太陽能驅(qū)動的木基表面水蒸氣發(fā)生器的制備及性能測試1)

楊林濤 李淑君 張顯權(quán) 陳志俊

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

據(jù)了解，樹木是地球上最大的生物工廠，維持著動物和人類的生命，在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。同時木材也是地球上最豐富的可再生資源之一，具有高機(jī)械強度、低成本和良好的可加工性[10-13]。這些垂直排列的微通道賦予了木材獨特的孔徑結(jié)構(gòu)，樹木依靠木材這些孔徑結(jié)構(gòu)不斷地從土壤中吸收水分，從底部向頂部輸送，最終通過蒸發(fā)釋放到大氣中。最近報道了由天然、豐富的生物質(zhì)材料組成的水蒸發(fā)裝置的相關(guān)研究工作：火焰處理木材[14]、CNT/木材復(fù)合物[15]、表層炭化木材[16]等。

椴木是一種性能優(yōu)良的木材，其管孔均勻，極少有侵填體堵塞管孔，通量高，能夠保證滲透均勻，導(dǎo)管有螺紋加厚，支撐性能好。根據(jù)樹木的結(jié)構(gòu)啟發(fā)，本研究對椴木塊進(jìn)行了水熱炭化處理，該方法炭化均勻、溫和，降低了對木材的破壞，使其很少發(fā)生開裂和變形。通過簡單反應(yīng)過程一步法制取具有較高光學(xué)吸收及良好水輸送能力的均勻炭化木(Uniform carbonized wood，UCW)，并探索了不同時間、不同溫度對樣品性能的影響。通過光熱和水蒸發(fā)性能測試篩選出較優(yōu)條件，并使用多種方法對原木和較優(yōu)樣品進(jìn)行表征和分析，從而為均勻炭化木的高效水蒸發(fā)提供理論依據(jù)。相對于之前報道的研究來說，本研究的原材料豐富、制備過程簡單、蒸發(fā)效果顯著，可以證明均勻炭化木是一種很有前景的水蒸發(fā)材料。

1 材料與方法

實驗所需椴木塊，由杭州阿里巴巴網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司提供，面積為4 cm×2 cm，厚度為2 cm。去離子水作為反應(yīng)溶劑。

均勻炭化木的制備：將面積為4 cm×2 cm，厚度為2 cm的椴木塊放到反應(yīng)釜中，并加入30 mL去離子水，分別在100 ℃和140 ℃下反應(yīng)8 h，180 ℃下反應(yīng)3 h、5 h和8 h。反應(yīng)結(jié)束后，將樣品取出，并用100 mL去離子水沖洗表面3～5次；然后擦干表面的水，放到冷凍干燥機(jī)中凍干，即可獲得均勻炭化木(UCW)，分別記作UCW1、UCW2、UCW3、UCW4、UCW5。

樣品光熱性能測試：將干態(tài)樣品放入去離子水中充分浸濕后，在1個太陽光照強度下，用Testo869型紅外熱像儀每分鐘記錄一次樣品表面溫度的變化，持續(xù)20 min。以時間為橫坐標(biāo)，樣品的表面溫度為縱坐標(biāo)作出曲線，并分析樣品的光熱性能。

樣品水蒸發(fā)性能測試：將浸濕后的各個樣品放入盛有20 mL去離子水的燒杯中，并放置在天平上，在1個太陽光照強度下，記錄樣品和水的總質(zhì)量變化，每分鐘記錄一次，記錄60 min。以時間為橫坐標(biāo)，單位面積上的質(zhì)量變化為縱坐標(biāo)作出曲線，并求出樣品的蒸發(fā)速率。

掃描電鏡(SEM)分析：將切好的原木和UCW5在荷蘭Philips公司生產(chǎn)的FEI Sirion 200掃描電鏡下測試微觀形貌。

“思辨缺席論”者認(rèn)為在英語傳統(tǒng)教學(xué)模式的影響下，英語專業(yè)學(xué)生大部分時間都在進(jìn)行記憶、模仿等機(jī)械性學(xué)習(xí)，很少有機(jī)會或者有意識進(jìn)行批判性思考。教師們的正確引導(dǎo)會對學(xué)生的寫作能力起到很大的作用，而大部分的教師只強調(diào)模仿，忽視了學(xué)生創(chuàng)新能力、提出疑問、分析問題并解決的培養(yǎng)。一味的模仿雖然學(xué)生在寫作結(jié)構(gòu)上有了很好的提升，卻造成學(xué)生自己思辨能力的退化。因此教師要不斷更新自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)和專業(yè)素養(yǎng)，采用有效的方法培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，學(xué)生能夠養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣。

紫外-可見-近紅外分光光度計(UV-Vis-NIR)分析：將粉末狀的原木和UCW5在中國Agilent公司生產(chǎn)的Cary 5000紫外-可見-近紅外分光光度計下，測試370～1 400 nm波長范圍內(nèi)的光吸收情況。

X射線光電子能譜(XPS)分析：采用美國Thermo公司生產(chǎn)的PHI5700型X射線光電子能譜分析儀，測量了原木和UCW5的C、O元素。

接觸角分析：采用德國Krüss的DSA25液滴形狀分析儀，使用5 μL液滴體積，在室溫下測量UCW5弦切面的接觸角情況。

熱重(TG)分析：采用德國Netzsch公司生產(chǎn)的STA449 F3型熱重差熱綜合分析儀，測量原木和UCW5的熱穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與分析

2.1 均勻炭化木的性能測試

在1個太陽光照強度下照射20 min后，UCW1、UCW2和UCW5的表面溫度基本穩(wěn)定不變，分別由17.9 ℃，17.4 ℃和17.8 ℃的初始溫度穩(wěn)定在29.9 ℃，31.6 ℃和33.7 ℃，分別升高了12 ℃，14.2 ℃和15.9 ℃(如圖1a)。同樣在1個太陽光照強度下照射20 min后，UCW3從17.5 ℃升高到31.9 ℃，UCW4從17.4 ℃升高到32.6 ℃，UCW5從17.8 ℃升高到33.7 ℃，分別升高了14.4 ℃，15.2 ℃和15.9 ℃(如圖1b)。結(jié)果表明：與其他反應(yīng)條件下的樣品相比，UCW5的光熱轉(zhuǎn)化效果較好。

在1個太陽光照強度下，UCW1、UCW2和UCW5蒸發(fā)速率分別為1.15、1.28和1.62 kg·m-2·h-1(如圖2a)，與UCW1和UCW2相比，UCW5的蒸發(fā)速率分別增長了40.87%和26.56%。UCW3、UCW4和UCW5蒸發(fā)速率分別為1.41、1.53和1.62 kg·m-2·h-1(如圖2b)，與UCW3和UCW4相比，UCW5的蒸發(fā)速率分別增長了14.89%和5.88%。結(jié)果表明：與其他反應(yīng)條件下的樣品相比，UCW5的蒸發(fā)速率較高，水蒸發(fā)性能較好。

2.2 均勻炭化木的結(jié)果表征

2.2.1 SEM分析

為了探究原木和UCW5內(nèi)部形貌和結(jié)構(gòu)的變化，對原木和UCW5的橫、弦切面進(jìn)行了SEM分析。從原木和UCW5的橫切面SEM可以看出，木材炭化處理后仍然保留了木材本身的結(jié)構(gòu)，比如一些導(dǎo)管及管胞，這些通道有利于水的輸送，并且UCW5的整體形貌保存完好、無碎裂情況發(fā)生(圖3a、3c)。從原木和UCW5的弦切面SEM可以看出，在UCW5的導(dǎo)管中有一些球狀物，可能是高溫反應(yīng)下，木材中的一些糖類被降解(圖3b、3d)。

a.原木橫切面；b.原木弦切面；c.UCW5橫切面；d.UCW5弦切面；刻度尺=40 μm。

圖3原木和UCW5的SEM圖

2.2.2 UV-Vis-NIR分析

為了探索原木和UCW5的光學(xué)性質(zhì)，由圖4中原木和UCW5的UV-Vis-NIR圖可以看出，在380～780 nm可見光范圍內(nèi)，原木光吸收率在30%左右。經(jīng)過水熱炭化處理后的UCW5，表面顏色加深，光吸收率明顯提高，達(dá)到60%左右，是原木的兩倍。在780～1 400 nm的近紅外光范圍內(nèi)，UCW5的光吸收率也明顯高于原木的光吸收率。結(jié)果表明：與原木相比，UCW5的光吸收率明顯提高、光吸收能力明顯增強，為光熱轉(zhuǎn)化的進(jìn)一步實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

2.2.3 XPS分析

為了明確水熱炭化處理對木材化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響，對原木和UCW5進(jìn)行了XPS分析。從原木總峰和UCW5總峰的對比可以看出，經(jīng)過水熱炭化處理后，UCW5的C、O元素的比例明顯降低，更有利于與水形成氫健，促進(jìn)水的吸收。這種結(jié)果可能歸因于，高溫水熱處理過程使木材中部分組分發(fā)生水解，而炭化由于條件較溫和、脫水炭化不足(圖5a，5d)。

在原木和UCW5的C1s分峰擬合中，一共分出4種類型的C峰，大約分別在284.8、286.3、288和289.1 eV處，對應(yīng)著—C—H/—C—C、—C—O—C/—C—O—H、—CO/—O—C—O—和—O—CO這4種不同類型的C，分別記為C1、C2、C3、C4[17]。C1的譜峰主要來自于具有木質(zhì)素的苯基丙烷結(jié)構(gòu)以及脂肪酸、脂肪、蠟等碳?xì)浠衔锖洼祁惢衔锏饶静某樘嵛?；C2的譜峰主要來源于纖維素、半纖維素,以及木質(zhì)素等分子中與單個氧相連的碳原子；而纖維素和半纖維素分子中的縮醛結(jié)構(gòu)和木質(zhì)素中的羰基具有C3結(jié)構(gòu)特征；半纖維素分子中的乙酰基、葡萄糖醛酸基和抽提物樹脂酸、脂肪酸等物質(zhì)具有C4結(jié)構(gòu)特征。比較原木和UCW5的C1s峰可以發(fā)現(xiàn)，在原木中C1的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于C2的含量，而在UCW5中C1的數(shù)量只是略高于C2的含量，分析其中原因，可能是水熱處理使木材組分發(fā)生水解，使得—C—H/—C—C的數(shù)量減少，—C—O—C/—C—O—H的數(shù)量增加，進(jìn)一步增加了親水性基團(tuán)的比例(圖5b、5e)。

在原木和UCW5的O1s分峰擬合中，大約在531.5、532.8和533.4 eV處分出3種不同類型的O峰，分別記為O1、O2和O3，分別對應(yīng)—CO、—C—O—C/—C—O—H和Ar—O[18]。從原木和UCW5的O峰對比可以看出，原木中O2和O3的數(shù)量基本持平，而在UCW5中O2的數(shù)量明顯增加，與C峰的結(jié)果一致(圖5c，5f)。

2.2.4 接觸角分析

通過接觸角分析來探究UCW5的親水性，結(jié)果如圖6所示。當(dāng)5 μL的水滴剛剛滴在UCW5弦切面上時，接觸角為40°，4 s之后，水滴被完全吸收了。同樣5 μL的水滴剛剛滴在原始椴木弦切面上時，接觸角為81°，6 s之后，接觸角變?yōu)?5°[19]。對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過水熱炭化處理的UCW5，比原木具有更好的親水性，更有利于對水的吸收和輸送，進(jìn)一步為UCW5的水蒸發(fā)提供了充足的水源供應(yīng)。

2.2.5 TG分析

根據(jù)原木的TG/DTG曲線可以看出，原木的熱解過程基本分為3個階段。第一階段為45～240 ℃，該階段處于部分熱降解及水分蒸發(fā)狀態(tài)；在低溫時，蒸發(fā)游離水及物理吸附水，隨著溫度的升高開始失去結(jié)晶水，進(jìn)而內(nèi)部開始發(fā)生熱解反應(yīng)。第二階段為240～350 ℃，主要為原木的加速熱解階段；該階段纖維素發(fā)生降解，同時伴隨著半纖維素的大量熱降解，于是分解速率隨溫度的升高而加快，到350 ℃是達(dá)到最大值。第三階段為350～530 ℃，此階段原木中纖維素已大部分發(fā)生降解，只剩下少量的纖維素繼續(xù)發(fā)生熱解反應(yīng)，分解速率隨溫度的升高而減緩，到530 ℃時分解結(jié)束(圖7a，7b)。

與原木相比，UCW5的熱重曲線與較大的不同，3個階段的溫度分別是45～288 ℃、288～350 ℃和350～598 ℃。第一階段(45～288 ℃)也是由水分蒸發(fā)和部分熱降解引起的質(zhì)量損失，降解過程較為緩慢。第二階段(288～350 ℃)為UCW5的主熱解階段，UCW5的分解速率隨著溫度的升高而加快，在350 ℃時達(dá)到最大值。第三階段(350～598 ℃)為UCW5的降速熱解階段，一直到598 ℃時UCW5才降解完全。相比較而言，盡管UCW5最大熱解速率較大，但是UCW5的主熱解階段(288～350 ℃)相對于原木(240～350 ℃)來說窄很多。原木在530 ℃時就完全分解，而UCW5最終結(jié)束溫度可以達(dá)到598 ℃。因此，UCW5的整體熱解速率偏低，熱穩(wěn)定性相對較好(圖7a，7b)。

3 結(jié)論

椴木塊以去離子水為溶劑，在均相反應(yīng)釜中，100、140 ℃下反應(yīng)8 h，180 ℃下反應(yīng)3、5和8 h，得到5種均勻炭化木，分別記作UCW1、UCW2、UCW3、UCW4、UCW5。通過光熱和水蒸發(fā)性能測試表明，UCW5的光熱和水蒸發(fā)性能較好，在1個太陽光照強度下，浸濕的UCW5在20 min之后可以升高15.9 ℃。并且在1個太陽光照強度下，UCW5的水蒸發(fā)速率為1.62 kg·m-2·h-1，明顯高于其他樣品?？梢缘贸觯涸诒狙芯康臈l件中，反應(yīng)溫度180 ℃，反應(yīng)時間8 h的條件較優(yōu)，樣品性能也較好。

SEM、UV-Vis-NIR、XPS、接觸角和TG分析結(jié)果表明：水熱炭化處理得到的樣品，保留了原始椴木基本的形貌和結(jié)構(gòu)，但由于高溫炭化處理，導(dǎo)致表面顏色變深，內(nèi)部部分糖類降解，并且反應(yīng)過程發(fā)生水解，而脫水炭化不足，C、O元素比例下降，親水基團(tuán)相對含量增加，這使得UCW5的光吸收性能以及親水性能進(jìn)一步增強，更有利于UCW5對水分的輸送和蒸發(fā)。而且UCW5主熱解階段相對較窄，總熱解速率相對較低，具有一定的熱穩(wěn)定性。研究結(jié)果進(jìn)一步證明了UCW5可以作為一個很好的光熱轉(zhuǎn)化材料，在水蒸發(fā)方面有巨大的應(yīng)用價值。