全球水危机日趋严峻，全球有80个国家和地区，覆盖约40%的世界人口（约15亿人）正面临严峻的淡水短缺问题。预计到2090年，其缺水区域将超过亚洲的两倍，尤其是东非、西非和北非等经济欠发达地区。大气中蕴藏着12900立方公里的水资源，约占全球淡水资源的10%，开发高效的大气水收集（AWH）技术有望缓解水资源短缺问题。然而在传统SAWH系统中，解吸环节存在显著的能量浪费问题。剩余热量通过对流和辐射等迅速散失，从而导致系统效率低下。尽管现有的热管理策略通过优化热回收和减少热损失取得了一定进展，但仍未能有效回收这些低品位余热。

针对该问题，东北林业大学韩广萍、程万里团队联合不列颠哥伦比亚大学Orlando J Rojas教授与南京林业大学岳一莹副教授提出了一种基于层间传热的废热回收策略，巧妙地在上下吸附床之间建立高效的导热界面，将上层吸附床解吸过程中产生的废热传递至下层吸附剂，实现热能的二次利用。为了提升热管理效率，研究团队依托木质素自身特性，制备了一种将光热转化与结构支撑集成于一体的大孔木质素吸湿凝胶。该取水系统的产水量相较于单层装置提高了1.66倍，热能利用效率提升至48.4%。通过交替使用吸附室和解吸室，系统可高效连续运行，日产水率为1439mL_waterm_solar^-2。该研究将“废弃生物质转化”与“低品位太阳能利用”两大方向相结合，有望为偏远地区和缺水区域提供一种可持续、低成本的供水方案，减轻当地对传统水资源的依赖。相关研究以“PhotothermalMacroporousLigninCryogelsfor Off-Grid, Continuous Atmospheric Water Collection via Interlayer Heat Recovery”为题，发表于《Advanced Functional Materials》期刊，东北林业大学博士研究生颜婕为第一作者，韩广萍教授、程万里教授、Orlando J Rojas教授及岳一莹副教授为共同通讯作者。

pH再生诱导的木质素结构重构与光热效率跃迁

该研究采用pH调控的再生策略促进废弃硫酸盐木质素分子中β-O-4键的解构与重构，增强木质素分子间的π-π相互作用。这一结构变化不仅优化了木质素的分子结构，还显著提升了其光热转换效率。在标准太阳光照条件下，再生木质素的光热转换效率从45.8%提高至56.1%。同时，依托再生木质素作为凝胶单体，利用其活性基团与聚乙二醇二缩水甘油醚（PEGDE）交联，构建一个三维网络结构的木质素基水凝胶体系。

图1.再生木质素的光热性能及其凝胶形成机制

大孔拓扑结构木质素基冷冻凝胶的构建

该木质素基水凝胶利用再生过程中暴露的大量酚羟基，使其平衡溶胀率从169%提升至861%，溶胀扩散系数高达0.00354 cm²/min。在随后的冷冻干燥过程中，再生木质素作为刚性骨架有效抑制了凝胶收缩与孔隙坍塌，从而完整保留了高度互连的大孔网络结构，其孔径主要分布在120–180μm范围内。此外，大孔木质素基冷冻凝胶即使在弱光条件下（0.5 sun），光热温度依然能达到约55℃。

图2.再生木质素凝胶的润涨性能及孔径分布

快速的吸附/解吸动力学

基于其互连的大孔结构及高效的光热转换能力，该吸湿凝胶在宽湿度范围（20~80% RH）与多级太阳辐照条件下，展现出快速吸附/解吸动力学行为。其水吸附容量稳定维持在0.81–2.54 gg^-1。在半干旱至湿润环境下，其吸附扩散系数（D_ab）从9.07 × 10⁻⁴cm² h⁻¹增加到2.59 × 10⁻³cm²h⁻¹。解吸过程中，在0.5和1 sun照射强度下，凝胶分别需120与78min即可释放80%以上的吸附水。同时，该吸湿凝胶在1.9 kPa与4.2 kPa两个典型水蒸气分压下，总解吸温度为85 °C和75 °C。经过20次吸附/解吸循环测试，该材料依然保持高度稳定的吸湿能力，整体性能超越当前报道的大多数凝胶类吸附剂。

图3.吸湿凝胶的吸附/解吸性能及动力学

可回收废热集水装置的设计与应用

为了提高热能利用率和集水性能，该研究设计了一种基于层间传热的太阳能驱动表面吸附式水收集器（SAWH），在上下吸附床之间建立高效的导热界面。这种结构能够将上层吸附床解吸过程中产生的废热传递至下层吸附剂，从而实现热能的二次利用。与传统SAWH装置中解吸过程中大量热损失无法回收不同，该系统的日均产水量提高了1.49倍，能量利用效率提升至48.4%。

图4.集水装置的设计与能量利用率

集水装置的实际应用

废热回收技术的集水装置在哈尔滨地区进行了连续8小时户外测试。结果表明，该系统日产水量为1439mL_waterm_solar^-2，比单层系统提高了31.7%。相比之下，传统的单层系统仅依靠顶层进行水分解吸，其单位面积日产水量为1063.04mL_waterm_solar^-2，尽管基于质量的效率近似，但整体产水能力显著较低。此外，ICP-MS分析表明收集水中的离子浓度符合WHO饮用水标准。

图5.户外水收集性能测试

总结：

该研究通过精准设计废弃木质素的分子结构，调控了水凝胶的润涨行为和光热转换能力，构建了兼具大孔拓扑结构和优异光热转化性能的木质素气凝胶。在此基础上，基于层间热传递策略设计了具有高效余热回收的滚筒式太阳能驱动的取水装置，有效地将热能从上层吸附剂传递到下层吸附剂，从而驱动下层吸附剂的水释放。本研究提出的余热回收装置设计策略为助力干旱及偏远地区分散式供水系统的发展、缓解全球水资源短缺问题提供了可行的解决方案。

第一作者简介

颜婕，东北林业大学木材科学与技术学科博士研究生，师从韩广萍教授（导师）。目前，主要围绕生物质固废的智能材料设计与功能化利用展开研究，推动废弃资源向高端器件的转化。以第一/共同第一作者在Nature Communications、Advanced Functional Materials、Chemical Engineering Journal、Composites Science and Technology等期刊上发表SCI论文6篇。