全球水資源短缺已成為威脅人類生存與發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。聯(lián)合國(guó)教科文組織數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前全球約有 20 億至 30 億人口面臨淡水匱乏問(wèn)題，水資源危機(jī)對(duì)生態(tài)安全、社會(huì)穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)峻威脅。（來(lái)源：聯(lián)合國(guó)世界水發(fā)展報(bào)告）在此背景下，纖維基太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)以其高效能、低能耗、環(huán)境友好的顯著特性，成為破解水資源困局的重要研究方向。

一、技術(shù)原理與核心構(gòu)成

太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)利用光熱材料高效捕獲并轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能，驅(qū)動(dòng)水分子發(fā)生液-氣相變，其核心系統(tǒng)由三層構(gòu)成：光熱轉(zhuǎn)換層（采用碳基材料如石墨烯、碳納米管或金屬納米顆粒如銀、金納米粒子，通過(guò)表面等離子體共振效應(yīng)或?qū)拵馓匦詫⒐馕章侍嵘?0%以上，如還原氧化石墨烯涂覆棉纖維可使其吸收率從19%增至82%，此外，氧化銅納米顆粒因其窄帶隙特性也能實(shí)現(xiàn)90%以上的高吸光效率）負(fù)責(zé)吸收太陽(yáng)能并將其轉(zhuǎn)化為熱能；水分傳輸層（利用天然纖維如棉、竹的多孔結(jié)構(gòu)及其含有的羥基（—OH）基團(tuán)通過(guò)氫鍵作用加速水分傳導(dǎo)，傳輸速率可達(dá)5 mm/min以上，同時(shí)木棉纖維的毛細(xì)效應(yīng)可進(jìn)一步提升速率至7 mm/min，確保水源的持續(xù)供給）；隔熱層（使用低導(dǎo)熱率材料如二氧化硅氣凝膠，其熱導(dǎo)率僅為0.017 W/(m?K)，有效減少熱損失達(dá)90%以上，聚氨酯泡沫等材料也能提供類似隔熱效果）確保熱能集中于蒸發(fā)界面以提高能量利用效率。該技術(shù)無(wú)需外部能源輸入，其單位產(chǎn)水能耗僅為傳統(tǒng)反滲透法的1/20，具有顯著的低碳優(yōu)勢(shì)，適用于海水淡化、工業(yè)廢水處理等場(chǎng)景，每年可減少碳排放數(shù)百萬(wàn)噸。

二、纖維基材料的獨(dú)特性能優(yōu)勢(shì)

纖維基材料憑借其結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性、功能適配性與成本可控性，成為界面蒸發(fā)器的理想基材，尤其適用于海水淡化、工業(yè)廢水處理等場(chǎng)景。在材料性能方面，天然纖維如棉、麻、竹因其高羥基密度（約 8 mmol/g）顯著提升水分傳輸效率（3 倍于普通材料），竹纖維的納米結(jié)構(gòu)更能降低蒸發(fā)焓至約 2000 kJ/kg（提升蒸發(fā)速率 11%），棉纖維的親水特性則進(jìn)一步優(yōu)化了水分?jǐn)U散過(guò)程；化學(xué)纖維中，聚丙烯（PP）因低密度（0.91 g/cm3）、強(qiáng)耐鹽性（3.5% NaCl 中強(qiáng)度保持率 >95%）適合低成本大規(guī)模應(yīng)用，如便攜式蒸發(fā)設(shè)備，聚苯胺（PANI）雖光熱效率高達(dá) 92%，但成本較高，主要用于高性能光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；無(wú)機(jī)纖維如碳纖維光吸收率達(dá) 97%（實(shí)驗(yàn)室蒸發(fā)速率 3.56 kg/
m2h），適用于高效太陽(yáng)能蒸發(fā)，玄武巖纖維則耐高溫（650℃）、抗腐蝕，在化工或高溫廢水處理等極端環(huán)境中表現(xiàn)優(yōu)異。加工工藝上，涂層法如噴涂法能快速實(shí)現(xiàn)纖維與光熱材料復(fù)合，制備的棉纖維-石墨烯蒸發(fā)器成本僅0.5-1.0 元/m2；原位聚合法允許精確控制負(fù)載量；靜電紡絲法雖負(fù)載均勻性佳但成本較高（2.0-3.0 元/m2），適合高精度功能化改性。經(jīng)濟(jì)成本層面，天然與合成纖維來(lái)源廣泛，加工與紡織工業(yè)兼容性強(qiáng)，單位面積生產(chǎn)成本較傳統(tǒng)膜法海水淡化設(shè)備降低 80% 以上，且易于規(guī)?；a(chǎn)，具備顯著商業(yè)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，可快速部署于分布式水處理系統(tǒng)。

三、多元場(chǎng)景應(yīng)用與技術(shù)突破

在水資源凈化領(lǐng)域，聚吡咯涂覆棉纖維蒸發(fā)器利用同步光熱蒸發(fā)技術(shù)高效吸收太陽(yáng)能加速水分蒸發(fā)，并通過(guò)光催化降解過(guò)程有效分解有機(jī)污染物，如亞甲基藍(lán)染料，其去除效率高達(dá)95.9%，顯著提升海水淡化和污水處理效率；同時(shí)，竹纖維基蒸發(fā)器以280 g/m2/日的鹽收集速率實(shí)現(xiàn)淡水資源回收，并同步提取高純度鹽類產(chǎn)物，減少環(huán)境負(fù)擔(dān)。在能源協(xié)同生產(chǎn)領(lǐng)域，玄武巖纖維與棉紗編織的蒸發(fā)器結(jié)合熱電效應(yīng)，將蒸發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的廢熱直接轉(zhuǎn)化為電能，功率密度達(dá)66.73 mW/m2，穩(wěn)定為離網(wǎng)型水處理系統(tǒng)提供可再生能源支持，降低外部供電依賴。此外，極端環(huán)境適應(yīng)性方面，聚丙烯纖維在-20℃低溫下維持穩(wěn)定的毛細(xì)水分傳輸性能，確保在極地嚴(yán)寒環(huán)境中可靠供應(yīng)淡水，適用于科考站的長(zhǎng)期運(yùn)行；而可折疊麻纖維蒸發(fā)器憑借8:1的高體積壓縮比設(shè)計(jì)，便于快速折疊運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)展開，高效部署于地震或洪水等應(yīng)急救災(zāi)場(chǎng)景，及時(shí)保障清潔水源。

四、技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展路徑

當(dāng)前技術(shù)發(fā)展面臨三大核心挑戰(zhàn)亟待突破：在光熱材料領(lǐng)域，涂層負(fù)載穩(wěn)定性問(wèn)題突出，需通過(guò)化學(xué)鍵合技術(shù)強(qiáng)化界面結(jié)合強(qiáng)度，例如采用硅烷類偶聯(lián)劑改性基底材料表面，從而將長(zhǎng)期使用中的涂層脫落率從＞15%顯著降低至可控范圍；系統(tǒng)熱管理方面，必須優(yōu)化隔熱結(jié)構(gòu)，亟待開發(fā)新型二氧化硅氣凝膠與聚氨酯泡沫塑料復(fù)合隔熱層，通過(guò)納米孔隙阻隔與微氣囊協(xié)同作用，將整體熱損失率從當(dāng)前30%壓縮至5%以下；針對(duì)復(fù)雜水質(zhì)適應(yīng)性瓶頸，需創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有梯度功能的孔隙結(jié)構(gòu)，典型方案包括構(gòu)建內(nèi)層超疏水-外層親水雙效膜層，有效緩解高鹽度、高濁度水體工況下的鹽結(jié)晶堵塞風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)堵塞概率降低80%的目標(biāo)。未來(lái)發(fā)展方向?qū)⒕劢箍鐚W(xué)科深度技術(shù)融合：引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法優(yōu)化纖維基材的孔隙拓?fù)湓O(shè)計(jì)，開發(fā)具有光伏發(fā)電與蒸汽蒸發(fā)雙功能的一體化建筑外墻系統(tǒng)；同時(shí)亟需建立國(guó)際統(tǒng)一的性能評(píng)價(jià)體系，例如制定ISO標(biāo)準(zhǔn)化的太陽(yáng)能蒸發(fā)效率測(cè)試方法，并借鑒光伏產(chǎn)業(yè)的補(bǔ)貼機(jī)制與并網(wǎng)政策推動(dòng)規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用，從而加速該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室原型向產(chǎn)業(yè)化市場(chǎng)的轉(zhuǎn)化進(jìn)程。

五、結(jié)語(yǔ)

纖維基太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)以自然材料為載體，以太陽(yáng)能為動(dòng)力，為全球水資源危機(jī)提供了兼具科學(xué)性與可行性的解決方案。從海島淡水供給到沙漠生態(tài)修復(fù)，從污水處理到能源協(xié)同生產(chǎn)，其應(yīng)用場(chǎng)景的持續(xù)拓展彰顯了技術(shù)的強(qiáng)大生命力。隨著材料科學(xué)與工藝技術(shù)的迭代突破，這項(xiàng)“向陽(yáng)光要水源” 的創(chuàng)新技術(shù)有望在未來(lái)十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，為構(gòu)建水資源 - 能源 - 生態(tài)協(xié)同發(fā)展的可持續(xù)社會(huì)奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 袁邱淼，等。纖維基太陽(yáng)能界面蒸發(fā)器的研究進(jìn)展 [J]. 化工進(jìn)展，2025, 44 (3): 1825-183

[2] International Energy Agency (IEA). Water-Energy Nexus Report[R]. Paris: IEA, 2023.