liu等人，2025年）。Yu等人将碳纳米管嵌入亲水性聚合物海藻酸盐中，制备出了高吸水性的气凝胶，实现了超过96%的光吸收率以及2.25 kg m?2 h?1的蒸发性能（Yu等人，2025年）。这表明，如果能够考虑并控制气凝胶中的热量损失，可以实现更高的表面温度和蒸发效率。

近年来，来源广泛的生物炭具有良好的多孔结构、广谱吸收特性和化学稳定性，在光热转换效率和低成本方面相比半导体、金属、有机聚合物和其他碳基材料具有显著优势（Zhang等人，2022a，b）。通过炭化处理后的葫芦、胡萝卜、甘蔗和蘑菇等生物质材料，也能实现良好的太阳能蒸发效果（Xu等人，2017年；Long等人，2019年；Zhang等人，2022a，b）。然而，生物炭本身的毛细管水分传输能力有限，单独使用时存在界面热损失问题，使得蒸发速率难以持续提高（Li等人，2021a）。因此，研究人员探索了将生物炭与水凝胶结合的复合策略。例如，Rania等人使用木屑制成的生物炭来吸收和转换太阳能，并与水凝胶结合以激活水分，制备的基于生物炭的聚丙烯酰胺水凝胶蒸发器的蒸发速率为2.71 kg m?2 h?1（Tarek等人，2023年）。此外，还制备了用于界面蒸发的基于生物炭的水凝胶，如多孔聚乙烯醇/生物炭水凝胶和铜-碳水凝胶（Li等人，2022年；Yang等人，2023年）。但迄今为止，报道的研究主要集中在生物炭对水凝胶的光热增强作用上，对于水凝胶水分传输的化学-结构协同调节和氢键网络重构的机制仍缺乏系统性的理解。通过研究加入生物炭与未加入生物炭的水凝胶在水分子状态、光热性能和水分传输能力方面的变化，我们揭示了混合水凝胶在太阳能驱动的界面蒸发过程中光热和非光热途径的协同机制。研究表明，高粱秸秆生物炭通过表面功能团簇与水凝胶聚合物链及氢键网络的相互作用，优化了混合水凝胶的孔结构，激活了水分子，同时提高了水分传输性能并降低了蒸发焓。这为设计和优化含盐环境中的蒸发器提供了理论指导和实际应用价值。

2 材料与方法
2.1 生物炭的制备
本研究中，使用高粱秸秆生物炭制备混合水凝胶。高粱秸秆在管式炉（OTF-1200X-S，青岛）中于600°C下在氩气氛围下热解1小时。加热速率为5°C min?1。冷却至室温后，样品用硝酸酸洗，然后用去离子水中和pH值。样品经球磨机（DECO-PBM-H-0.4 L）研磨24小时，然后通过100目筛网过滤获得生物炭颗粒。

2.2 混合水凝胶的制备
本实验使用的是聚两性离子水凝胶，凝胶剂为DMAPS系统。将3克DMAPS溶解在7克去离子水中并搅拌至透明。加入0.048克APS作为引发剂和60微升PEGDA作为交联剂，超声处理15分钟。然后将0.1克生物炭颗粒分散在1毫升去离子水中，充分混合后加入前体溶液中。接着加入3微升TMEDA作为催化剂，并用氮气通气15分钟后，在90°C下进行4小时的凝胶化反应。最后，用去离子水洗涤混合水凝胶以去除未反应的物质。作为对照的水凝胶则不添加生物炭颗粒。

2.3 太阳能蒸发实验
太阳能界面蒸发实验在25°C和30%湿度条件下进行。使用带有滤光片（AM1.5G）的氙气日光模拟器（PLS-SXE300+，Pofelet，中国）作为光源，并使用手持式光谱照度计（HP350C，杭州LCE智能检测仪器有限公司，中国）确保蒸发器表面的光照强度为1000 W m?2。实验过程中设备的重量使用电子天平（ME204，Mettler Toledo，美国）实时测量，每10分钟记录一次；蒸发过程中设备的温度变化通过红外热像仪监测。实验中使用的模拟盐水为10 wt% NaCl溶液。暗实验是在无光源的黑暗环境中进行的。

2.4 特性分析
使用光谱仪（Lambda 1050+，PerkinElmer，美国）收集UV–Vis-NIR吸收光谱。使用扫描电子显微镜（SEM，MDTC-EQ-M57-01，Thermo Fisher Scientific，美国）观察样品的形貌。使用接触角测量仪（KRUSS DSA30）测试表面润湿性。通过X射线光电子能谱（PHI5000VersaProbeII，ULVAC-PHI，中国）分析水凝胶和生物炭样品的表面元素。使用激光拉曼光谱仪（Invia，Renishaw，英国）在532 nm激光激发下获取拉曼光谱。使用Discovery DSC仪器（DSC3，Mettler Toledo，美国）进行差示扫描量热（DSC）测量。

3 结果与讨论
3.1 光热性能的增强
如图1A所示，加入生物炭使水凝胶从透明变为黑色，表明生物炭在水凝胶基质中均匀分散（Zheng等人，2023年）。此外，UV–Vis-NIR吸收光谱（图1B）显示，生物炭的加入显著增强了水凝胶在整个波长范围（200–2500 nm）内的吸收能力，特别是在380–1500 nm波长带。值得注意的是，SoBC-600°C在430–700 nm的可见光范围内显示出超过98%的光吸收率，这对太阳能蒸发非常重要。混合水凝胶在整个波长范围内的光吸收率保持稳定在95%以上，在1000 nm以上的近红外区域甚至超过了生物炭本身的吸收率。因此，混合水凝胶光吸收性能的提高不仅归因于生物炭本身的光热性质，还得益于混合水凝胶孔结构的变化（Ghaffar等人，2024年）。图1C和D分别显示了水凝胶和混合水凝胶的SEM图像及孔径分布。SEM图像显示，混合水凝胶具有更密集和粗糙的三维网络结构。丰富的微孔结构促进了水分传输和光折射，生物炭通过DMAPS完全锁定并固定在水凝胶网络结构中，增强了材料的机械稳定性（He等人，2019年；Li等人，2025年）。混合水凝胶由于生物炭功能团簇与水凝胶聚合物链以及氢键的连接，形成了更小的水分传输孔。较小的孔径使得水凝胶具有更高的光吸收率（图S2），同时提高了蒸发器的表面温度并加速了蒸发速率（图S3和S4）。研究表明，较小的水分传输孔还增加了水凝胶的内表面积，从而增加了入射光被吸收的概率，同时增强了光的多次反射和散射，延长了光程，进而提高了光吸收效率（Fan等人，2020年；Gu等人，2024年）。然而，过小的孔径可能导致孔结构塌陷，从而阻碍水分传输并对蒸发速率产生负面影响。**生物炭对混合水凝胶光热性能影响的示意图**
通过记录蒸发过程中装置的热量损失以及蒸发器表面和水的温度变化，评估了生物炭在提高太阳能蒸发性能方面的效果（图1E和F）。与未添加生物炭时相比，观察到添加生物炭后蒸发器表面的温度明显升高。在光照一小时内，对照组水凝胶的界面温度从25.5°C逐渐升高到35.3°C，而水的温度也从25.4°C升高到33.2°C。值得注意的是，混合水凝胶的界面温度从25.5°C升高到41.1°C，而水的温度仅从25.1°C升高到29.3°C，热量分散减少了约4°C。此外，混合水凝胶显示出更快的温度上升速度、更高的界面温度，并且底部水温几乎没有明显变化（图S5）。这表明生物炭混合材料增强了水凝胶中的光热转化效率，使其能够迅速将吸收的光能转化为热能并限制在其内部。除了水凝胶本身较低的热导率外，生物炭的掺入有效抑制了向大量水的热传导，并减弱了蒸发界面附近的自然对流。这归因于生物炭吸收阳光并将其高效转化为局部热能的能力，从而促进了水凝胶内部水分子的蒸发，而不是促进热量的向下传递。此外，生物炭的多孔结构显著限制了受热水的宏观运动，从而防止了大规模对流的发展。热量更有效地用于蒸发器内的水分子蒸发，而不是大量水中，大大减少了热量损失，提高了蒸发器的光热转换能力和水到蒸汽的转换效率（Lei等人，2021；Zheng等人，2023）。更高的蒸发器界面温度和更少的热量损失导致了更快的蒸发速率。在阳光下，混合水凝胶的蒸发速率为3.57 kg m?2 h?1，是纯水凝胶的1.87倍。这是生物炭提高混合水凝胶蒸发效率的最直接证据。

**作用机制**
基于上述发现提出了该机制（图1G）。生物炭的碳骨架通过π–π*电子跃迁增强了水凝胶对紫外-可见光的吸收，从而提高了水凝胶的光吸收性能。它还将热量集中在水凝胶内部，减少了向大量水的热量损失。此外，生物炭的表面官能团与水凝胶聚合物链上的官能团相互作用（Tarek等人，2023）。这暗示了为了调节光吸收和控制热量，应设计出更均匀的孔分布和更小的孔径。多次反射以及入射光在凝胶内的传播路径长度得到延长，从而也提高了水分子的传输效率。

**亲水性和水分传输性质的改善**
亲水性和水分传输能力是实现高效水蒸发和抵抗盐结晶的关键因素。图2A显示，纯水凝胶的接触角为64.5°，而混合水凝胶的接触角为17.9°，表明生物炭在提高混合水凝胶的亲水性方面发挥了重要作用。生物炭中丰富的含氧官能团可以有效提高水凝胶材料的亲水性（Tarek等人，2023）。如XPS总光谱（图2B和C）所示，水凝胶主要由四种元素组成：C、O、S和N。加入生物炭后，水凝胶中的碳含量从65.4%增加到72.2%，证实了亲水性生物炭的成功负载（Ge等人，2024）。对N1s光谱的分析表明，添加生物炭增加了水凝胶中含氮有机官能团的多样性（图S6）。图2D–F显示了生物炭的XPS光谱，证明生物炭含有亲水基团，如羟基、氨基和羰基。这些基团在生物炭加入水凝胶后促进了水分子之间的氢键形成。总光谱显示，秸秆炭在600°C时的O/C比为0.3（图S7）。生物炭的高分辨率C1s光谱显示了三个峰，分别对应于C–C键、C–N键和C=O键，位于284.8 eV、285.8 eV和288.7 eV。此外，生物炭还含有亲水基团，如–NH?和–OH。这些基团可以促进水凝胶中水分子之间的氢键形成，从而降低接触角。根据FTIR光谱（图S8），水凝胶的特征峰位于1040 cm?1、1180 cm?1和1720 cm?1，分别对应于S=O的对称伸缩振动和C=O的伸缩振动，证实了水凝胶是基于DMAPS形成的（Lei等人，2022）。在混合水凝胶中没有观察到新的吸收峰，表明生物炭与DMAPS在凝胶化过程中的相互作用是物理性质的。此外，混合水凝胶中羟基特征峰的强度约为3460 cm?1，比纯水凝胶更强，这与生物炭掺入后水凝胶亲水性增强是一致的。

**实现高效稳定运行的关键**
实现太阳能界面蒸发器的高效稳定运行取决于其在蒸发过程中能否持续向界面供应足够的水量。为了系统研究水凝胶的水分传输性能，使用了 rice paper 波带作为吸水剂，其传输性能通过 rice paper 的吸水高度来反映（Feng等人，2020）。测试装置如图S9所示。将水凝胶放入装有水的培养皿中，当水凝胶表面变湿时，即当与水凝胶顶部接触的rice paper 变湿时，实验开始。记录了60分钟内的rice paper吸水高度。如图2G所示，一小时后，纯水凝胶和混合水凝胶的吸水高度分别达到了2.51 cm和2.77 cm。在10 wt%的盐溶液中，两种水凝胶的吸水高度都有所提高，特别是混合水凝胶达到了3.99 cm，接近rice paper直接接触盐溶液时的吸水高度（4.27 cm）。这表明生物炭的掺入提高了水凝胶的传输性能。

**水凝胶的膨胀能力**
水凝胶的膨胀能力是评估其水分传输能力的另一个重要因素。图2H显示了未添加生物炭和添加生物炭的混合水凝胶在去离子水和10 wt%盐溶液中膨胀前后的形态变化。观察到在盐溶液中，水凝胶膨胀得更完全，直径从4.3 cm增加到6.1 cm，体积增大。添加生物炭后，混合水凝胶的膨胀体积略大于未添加生物炭的水凝胶。为了进一步了解其膨胀行为，记录了这些水凝胶在纯水和盐溶液中的饱和含水量（图2I）。水凝胶的饱和含水量可以使用公式（1）计算：
$$Q = \frac{{m_{s} - m_{d} }}{{m_{d} }} \times 100\%$$ （1）
其中ms是水凝胶膨胀到饱和状态的质量，md是干燥状态的质量。在纯水中，混合水凝胶的饱和含水量从217%增加到226%；而在盐水中，由于其抵抗聚电解质的能力，混合水凝胶的饱和含水量高达520%（Peng等人，2023）。

**等效蒸发焓的降低**
等效蒸发焓量化了蒸发单位质量水所需的能量，是评估蒸发器性能的关键参数。如图3A所示，与纯水的直接蒸发（0.06 kg m?2 h?1）相比，水凝胶的暗蒸发速率为0.15 kg m?2 h?1，增加了1.5倍，表明由于其独特的聚合物网络结构和激活水分子的能力，水凝胶的蒸发焓较低（Anukunwithaya等人，2024）。添加生物炭后，混合水凝胶的暗蒸发速率为0.18 kg m?2 h?1，是纯水凝胶的1.2倍。据推测，生物炭通过非光热机制促进了水凝胶的蒸发过程。在暗蒸发过程中，纯水和水凝胶都依赖于环境的热量进行蒸发。因此，可以通过比较相同时间内的质量变化差异来获得水凝胶的等效蒸发焓（详见支持信息中的Section SI-1）。与纯水凝胶（1052.09 J g?1）相比，混合水凝胶的蒸发焓仅为877.79 J g?1（图3B），低于大多数报道的水凝胶（Xu等人，2023；Shu等人，2024；Chen等人，2025）。这表明加入生物炭降低了水凝胶的等效蒸发焓，使得在相同的能量输入下水分子更容易蒸发，从而显著提高了暗蒸发效率。差示扫描量热法（DSC）可用于观察材料的热稳定性。通过积分DSC曲线可以获得相应的蒸发焓。纯水在100°C附近表现出一个高而尖锐的吸热峰（图3C）。相比之下，水凝胶的DSC曲线呈现逐渐衰减的宽峰，峰值降低，表明水分子中的氢键网络减弱（Li等人，2021b）。图3D显示了从DSC计算出的蒸发焓，其趋势与潜热实验得到的等效蒸发焓一致。

**拉曼光谱的应用**
拉曼光谱用于评估水凝胶中的O–H键伸展状态，显示了水凝胶中水分子的不同状态。水凝胶中的水分子存在于三种状态：结合水（BW）、中间态水（IW）和自由水（FW）。与FW和BW相比，IW与邻近水分子和聚合物链的相互作用较弱，因此蒸发所需的能量较少，因此也被称为活化水（Guo等人，2020）。图3E和F分别显示了纯水中水凝胶和混合水凝胶的拉曼光谱。3212 cm?1和3340 cm?1处的两个峰对应于FW中的O–H键伸展；3470 cm?1和3609 cm?1处的峰对应于IW中与周围水分子之间的弱氢键。通过峰值拟合和积分计算，发现由于生物炭的加入，水凝胶的IW/FW值从0.70增加到1.30。研究结果表明，生物炭显著影响了水分子的氢键网络，形成了更多的弱氢键（IW），从而降低了等效蒸发焓。这可能是由于生物炭的表面官能团与水分子的氢键网络之间的相互作用，改变了水凝胶中水分子的氢键结构，促使水分子从强氢键（FW）转化为弱氢键（IW），进一步降低了蒸发焓。此外，研究人员对含有生物炭的水凝胶和混合水凝胶在盐水中的拉曼光谱进行了测试，结果如图3G和H所示。混合水凝胶的IW/FW比值高达1.43。水凝胶在2800–3000 cm?1范围内的C–H键伸缩信号显著减弱，表明水凝胶的聚合物链在盐水中变得更加灵活，这证明了盐离子对聚两性离子水凝胶中的静电相互作用具有屏蔽作用（Peng等人，2023年）。与以往的研究相比（如图3I所示），本研究中的混合水凝胶在纯水和盐溶液中的IW/FW比值均优于大多数已报道的水凝胶（Zhu等人，2020年；Lei等人，2022年；Yang等人，2024年）。

**结论**：在本研究中，我们揭示了通过添加生物炭来增强水凝胶蒸发器的光热和非光热性能的双重途径机制。生物炭作为阳光吸收剂，增强了混合水凝胶吸收阳光的能力，将热量集中在水凝胶内部，减少了热量向周围水的散失，从而提高了水凝胶的光热性能。此外，由于生物炭表面官能团与水凝胶聚合物链上官能团的相互作用，水凝胶的孔隙变得更小且分布更加均匀。这不仅增加了光吸收的机会和光吸收率，还增强了孔隙对水分子的毛细力，确保了蒸发界面有充足的水供应。更重要的是，生物炭表面的羧基和羟基不仅增强了水凝胶的亲水性和膨胀性能，还调节了水凝胶内部水分子的氢键网络。这些作用减弱了水分子间的氢键，形成了更多的弱氢键，使水凝胶的蒸发焓降低至877.79 J g?1。通过多尺度协同作用，混合水凝胶的蒸发速率提高到了3.57 kg m?2 h?1。我们的工作为未来的蒸发应用和混合水凝胶的进一步研究提供了理论指导和参考依据。