全球水資源短缺已成為威脅人類生存與發展的重大挑戰。聯合國教科文組織數據顯示，當前全球約有 20 億至 30 億人口面臨淡水匱乏問題，水資源危機對生態安全、社會穩定與經濟可持續發展構成嚴峻威脅。（來源：聯合國世界水發展報告）在此背景下，纖維基太陽能界面蒸發技術以其高效能、低能耗、環境友好的顯著特性，成為破解水資源困局的重要研究方向。

一、技術原理與核心構成

太陽能界面蒸發技術利用光熱材料高效捕獲并轉化太陽能，驅動水分子發生液-氣相變，其核心系統由三層構成：光熱轉換層（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，通過表面等離子體共振效應或寬帶吸光特性將光吸收率提升至80%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現90%以上的高吸光效率）負責吸收太陽能并將其轉化為熱能；水分傳輸層（利用天然纖維如棉、竹的多孔結構及其含有的羥基（—OH）基團通過氫鍵作用加速水分傳導，傳輸速率可達5 mm/min以上，同時木棉纖維的毛細效應可進一步提升速率至7 mm/min，確保水源的持續供給）；隔熱層（使用低導熱率材料如二氧化硅氣凝膠，其熱導率僅為0.017 W/(m?K)，有效減少熱損失達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界面以提高能量利用效率。該技術無需外部能源輸入，其單位產水能耗僅為傳統反滲透法的1/20，具有顯著的低碳優勢，適用于海水淡化、工業廢水處理等場景，每年可減少碳排放數百萬噸。

二、纖維基材料的獨特性能優勢

纖維基材料憑借其結構可設計性、功能適配性與成本可控性，成為界面蒸發器的理想基材，尤其適用于海水淡化、工業廢水處理等場景。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），竹纖維的納米結構更能降低蒸發焓至約 2000 kJ/kg（提升蒸發速率 11%），棉纖維的親水特性則進一步優化了水分擴散過程；化學纖維中，聚丙烯（PP）因低密度（0.91 g/cm3）、強耐鹽性（3.5% NaCl 中強度保持率 >95%）適合低成本大規模應用，如便攜式蒸發設備，聚苯胺（PANI）雖光熱效率高達 92%，但成本較高，主要用于高性能光熱轉換系統；無機纖維如碳纖維光吸收率達 97%（實驗室蒸發速率 3.56 kg/
m2h），適用于高效太陽能蒸發，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境中表現優異。加工工藝上，涂層法如噴涂法能快速實現纖維與光熱材料復合，制備的棉纖維-石墨烯蒸發器成本僅0.5-1.0 元/m2；原位聚合法允許精確控制負載量；靜電紡絲法雖負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。經濟成本層面，天然與合成纖維來源廣泛，加工與紡織工業兼容性強，單位面積生產成本較傳統膜法海水淡化設備降低 80% 以上，且易于規模化生產，具備顯著商業應用優勢，可快速部署于分布式水處理系統。

三、多元場景應用與技術突破

在水資源凈化領域，聚吡咯涂覆棉纖維蒸發器利用同步光熱蒸發技術高效吸收太陽能加速水分蒸發，并通過光催化降解過程有效分解有機污染物，如亞甲基藍染料，其去除效率高達95.9%，顯著提升海水淡化和污水處理效率；同時，竹纖維基蒸發器以280 g/m2/日的鹽收集速率實現淡水資源回收，并同步提取高純度鹽類產物，減少環境負擔。在能源協同生產領域，玄武巖纖維與棉紗編織的蒸發器結合熱電效應，將蒸發過程中產生的廢熱直接轉化為電能，功率密度達66.73 mW/m2，穩定為離網型水處理系統提供可再生能源支持，降低外部供電依賴。此外，極端環境適應性方面，聚丙烯纖維在-20℃低溫下維持穩定的毛細水分傳輸性能，確保在極地嚴寒環境中可靠供應淡水，適用于科考站的長期運行；而可折疊麻纖維蒸發器憑借8:1的高體積壓縮比設計，便于快速折疊運輸和現場展開，高效部署于地震或洪水等應急救災場景，及時保障清潔水源。

四、技術挑戰與發展路徑

當前技術發展面臨三大核心挑戰亟待突破：在光熱材料領域，涂層負載穩定性問題突出，需通過化學鍵合技術強化界面結合強度，例如采用硅烷類偶聯劑改性基底材料表面，從而將長期使用中的涂層脫落率從＞15%顯著降低至可控范圍；系統熱管理方面，必須優化隔熱結構，亟待開發新型二氧化硅氣凝膠與聚氨酯泡沫塑料復合隔熱層，通過納米孔隙阻隔與微氣囊協同作用，將整體熱損失率從當前30%壓縮至5%以下；針對復雜水質適應性瓶頸，需創新設計具有梯度功能的孔隙結構，典型方案包括構建內層超疏水-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晶堵塞風險，實現堵塞概率降低80%的目標。未來發展方向將聚焦跨學科深度技術融合：引入機器學習算法優化纖維基材的孔隙拓撲設計，開發具有光伏發電與蒸汽蒸發雙功能的一體化建筑外墻系統；同時亟需建立國際統一的性能評價體系，例如制定ISO標準化的太陽能蒸發效率測試方法，并借鑒光伏產業的補貼機制與并網政策推動規模化商業應用，從而加速該技術從實驗室原型向產業化市場的轉化進程。

五、結語

纖維基太陽能界面蒸發技術以自然材料為載體，以太陽能為動力，為全球水資源危機提供了兼具科學性與可行性的解決方案。從海島淡水供給到沙漠生態修復，從污水處理到能源協同生產，其應用場景的持續拓展彰顯了技術的強大生命力。隨著材料科學與工藝技術的迭代突破，這項“向陽光要水源” 的創新技術有望在未來十年內實現規模化應用，為構建水資源 - 能源 - 生態協同發展的可持續社會奠定基礎。

參考文獻：

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

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