蒸发材料丨湖北工业大学皮科武、吴攀团队WR论文：太阳能驱动屋顶雨水净化

2026年4月，国际期刊《Water Research》在线发表了题为“Solar-driven rooftop interfacial evaporation system for decentralized rainwater purification”的研究性论文。湖北工业大学皮科武、吴攀团队构建了一套太阳能驱动的屋顶原位雨水蒸发净化系统（IREPS），将屋顶雨水收集、界面蒸发和冷凝产水整合起来，形成“雨天收集、晴天净化”的分散式供水模式。《Water Research》由Elsevier出版，并与国际水协会（IWA）合作办刊，2026年6月发布的最新影响因子为12.8，主要刊登水质、水与废水处理、污染物去除、资源回收及水环境管理等方面的高水平研究成果，属于环境科学与生态学领域Top期刊与中科院1区期刊。

第一作者：胡亮

通讯作者：吴攀

通讯单位：湖北工业大学

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2026.125986

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全球淡水短缺持续加剧，而水处理基础设施分布并不均衡，偏远离网地区尤其需要低能耗、分散式的供水方案。本研究开发了一套屋顶太阳能原位雨水蒸发净化系统（IREPS），并设计了由壳聚糖和海藻酸钠构成、嵌入Fe₃O₄纳米颗粒的物理交联双网络水凝胶（CSA-Fe）。系统在雨天收集屋顶雨水，在晴天利用太阳能完成界面蒸发和冷凝回收。70天连续户外试验表明，IREPS平均产水通量为4.1 kg m⁻² d⁻¹，峰值超过6.6 kg m⁻² d⁻¹，冷凝水水质符合WHO饮用水标准。技术经济分析显示，其单位处理成本仅为3.85 USD m⁻³，低于多种已报道的雨水净化方案。为评估全球应用潜力，研究进一步构建SRPSI适宜性指数，并将多源地理与社会经济数据同机器学习结合，识别出中非、南亚和东南亚等优先部署区域。该工作展示了一种兼顾材料设计、系统集成和全球评估的实用型分散式雨水净化路径。

随着全球淡水资源短缺问题加剧，加之水处理基础设施在不同地区分布不均，偏远、干旱及离网地区的安全饮水保障仍面临现实困难。传统集中式水处理通常依赖稳定电力和复杂管网，在资源受限地区容易受到建设成本、运行能耗和维护能力的制约。雨水天然、可再生且便于通过屋顶收集，是提升区域水资源自给能力的重要补充；但未经处理的屋顶雨水可能含有颗粒物、微生物和有机污染物，无法直接作为安全饮用水。

太阳能界面蒸发能够利用太阳辐射实现水分蒸发，并将非挥发性污染物留在原水中，已在海水淡化、废水处理和非常规水资源利用中展现潜力。然而，太阳能雨水净化从实验室走向长期户外应用，仍受制于光热材料成本、系统放大、污染累积和区域适用性评估不足等问题。针对这些瓶颈，研究团队从材料、系统和部署三个层面同步推进：开发低成本CSA-Fe双网络水凝胶，搭建可连续运行的屋顶蒸发冷凝系统，并利用SRPSI与机器学习评估全球部署潜力。

1、完成太阳能驱动屋顶雨水净化系统的70天连续户外运行验证。

2、系统平均产水通量达到4.1 kg m⁻² d⁻¹，峰值超过6.6 kg m⁻² d⁻¹。

3、在无需外部能源输入的条件下，雨水处理成本低至3.85 USD m⁻³。

4、构建SRPSI适宜性指数并结合机器学习，实现全球部署潜力的数据驱动评估。

研究综合水资源压力、能源贫困、太阳辐射、降雨量和地表温度等指标构建SRPSI，识别出中非、南亚和东南亚等潜在优先区域；同时给出IREPS的整体运行逻辑，即雨天完成屋顶雨水收集与储存，晴天依靠太阳能驱动CSA-Fe蒸发器并回收冷凝水。

图1 太阳能驱动雨水净化的全球适宜性评估及系统概念示意图。（a）缺乏改良水源的人口空间分布；（b）无法获得电力的人口空间分布；（c）由水资源压力、能源贫困、太阳辐射、降雨量和地表温度构建的SRPSI及6个代表性区域；（d）IREPS系统概念示意图。

材料是系统稳定运行的基础。CSA-Fe由壳聚糖/海藻酸钠双网络负载Fe₃O₄纳米颗粒构成，可实现45 cm尺度的大面积制备。其表面致密光热层、中间多孔过渡层和底部支撑层形成梯度结构，有利于局域热量集中、连续供水和机械支撑；元素分布、三维形貌、拉伸及FTIR结果进一步证明Fe₃O₄在基体中分散均匀，并与聚合物网络形成稳定相互作用。

图2 CSA-Fe光热水凝胶的形貌与理化性质表征。（a）大尺寸水凝胶实物；（b）三层结构SEM图像；（c）EDS元素分布；（d）三维表面形貌；（e）高度轮廓；（f）拉伸应力应变曲线；（g）FTIR光谱。

当Fe₃O₄浓度为10 mg mL⁻¹时，CSA-Fe在1 Sun下的蒸发速率达到2.26 kg m⁻² h⁻¹，在250–2500 nm波段的平均吸光率达到96.9%。红外热成像与CFD模拟表明，材料可将热量集中在蒸发表面，减少向体相水的无效传热；在低光照条件下，CSA-Fe仍保持稳定蒸发，并显著提高实际雨水的冷凝水收集速率。

图3 CSA-Fe水凝胶的光热转换与蒸发性能。（a）测试装置；（b）不同Fe₃O₄浓度下的质量变化；（c）光吸收性能；（d）红外热成像；（e）温度场模拟；（f）暗态与光照下质量变化；（g）不同光强下蒸发速率；（h）冷凝集水性能。

研究团队将IREPS部署在真实屋顶环境中开展70天连续试验。系统平均产水通量为4.1 kg m⁻² d⁻¹，峰值超过6.6 kg m⁻² d⁻¹。净化后，主要离子、电导率、TOC、TDS和浊度均明显下降，pH稳定在6.5–7.5，冷凝水持续符合WHO饮用水标准。太阳能驱动冲洗模块每天对材料表面进行短时冲洗，也减缓了沉积和污染带来的性能衰减。

图4 IREPS系统户外运行与雨水净化性能。（a）屋顶现场装置；（b）蒸发—冷凝结构；（c）70天每日产水量；（d）与已报道装置的单位面积产水能力对比；（e）原始雨水与冷凝水；（f）主要阳离子浓度；（g）综合水质指标。

在工程可行性方面，CSA-Fe材料成本约为1.53 USD m⁻²，IREPS单位淡水处理成本为3.85 USD m⁻³，低于多种代表性雨水净化技术。基于70天实测数据建立的随机森林模型显示，热带和亚热带地区拥有更高的潜在产水能力，部分地区夏季日产水量可达6–8 kg m⁻² d⁻¹。模型结果与SRPSI相互补充，为系统选址和容量设计提供了数据依据。

图5 IREPS系统的技术经济分析与全球产水潜力评估。（a）CSA-Fe制备成本；（b）不同雨水净化技术的单位处理成本；（c）综合性能对比；（d）全球产水潜力分布；（e–j）6个代表性区域的夏季日产水量预测。

本研究构建了一种太阳能驱动的屋顶原位雨水蒸发净化系统（IREPS），实现了屋顶雨水收集、太阳能界面蒸发与冷凝产水的一体化运行，为离网地区提供了一种低碳分散式安全饮水解决方案。系统采用的 CSA-Fe 双网络光热水凝胶兼具高光吸收、高蒸发效率、良好机械稳定性和低成本等优势，可在无需外部电力输入条件下持续实现雨水净化。70天户外连续运行结果表明，系统平均产水通量达到4.1 kg m-2d-1，峰值超过6.6 kg m-2d-1，所得冷凝水持续满足 World Health Organization（WHO）饮用水标准，单位产水成本仅为3.85 USD m-3。进一步结合太阳能雨水净化适宜性指数（SRPSI）与机器学习预测结果发现，中非、南亚和东南亚等缺水且能源基础设施薄弱地区具有较高部署潜力。该研究为偏远离网地区雨水资源化利用、安全饮水保障以及低碳分散式水处理提供了具有实际推广前景的新路径。

Liang Hu, Huimin Yu, Xiong Yang, Shulian Wang, Yafei Shi, Zhu Li, Kewu Pi, Gary Owens, Pan Wu*. Solar-driven rooftop interfacial evaporation system for decentralized rainwater purification. Water Research 300 (2026) 125986. https://doi.org/10.1016/j.watres.2026.125986.

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撰稿：胡亮

编辑：环境与能源功能材料

审核：吴攀

第一作者：胡亮，湖北工业大学2024级环境工程专业硕士研究生，主要研究方向为光热蒸发驱动非常规水处理技术。以第一作者、第二作者在《Water Research》发表论文2篇。

通讯作者：吴攀，副教授，博士生导师，湖北省楚天学者，武汉英才优秀青年人才。聚焦太阳能驱动技术在环境修复与非常规水资源高效利用中的研究。主持国家自然科学基金青年基金一项，省级教改项目一项，省部级重点实验室开放课题2项，校企合作技术开发项目一项。发表SCI论文40余篇，其中ESI高被引文章7篇，Google Scholar他引次数3000余次。以第一/共一/通讯作者在Advanced Materials、Water Research、Trends in Chemistry等国际期刊发表SCI论文20余篇，单篇平均影响因子>10。以排名第一申请人申请国际PCT发明专利1项、国内发明专利4项。基于光热蒸发的研究成果应用被新华网（垂直农场研究工作）、ScienceDaily和美国ABC（漂浮海洋农场技术）等国内外多家媒体推送报道。曾获得南澳大学诺顿-杰克逊材料科学与工程奖章（该奖仅颁发给研究成果在工业中最有应用潜力的博士毕业生），湖北工业大学研究生教学成果特等奖1项，指导本科生获得全国大学生水利创新设计大赛一等奖1项、全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛二等奖1项。担任Nature Water、Nature Communications、Water Research等20余个期刊审稿人。

壳聚糖丨纤维素丨MOF材料丨石墨烯丨碳纳米管丨MXenes丨硫化钼丨催化材料丨蒸发材料丨吸附材料丨电极材料丨除磷材料丨产氢材料

2025年9月，国际TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》发表了阳光净水课题组题为“Multifunctional and sustainable chitosan-based interfacial materials for effective water evaporation, desalination, and wastewater purification: A review”的综述性论文。根据Web of Science检索，这是国际上首篇全面论述多功能和可持续壳聚糖基界面蒸发材料在废水处理和水净化中应用的综述性论文。本文总结了壳聚糖基太阳能界面蒸发器（CS-SIE）四种类型（水凝胶、气凝胶、海绵和膜）、五种改性材料和在水污染控制中应用。最后，总结了CS-SIEs在际应用中仍面临挑战。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化学改性及其在生物、环境、制药、食品等领域的工业应用，最新中科院分区：8.50/二区TOP期刊。

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