殼聚糖基材料0623丨天津大學CP論文丨殼聚糖環形水凝膠蒸發器實現高效蒸發濃縮與優異抗鹽性能

2026年，《Carbohydrate Polymers》期刊在線發表了題為“High-efficiency evaporation and concentration with exceptional salt resistance via a chitosan annular hydrogel evaporator”的研究性論文。其蒸發速率達到4.29 kg·m?2·h?1，體積蒸發效率提升達6.7倍。為進一步提升極端鹽度條件下的長期運行穩定性，我們采用了頂部主動供水策略——通過精準流量控制有效清除蒸發界面處的濃縮鹽離子，即使在25 wt%高鹽度鹵水中也能保持穩定蒸發且無鹽沉積現象。戶外實驗表明，該系統不僅能以11.53–15.36 kg·m-2·d-1的速率持續產出符合世界衛生組織標準的淡水，同時還能實現高效的鹵水濃縮（濃縮比：1.16–2.29）以及重金屬與有機染料的有效凈化。《Carbohydrate Polymers》期刊2025年影響因子為13.2，《Carbohydrate Polymers》是糖科學領域的核心期刊，刊載多糖相關的研究與開發利用成果，所涉多糖當下或有望應用于生物能源、生物塑料、生物材料、生物精煉、化學、藥物遞送、食品、健康、納米技術、包裝、造紙、制藥、醫學、石油開采、紡織、組織工程、木材等領域，同時涵蓋糖科學其他相關研究方向。

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為應對高鹽度環境下太陽能驅動界面蒸發系統面臨的鹽分積聚和蒸發速率受限的挑戰，本研究基于殼聚糖的親水基團及交聯網絡特性，設計并制備了一種具有徑向排列通道的環形水凝膠蒸發器。該設計顯著降低了材料消耗量，并通過大幅提高蒸發面積指數和增強內部熱對流效果，在協同提升蒸發速率與環境能量收集能力方面取得突破：蒸發速率達到4.29 kg·m?2·h?1，體積蒸發效率提升達6.7倍。為進一步提升極端鹽度條件下的長期運行穩定性，我們采用了頂部主動供水策略——通過精準流量控制有效清除蒸發界面處的濃縮鹽離子，即使在25 wt%高鹽度鹵水中也能保持穩定蒸發且無鹽沉積現象。戶外實驗表明，該系統不僅能以11.53–15.36 kg·m-2·d-1的速率持續產出符合世界衛生組織標準的淡水，同時還能實現高效的鹵水濃縮（濃縮比：1.16–2.29）以及重金屬與有機染料的有效凈化。該技術充分利用了通過殼聚糖化學結構調控所獲得的核心特性（如低蒸發焓、高親水性及穩定的鹽排斥能力），可擴展應用于鹽水礦物回收和晶體純化等濃度依賴型工藝，為這類應用開創了全新范式。這一設計策略也為碳水化合物聚合物在可持續水處理與資源回收領域的廣泛應用開辟了新途徑。

據 2023 年世界氣象組織（WMO）報告，全球超 20億人清潔淡水供給不足，預計 2050 年缺水人口將增至近50 億；全球變暖引發冰川消融、降水模式紊亂，陸地淡水儲量持續縮減，干旱、貧困地區飲水安全與生活質量遭受嚴重沖擊，水環境可持續發展面臨巨大威脅。太陽能界面蒸發（SDIE）成為脫鹽核心技術：該技術低碳環保、可持續，依托光熱轉換、熱管理、水輸運協同優化，蒸發性能持續提升，是緩解全球缺水極具潛力的技術路線。鹽離子與水分子形成強水化層，強化水體氫鍵網絡，提升蒸發焓，從本質抑制水汽化，高鹽鹵水蒸發速率天然低于純水。鹽分持續在蒸發面結晶，堵塞孔隙、阻礙蒸汽擴散、降低光吸收效率，進一步惡化蒸發性能。引導鹽分定點析出，可同步回收資源、實現零排液，但結構設計復雜，難以規模化放大；利用物理化學屏障阻擋鹽離子抵達蒸發界面，阻鹽效果好，但會大幅犧牲蒸發效率；強化內部傳質稀釋高鹽離子并回流本體水體，缺點是熱量局域化差、熱損耗大，無法充分利用蒸發產生的鹽度梯度。近年新興主動供水方案理論上可通過調控水流與流速實現完全阻鹽，但現有體系多為二維柔性蒸發器件，存在雙重局限：親水基團不足，難以活化水分子、降低蒸發焓；二維結構限制環境能量捕獲能力，無法滿足高蒸發速率需求。殼聚糖作為天然多糖高分子，是理想的水凝膠基底材料：分子鏈富含羥基、伯氨基，親水性極強，可通過氫鍵快速輸水；同時活化水分子、弱化束縛水氫鍵，顯著降低蒸發焓，實現高蒸發速率；酸性條件下氨基質子化，可與植酸等聚陰離子交聯劑構建可調三維多孔網絡，通過定向冷凍等工藝精準制備徑向取向孔道，優化傳熱傳質；生物相容性優異，水環境中長期結構穩定。相較于織物、木材、金屬泡沫等傳統基底，殼聚糖水凝膠原料加工難度大、制造成本偏高，制約工程放大與實際落地。基于上述行業痛點與材料特性，本文提出核心假設：將結構優化的環形殼聚糖徑向孔道水凝膠與頂部主動供水策略耦合，協同解決太陽能蒸發瓶頸。

采用定向冷凍工藝制備帶徑向取向孔道的環形中空殼聚糖（CPP）水凝膠，同等占地面積下材料用量僅傳統柱狀 3D 蒸發器的 15%，顯著降低殼聚糖原料成本，解決多糖水凝膠規模化成本難題。最優薄壁厚 2 mm 的 CPP-R50–2 樣品蒸發速率達4.29 kg·m?2·h?1，體積蒸發效率相較傳統柱狀結構提升 6.7 倍，實現 “少材料、高產水”。

純水蒸發焓 2257.8 J g?1，CPP-R 水凝膠的蒸發焓僅為1058 J g?1，中間水和自由水比例高達 1.73，從分子層面降低汽化能耗。

圖1. (a) CPP水凝膠制備工藝示意圖。(b) CPP-H殼聚糖水凝膠的照片及其不同放大倍數下的橫截面掃描電鏡圖像。(c) CPP-V殼聚糖水凝膠的照片及其不同放大倍數下的橫截面掃描電鏡圖像。(d) CPP-R殼聚糖水凝膠的照片及其不同放大倍數下的橫截面掃描電鏡圖像。(e) CS粉末與CPP水凝膠的FTIR譜圖。(f) CS粉末與CPP水凝膠的XPS表征譜圖。(g) CS粉末與CPP水凝膠的N1s高分辨率譜圖。(h)殼聚糖與植酸分子間交聯機制示意圖。

圖2。(a)環形水凝膠在側向太陽光照下的結構優勢。(b)單次太陽光照下水質量隨時間的變化趨勢。(c)不同水凝膠在單次太陽光照下的蒸發速率。(d)在側向光照條件下，環形水凝膠形成四個溫度各異的獨立蒸發表面：高溫外壁、高溫內壁、低溫外壁及低溫內壁。(e)CPPR50–2水凝膠蒸發器在單次太陽光照下四個蒸發表面的溫度變化曲線。(f)水凝膠蒸發器與周圍環境之間的總傳熱通量。(g)水、CPP-H、CPP-V及CPP-R水凝膠蒸發器的差示掃描量熱（DSC）曲線。(h)CS聚合物網絡中水分子的三種狀態。(i)CPP-R水凝膠的拉曼光譜圖，顯示對應游離水（FW）和中間水（IW）的特征峰。(j)CPP-R系列水凝膠在不同鹽度條件下以及處理含25%重量比鹽水時的蒸發速率及鹽沉積情況。

圖3(a)–(d)分別展示了CPP-R50(L)、CPP-R50–8、CPP-R50–4和CPP-R50–2在蒸發區域內的對流流動模擬結果。

圖4.在特定太陽輻射強度下，CPP-R系列水凝膠在25 wt%鹽水溶液中蒸發表面的鹽沉積過程

圖5。(a)實驗裝置示意圖，展示了通過頂部供水實現的高效鹽排斥能力。（b–d）CPP-R50–2在ΔH值分別為8 cm、6.5 cm和3.5 cm、濃度為25 wt%的鹽水中，在單次日光照射下的累積質量損失及相應蒸發速率。(e)示意圖展示了在頂部供水條件下，環形水凝膠蒸發器壁面鹽度梯度的四階段演變過程。（f–h）CPP-R50–2在ΔH值分別為8 cm、6.5 cm和3.5 cm、濃度為25 wt%的鹽水中，單次日光照射下的表面鹽沉積情況。

5. (a)采用NF -L/MXene進行太陽能蒸汽生成測試的實驗裝置。(b)基于NF -L/MXene的界面光熱水分蒸發示意圖。(c)不同添加量SL-MXeneNF -L/MXene體系中經1小時太陽光照60分鐘后的質量變化。不同SA含量百分比在NF -L/MXene體系中經1小時太陽光照60分鐘后的質量變化。(e)海水、NFNF -LNF -L/MXene（含20 mg SL-MXene0.5% SA）在1小時太陽光照60分鐘后的質量變化。(f)海水、NFNF -LNF -L/MXene（含20 mg SL-MXene0.5% SA）在1小時太陽光照60分鐘后的蒸發速率。(g)海水與NF -L/MXene的差示掃描量熱曲線。(h)從左至右依次展示NF（濕潤狀態）、NF -L（激光加工濕潤表面）及NF -L/MXene（復合SL-MXene濕潤表面）的接觸角測試結果。(i)激光加工潤濕性轉變機制示意圖。(j) NF -LNF -L/MXene的水分傳輸機理。

6(a)CPP-R50–2在不同ΔH下的蒸發速率。(b)不同ΔH下的流速及對應的擬合曲線。(c)CPP-R50–2水凝膠蒸發器底部的實驗測定值與預測濃度值。通過微管采樣從環形水凝膠中進行的定量濃度測定結果。(e)環形水凝膠內采樣位置示意圖。(f) ΔH =1.5 cm時環形水凝膠各位置的實驗濃度值。(g)實驗數據與預測值的對比。

圖7。(a)戶外集水裝置的示意圖及實物照片，以及單個水凝膠蒸發器。(b)自制戶外太陽能蒸發系統的數碼照片。(c)2025年7月2日記錄的產水量、累計淡水產量及太陽輻射強度。(d)2025年7月為期15天的戶外集水實驗中每日產水量及鹽水濃度比。(e)海水與純化水中的主要離子濃度。(f)純化前后水樣中模擬重金屬離子濃度的對比。(g)RhB溶液在純化前后的紫外-可見吸收光譜。

圖8. (a)三個串聯連接的水凝膠蒸發器與戶外集水及鹽水濃縮裝置集成后的示意圖及照片示意圖；(b) 2025年7月為期15天的戶外集水實驗中測得的每日產水量及鹽水濃度比；(c)集成式集水-濃縮系統實現的平均集水量與濃度比對比；(d)經過一天濃縮處理后，甲基橙溶液的吸收強度變化及其對應的視覺顏色變化；(e、f)氯化鋰溶液和硫酸鈉溶液在戶外濃縮五天后總質量、冷凝水量以及Li?/Na?濃度的變化情況。

實驗結果表明，這種基于殼聚糖的環形水凝膠蒸發器憑借其徑向排列的孔道結構，能夠實現高效太陽能驅動蒸發、卓越的耐鹽性能以及同步濃縮鹵水的功能。殼聚糖作為天然多糖所具有的固有特性——包括豐富的親水基團以及可調控的微觀與宏觀結構——為實現此類多功能性能提供了基礎材料平臺。通過對環形幾何結構進行結構優化，并結合頂部供液主動式液體供給策略，該系統實現了4.29 kg·m?2·h?1的蒸發速率，體積蒸發能力提升達6.7倍，這主要得益于蒸發面積指數的增加及內部熱對流效率的增強。尤為重要的是，殼聚糖-植酸水凝膠網絡的化學穩定性對于在持續流體流動條件下保持結構完整性至關重要，從而確保活性鹽分離機制即使在含25%重量比鹵水的環境中也能穩定運行。戶外驗證證實了這種基于多糖的蒸發器具有實際應用價值：它能持續產出淡水資源（11.53–15.36 kg·m?2·d?1）、高效濃縮鹵水，并能有效凈化重金屬離子和有機染料。這項研究不僅為高性能太陽能水凝膠蒸發器的結構設計提供了新的見解，更為太陽能驅動的可持續水處理與資源回收提供了一條可行的技術路徑。

Hang Su, Shanbin Zhang, Chen Yuan, Limei Li, Youdong Wang, Chen Song, Qing Xu, Xiang Li, Jitian Song, High-efficiency evaporation and concentration with exceptional salt resistance via a chitosan annular hydrogel evaporator, Carbohydrate Polymers, 379, 2026, 124910, https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2026.124910.

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資料整理：徐澤恩（陽光凈水）

編輯：環境與能源功能材料

徐澤恩（陽光凈水課題組）

【資料整理】徐澤恩：資源與環境碩士研究生，研究方向為海水/廢水蒸發處理，發表中科院TOPSCI期刊論文3篇，參與浙江省自然科學基金項目2項，獲一等學業獎學金1次。

陽光凈水課題組：主要研究方向為殼聚糖功能材料、太陽能蒸發材料、磁性吸附材料、污染物吸附和環境催化反應機理。課題組主頁：

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

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殼聚糖丨纖維素丨MOF材料丨石墨烯丨碳納米管丨MXenes丨硫化鉬丨催化材料丨蒸發材料丨吸附材料丨電極材料丨除磷材料丨產氫材料

2025年9月，國際TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》發表了陽光凈水課題組題為“Multifunctional and sustainable chitosan-based interfacial materials for effective water evaporation, desalination, and wastewater purification: A review”的綜述性論文。根據Web of Science檢索，這是國際上首篇全面論述多功能和可持續殼聚糖基界面蒸發材料在廢水處理和水凈化中應用的綜述性論文。本文總結了殼聚糖基太陽能界面蒸發器（CS-SIE）四種類型（水凝膠、氣凝膠、海綿和膜）、五種改性材料和在水污染控制中應用。最后，總結了CS-SIEs在際應用中仍面臨挑戰。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化學改性及其在生物、環境、制藥、食品等領域的工業應用，最新中科院分區：8.50/二區TOP期刊。

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2024年06月08日，國際期刊《International Journal of Biological Macromolecules》發表了陽光凈水課題組題為“Sustainable chitosan-based materials as heterogeneous catalyst for application in wastewater treatment and water purification: An up-to-date review”綜述論文。根據Web of Science檢索，這是國際上首篇全面論述殼聚糖基異相催化劑在廢水處理和水凈化中應用的綜述性論文。本綜述概述了金屬氧化物/殼聚糖基復合材料（MOs@CSbMs）、金屬硫化物/殼聚糖基復合材料（MSs@CSbMs）、鉍基半導體/殼聚糖基復合材料（BibSCs@CSbMs）、金屬有機框架/殼聚糖基復合材料（MOFs@CSbMs）和納米零價金屬/殼聚糖基復合材料（NZVMs@CSbMs）等5種Cat@CSbMs材料的制備策略及作為助催化劑、光催化劑、類芬頓試劑在處理各類廢水中的應用進展。該綜述不僅加深了對環境功能材料與環境污染控制作用的理解，也為未來Cat@CSbM在污染物吸附和富集、光催化氧化降解污染物和還原金屬離子等相關領域的研究提供了參考和啟示。該論文自2024年6月發表以來，現已被引用56次（Web of Science），國際引用占比73%，2025年5月起入選ESI高被引論文。

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2024年 12 月 24 日，國際期刊《 Separation and Purification Technology 》發表了 陽光凈水課題組 題為 “ Intriguing and boosting molybdenum sulfide (MoS2)-based materials for decontamination and purification of wastewater/seawater: An upgraded review” 綜述論文。本綜述全面總結了近6年（2018-）MoS2基材料（MoS2bMats）提高廢水處理和水凈化的有效改性策略，并重點闡述了MoS2bMats在環境污染物吸附、光催化降解和還原、Fenton高級氧化、PMS/PS活化氧化、廢水脫鹽（膜過濾和太陽能蒸發脫鹽）等方面的應用。最后，討論并提出了 MoS 2 bMats 理論研究與應用之間存在差距、工程挑戰、未來的研究方向和機遇。 該論文自 2024 年 12 月線上發表以來，現已被引用31 次（ Web of Science ）。

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2024 年 1 月，國際期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》期刊發表了陽光凈水課題組題為 “A review on chitosan/metal oxide nanocomposites for applications in environmental remediation“ 的綜述性論文。更清潔、更安全的環境是未來最重要的要求之一。與傳統材料相比，殼聚糖具有豐富的生物相容性、生物降解性、成膜能力和親水性，是一種更環保的功能材料。由于殼聚糖分子鏈上豐富的 -NH2 和 -OH 基團可以有效地與各種金屬離子螯合，殼聚糖基材料作為金屬氧化物納米材料（ TiO2 、 ZnO 、 SnO2 、 Fe3O4 等）的多功能支撐基質具有巨大的潛力。近年來，許多殼聚糖 / 金屬氧化物納米材料（ CS/MONM ）作為吸附劑、光催化劑、非均相類芬頓試劑和傳感器，在環境修復和監測中具有潛在和實際的應用。本綜述全面分析和總結了CS/MONMs復合材料的最新進展，這將為CS/MONMs復合材料的制備和廢水處理應用提供豐富而有意義的信息，并有助于研究人員更好地了解CS/MONMs復合材料在環境修復與監測中的潛力。該論文自 2024 年 1 月線上發表以來，現已被引用69 次（ Web of Science ），國際引用占比65.0%。

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2024 年 2 月，國際期刊《 Separation and Purification Technology 》發表了陽光凈水課題組題為 “ A review on the progress of magnetic chitosan-based materials in water purification and solid-phase extraction of contaminants” 的綜述性論文。污染物檢測和水凈化對于實現環境保護和資源利用非常重要。構建新型功能材料去除各種污染物也變得越來越重要和緊迫。本綜述總結了磁性殼聚糖（M-CSbMs）的3種可靠制備策略（原位策略、兩步策略和沉積后策略），并詳細介紹了M-CSbMs在有效吸附/光催化去除污染物（如重金屬離子、有機染料、抗生素和其他污染物）和磁性固相萃取超低濃度污染物等方面的研究進展。最后，提出了 M-CSbMs 目前面臨的挑戰和前景，以期促進其在水凈化和固相萃取污染物方面的實際應用。該論文自 2024 年 2 月發表以來，現已被引用 51 次（ Web of Science ）。

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