新疆大学朱若斐副教授团队《Desalination》：咖啡渣和酱油“长”出蘑菇状蒸发器，太阳光驱动海水变淡水

废弃咖啡渣基纳米纤维素与天然类黑精协同构筑仿生气凝胶，用于太阳能驱动海水淡化

一杯咖啡喝完，咖啡渣通常被作为厨余垃圾丢弃，如何废物利用高值化是个有趣的课题。研究团队从咖啡渣中提取纳米纤维素晶体，再受美拉德反应启发，引入酱油中的类黑精富集组分，构建了一款蘑菇状太阳能蒸发器。太阳光能否驱动这款无额外引入光热材料的器件持续蒸发，并用于海水淡化和废水净化？

围绕这些问题，新疆大学朱若斐副教授、王丹副教授团队从废弃咖啡渣中提取纳米纤维素，并引入酱油中的类黑精富集组分，构建生物质基多孔气凝胶。随后，团队借鉴蘑菇的“菌盖—菌柄”结构，将气凝胶与棉芯和隔热支撑整合，制备蘑菇状蒸发器MS-CGF@SS，让光热转换、毛细供水与热管理在同一器件中协同工作。相关研究成果以“Bioinspired nanocellulose aerogel from spent coffee grounds and natural melanoidins for solar-driven desalination”为题，发表于《Desalination》2026, 640, 120716。

为什么要做成“蘑菇状”？

蘑菇的菌盖和菌柄具有不同的结构特征。研究团队将这一形态转化为蒸发器中的功能分区：上方的复合气凝胶作为“菌盖”，承担吸光和界面蒸发；下方的棉芯作为“菌柄”，通过毛细作用从水体持续输水；聚苯乙烯泡沫则为器件提供支撑和隔热。菌柄较小的横截面积可减少蒸发层与主体水之间的直接热接触，有助于降低热量向体相水传递的损失，并通过能量守恒定律进行了验证。气凝胶内部的多孔结构则有助于水分分布和蒸汽逸出。

图1 材料构筑与结构表征。

咖啡渣纤维素与酱油组分，如何形成复合网络？

研究首先从废弃咖啡渣中分离纤维素并制备纳米纤维素晶体，再通过高碘酸钠氧化引入醛基。复合过程中，团队受到美拉德反应黑色物质的启发，使用商业酱油利用其中的类黑精和丰富的氨基化合物进行席夫碱反应交联，不仅避免了使用昂贵的光热纳米材料还实现了生物质材料的高值化利用。醛基化纳米纤维素提供结构骨架；酱油来源组分带来光吸收能力，并通过其中的含氨基组分参与网络构建；海藻酸钠和聚乙烯醇进一步增强复合网络。此外，借助于多次冻融处理、Ca²⁺离子交联、席夫碱反应，以及氢键和静电相互作用共同支撑气凝胶稳定的力学结构。

图2 咖啡渣及酱油复合组分与化学相互作用表征。

宽谱吸光，为界面蒸发提供热量

与不含酱油组分的对照气凝胶相比，加入酱油来源组分后，复合气凝胶在300–1400 nm波段的吸收率超过95%。在湿态、1.0 sun照射条件下，复合气凝胶表面温度在5 min内由17 ℃升至28 ℃，高于对照气凝胶同期约21 ℃的表面温度。结果显示，酱油来源的类黑精富集组分有助于增强材料对太阳光的吸收和光热响应。在此基础上，研究团队将复合气凝胶与棉芯、隔热支撑组装成完整蒸发器。1.0 sun模拟太阳光下，蒸发器的净蒸发速率达到2.996 kg m⁻² h⁻¹。该数值扣除了相同系统在无光条件下的暗蒸发贡献。按论文所述方法计算，太阳能-蒸汽转换效率为89.3%。蒸发速率随光强增加而提高；循环蒸发测试中，器件保持了稳定表现。

图3 光吸收、光热响应与蒸发性能。

从模拟盐水到真实海水，考察脱盐表现

在10 wt%模拟盐水中，小蘑菇蒸发器的蒸发速率达到2.67 kg m⁻² h⁻¹。针对真实黄海海水的测试显示，蒸发冷凝水中的SO₄²⁻、Na⁺、Mg²⁺和Ca²⁺浓度较原海水中的相应浓度显著降低。研究还将0.5 g NaCl直接放置在蒸发面上。持续供水过程中，盐逐渐溶解，10 min后表面未见明显残留。论文将这一自溶盐行为与棉芯持续供水及气凝胶孔道内的水分再分布联系起来。除海水淡化外，研究团队还测试了蒸发器对染料溶液和印染废水的处理表现。活性橙和亚甲基蓝溶液经蒸发冷凝后，冷凝水中的特征吸收峰几乎消失。两种真实印染废水样品处理后，研究测得的多项水质指标明显下降，论文报告冷凝水中相关指标均低于20 mg L⁻¹。

图4 模拟盐水、真实海水及印染废水处理结果。

分子作用与热管理，提供机理线索

为进一步分析复合网络中的分子相互作用，研究选取赖氨酸和天冬氨酸残基作为酱油来源类黑精富集组分的代表性结构单元，结合分子静电势和结合能计算进行讨论。计算结果显示，赖氨酸/天冬氨酸残基与海藻酸钠的模型体系具有较强的相互作用。此外，COMSOL热传递模拟显示蒸发器在运行过程中存在空间温度差异。结合实验测得的蒸发层表面温度29.0 ℃和主体水温度17.7 ℃，结果与器件具备界面热局域特征相一致，进一步论证了环境能量效应。论文认为，增强蒸发表现主要来自光热转换、界面热局域、减少热耗散及连续毛细供水等因素的协同作用。

图5 分子相互作用模型与热分布模拟。

户外自然光下，蒸发器能否持续运行？

研究团队进一步在户外自然光条件下开展测试。晴天连续运行10 h，蒸发速率处于1.81–2.92 kg m⁻² h⁻¹，平均约2.50 kg m⁻² h⁻¹；阴天测试的平均蒸发速率约为1.58 kg m⁻² h⁻¹。自然光照下，冷凝罩内壁在5 min后出现雾化和水滴，显示蒸汽产生并被冷凝收集。另在1.0 sun下，器件分别在纯水和10 wt%模拟海水中进行了80 h连续蒸发测试，并保持稳定表现。

图6 户外自然光蒸发测试。

结语

这项研究将咖啡渣来源的纳米纤维素晶体、酱油来源的类黑精富集组分与蘑菇状器件结构结合起来：复合气凝胶负责吸光并形成蒸发界面，棉芯提供毛细供水，隔热支撑帮助减少向主体水的热量传递。“小小的蘑菇”展示了一种生物质组分与器件结构协同设计的太阳能蒸发器，为海水淡化和废水净化提供了新的材料构筑思路。后续工作还可进一步评估原料组成波动、长期户外耐久性、集水效率和规模化制备。

论文信息

该研究成果发表于Desalination：“Bioinspired nanocellulose aerogel from spent coffee grounds and natural melanoidins for solar-driven desalination”（DOI：10.1016/j.desal.2026.120716）

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.desal.2026.120716

作者介绍

朱若斐副教授：新疆大学纺织与服装学院纺织系主任，硕士生导师，绿色低碳清洁染整技术新疆大学创新团队负责人，中国纺织工程学会环保与印染专业委员会委员，入选新疆维吾尔自治区“天池英才”省级人才项目。研究方向聚焦太阳能界面蒸发技术及功能纤维材料开发。主持新疆维吾尔自治区重点研发专项、自然科学基金青年基金、国家重点实验室开放课题、师市揭榜挂帅科技项目等。发表SCI论文20余篇，授权发明专利6项，其中欧洲发明专利1项。

王丹副教授：新疆大学纺织与服装学院硕士生导师，入选新疆维吾尔自治区“天池英才”省级人才项目。研究方向聚焦天然纤维酶法催化染色与功能化改性；罗布麻环保脱胶技术及生物质纤维资源开发。主持/参与新疆维吾尔自治区重点研发专项、科技援疆计划、自然科学基金青年基金、高校科研计划、企业联合横向项目、新疆大学博士科研启动基金等多项科研项目。发表核心以上学术论文30余篇。