基于碳納米管-聚乙烯醇水凝膠的太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)性能研究

晏 哲，牛曉娟，李浩然，洪文鵬，李 艷，李博宇

(東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

淡水資源對人類的生存與發(fā)展有著不可或缺的作用[1]，近幾年由于環(huán)境污染等因素導(dǎo)致偏遠(yuǎn)干旱地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的淡水短缺問題[2].為了解決這一問題，近年來研究學(xué)者發(fā)展了一種新型水處理技術(shù)-太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)技術(shù).通過利用可再生太陽能源[3-6]，提升水的蒸發(fā)速率，獲取符合人類飲用標(biāo)準(zhǔn)的淡水.早期該技術(shù)主要采用體積加熱方式加速蒸發(fā)，但該方法存在能量損耗大、蒸發(fā)速率低等問題.為了提升蒸發(fā)效率，Ghasemi等[7]使用一種可飄浮在空氣-水界面的蒸發(fā)器，通過蒸發(fā)器表面與入射太陽光之間的相互作用，將入射的太陽能轉(zhuǎn)換為熱能并加熱蒸發(fā)器表面及內(nèi)部的水.該方法的優(yōu)勢在于蒸發(fā)過程中避免了整體水被加熱，實現(xiàn)了蒸發(fā)表面能量的高度集中.通過使用全光譜吸收材料并采取有效措施減少能量損失，可以極大限度地提升蒸發(fā)器的光熱轉(zhuǎn)換效率.

由于光吸收材料在太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)技術(shù)中起到至關(guān)重要的作用，對光吸收材料的廣泛研究加快了該領(lǐng)域的發(fā)展.在現(xiàn)有研究中，光吸收材料主要可分為三類：金屬納米顆粒[8-11]、半導(dǎo)體材料[12-13]，以及碳基材料[14-16].金屬納米顆粒被選作吸光材料主要是由于其表面產(chǎn)生的等離激元共振效應(yīng)，即入射的太陽光頻率與金屬材料固有頻率發(fā)生共振時產(chǎn)生的震蕩作用可以提升材料的光熱轉(zhuǎn)換性能.由于具有等離激元共振效應(yīng)的金屬納米顆粒成本偏高，并且在長時間光照下容易發(fā)生腐蝕，故其實際應(yīng)用的可拓展性較差.相對于金屬納米顆粒，半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢是成本較低、穩(wěn)定性較好，但由于其光譜吸收性能較差，通常光熱轉(zhuǎn)換效率最低.相比于前兩種材料，碳基材料由于具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性、成本低廉、易獲取、寬波段光譜吸收性能等優(yōu)勢，已成為最有潛力的光吸收材料.例如，Higgins等[14]利用碳纖維、Gong等[15]利用碳海綿均在1倍標(biāo)準(zhǔn)太陽強(qiáng)度下獲得了較高的蒸發(fā)效率，制造了可重復(fù)利用、廉價、高效的太陽能吸收器.為了進(jìn)一步提升光熱轉(zhuǎn)換能力，Ghafurian等[16]將木材通過表面改性、激光碳化和金納米薄膜的沉積處理，在3倍標(biāo)準(zhǔn)太陽強(qiáng)度下獲得了4 kg·m-2·h-1的蒸發(fā)速率.李秀強(qiáng)[17]以二維氧化石墨烯薄膜為光吸收材料，獲得了約80%的光熱轉(zhuǎn)換效率.

另一方面，在眾多的蒸發(fā)器基底材料中，聚乙烯醇(PVA)水凝膠因其良好的生物相容性、優(yōu)異的親水性能和力學(xué)性能而引起了學(xué)者關(guān)注.例如：Zhao等[18]通過冷凍干燥法制備了多孔PVA水凝膠，將微納尺度的分級結(jié)構(gòu)水凝膠作為太陽能蒸發(fā)器，PVA水凝膠分子鏈消除了具有局域加熱功能的蒸發(fā)器的對流熱損失.此外，水凝膠分子鏈上的親水基團(tuán)可以有效的結(jié)合水分子形成水簇，將水分子分成結(jié)合水、中間水和自由水三種形態(tài)，水凝膠獨特的內(nèi)部分級網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使水的蒸發(fā)焓降低，加速了水蒸發(fā).在此基礎(chǔ)上，Zhou等[19]在PVA水凝膠的制備過程中加入了殼聚糖，通過殼聚糖分子鏈上的親水基團(tuán)進(jìn)一步提升水凝膠內(nèi)部中間水的比例，獲得了更快的蒸發(fā)速率.采用冷凍干燥法制備太陽能吸收體的局限性在制備工藝復(fù)雜且周期較長.為了簡化材料制備工藝，Liang等[20]采用聚吡咯為光吸收材料，通過酵母發(fā)酵法制備了多孔PVA水凝膠，并且水凝膠的孔徑可以通過改變酵母及葡萄糖的含量和發(fā)酵時間調(diào)節(jié)，在1倍標(biāo)準(zhǔn)太陽強(qiáng)度下取得了較高的蒸發(fā)速率和光熱轉(zhuǎn)換效率.

本文結(jié)合酵母發(fā)酵和凍融循環(huán)法，制備了CNT-PVA水凝膠.CNT的光譜吸收率較高，且其較大的比表面積和表面疏水性對水中共存的有機(jī)污染物具有很強(qiáng)的吸附能力；而PVA水凝膠具有無毒性、導(dǎo)熱系數(shù)低及水輸運(yùn)能力強(qiáng)等優(yōu)點.將具有寬光譜吸收性能的光吸收材料CNT與輸水性能良好的PVA水凝膠復(fù)合后應(yīng)用于太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)系統(tǒng)，在1倍標(biāo)準(zhǔn)太陽強(qiáng)度下實現(xiàn)了1.43 kg·m-2·h-1的蒸發(fā)速率和92.4%的光熱蒸發(fā)效率.此外，CNT-PVA水凝膠制備成本低，上述優(yōu)勢使其在太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)中展現(xiàn)了較大的應(yīng)用潛力.

1 實驗方法介紹

1.1 化學(xué)試劑

PVA(醇解度：99.0mol%～99.4 mol%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，石墨化多壁CNT(>99.9%，內(nèi)徑5 nm～10 nm，外徑10 nm～20 nm，長度10 μm～30 μm，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，酵母(安琪酵母股份有限公司)，葡萄糖(重慶和平制藥有限公司).

1.2 CNT-PVA水凝膠制備

將4 g PVA、150 mg CNT、300 mg葡萄糖加入16 mL水中超聲處理20 min；然后在水浴溫度為95 ℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中攪拌加熱90 min，轉(zhuǎn)速為20 rpm；隨后取出樣品室溫冷卻30 min；冷卻過程中另取1 g酵母加入3 mL水中，攪拌至酵母完全溶解；然后將1 mL酵母溶液加入CNT-PVA混合溶液中攪拌均勻，并在40 ℃環(huán)境中恒溫發(fā)酵40 min；隨即將樣品放置于-18 ℃冰箱冷藏12 h、室溫解凍6 h，凍融過程結(jié)束后制得CNT-PVA水凝膠，其厚度為10 mm.此外，本文通過上述相似方法制備了不含CNT的PVA水凝膠作為對照組.

1.3 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計

用于太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)性能研究的蒸發(fā)器如圖1所示.首先將1.2節(jié)制備的CNT-PVA水凝膠在足量的水中浸泡2 h，使其充分膨脹，然后將其裁剪為與玻璃容器內(nèi)徑相等的圓柱體結(jié)構(gòu)(44 mm)，隨后將其置于充滿室溫自來水的玻璃杯表面并擦干溢出的水分.蒸發(fā)過程中，CNT-PVA水凝膠內(nèi)部豐富的孔隙結(jié)構(gòu)可使體相水在毛細(xì)力作用下從水凝膠的底部和側(cè)面輸送至上表面，為蒸發(fā)過程源源不斷的提供水分.

圖1 CNT-PVA水凝膠蒸發(fā)器原理圖

1.4 太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)實驗介紹

太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)實驗原理如圖2所示，首先采用標(biāo)準(zhǔn)太陽能電池(RCCN，北京中教金源科技有限公司)將蒸發(fā)面高度的光照強(qiáng)度校正為1 kW·m-2，校正完成后在太陽光模擬器(7LS1003A，北京賽凡光電儀器有限公司)正下方放置電子天平(SQP，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)，隨后將1.3節(jié)所述蒸發(fā)器置于電子天平上進(jìn)行蒸發(fā)實驗.連續(xù)光照過程中每隔30 s記錄電子天平上的顯示數(shù)據(jù)(即蒸發(fā)總量)，并自動傳輸?shù)接嬎銠C(jī)數(shù)據(jù)表中；同時通過紅外熱像儀(T250，美國FLIR SYSTEMS公司)實時監(jiān)測蒸發(fā)過程樣品的溫度分布.根據(jù)穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)速率可計算光熱蒸發(fā)效率[7]：

圖2 太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)實驗裝置圖

(1)

hlv=λlv+CpΔT，

(2)

公式中：λlv為大氣壓力下水的汽化潛熱(2.257 MJ·kg-1)；Cp為水的比熱容(4.2 kJ·kg-1·K-1)；ΔT為表示水的溫升(K).

2 結(jié)果與討論

2.1 太陽能吸收器物性測量

在太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)過程中，吸光材料的光譜吸收性能和水輸運(yùn)能力是影響蒸發(fā)性能的主要因素[22].為了表征光學(xué)性能，采用紫外-可見-近紅外分光光度計測量了300 nm～2 500 nm波長范圍內(nèi)CNT-PVA與PVA水凝膠的反射光譜及透射光譜.并根據(jù)下式計算樣品的光譜吸收特性：

A(λ)=1-R(λ)-T(λ)，

(3)

公式中：A(λ)、R(λ)、T(λ)分別為吸光材料的光譜吸收率、反射率及透射率；λ為太陽光波長.

根據(jù)圖3可知，PVA水凝膠的太陽光反射率及透射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CNT-PVA水凝膠，PVA水凝膠在300 nm～1 500 nm之間的太陽光吸收能力較弱，而CNT-PVA水凝膠的太陽光反射率很小，并且透射率幾乎為零，證明了CNT具有非常優(yōu)異的太陽能吸收性能.通過積分計算得出CNT-PVA水凝膠的吸收率達(dá)到97.0%.

圖3 300～2 500 nm波段內(nèi)(a) PVA和(b) CNT-PVA水凝膠的光學(xué)性能

為了驗證CNT-PVA水凝膠的水輸運(yùn)性能，對其孔隙率及親水性進(jìn)行了測試.孔隙率通過吸水前后的單位體積比重進(jìn)行測量，實驗方法為：將CNT-PVA水凝膠充分吸水后稱重，然后將其在室溫干燥2天，測得干燥后的CNT-PVA水凝膠質(zhì)量.結(jié)果表明，充分吸水和干燥CNT-PVA水凝膠的比重分別為0.854和0.144，如圖4(a)所示，由此可得CNT-PVA水凝膠的孔隙率為71%.CNT-PVA水凝膠的親水性通過接觸角測量儀測量，如圖4(b)所示.當(dāng)7 μL液滴滴入CNT-PVA水凝膠表面時，在21 ms內(nèi)迅速在CNT-PVA水凝膠表面鋪開，證明了CNT-PVA水凝膠具有優(yōu)異的親水性.因此，CNT-PVA水凝膠由于其內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)及親水性可以為蒸發(fā)過程提供良好的水輸運(yùn)及蒸汽逃逸通道，確保蒸發(fā)過程持續(xù)不斷的水供給.

圖4 CNT-PVA水凝膠的水輸運(yùn)性能

2.2 太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)性能

為了測試CNT-PVA水凝膠的太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)性能，在1倍標(biāo)準(zhǔn)太陽強(qiáng)度下記錄了其溫度及蒸發(fā)量變化，以此計算蒸發(fā)過程中的穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)速率與效率，并以PVA水凝膠和純水蒸發(fā)為對照實驗.圖5(a)為1倍標(biāo)準(zhǔn)太陽強(qiáng)度下CNT-PVA、PVA水凝膠及純水系統(tǒng)的單位面積蒸發(fā)量隨時間的變化關(guān)系，在蒸發(fā)過程中，由于入射的光子被系統(tǒng)接收后轉(zhuǎn)換成熱能，并為水蒸發(fā)提供所需能量.因此，隨著時間的增長，系統(tǒng)收集的光子逐漸累積，整體溫度逐漸升高，系統(tǒng)的散熱損失、水分蒸發(fā)及收集光子能量逐漸趨于動態(tài)平衡(光照約20 min后)，此時可認(rèn)為整個系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)階段.

圖5 在1倍標(biāo)準(zhǔn)太陽強(qiáng)度下水、PVA和CNT-PVA蒸發(fā)器(a)單位面積蒸發(fā)量(b)表面溫度隨輻照時間的變化關(guān)系

根據(jù)水的單位面積蒸發(fā)量與時間關(guān)系分析可得，在1倍標(biāo)準(zhǔn)太陽強(qiáng)度下，純水的穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)速率為0.49 kg·m-2·h-1，PVA水凝膠蒸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)速率為0.82 kg·m-2·h-1，在PVA水凝膠中加入CNT作為光吸收材料時，CNT-PVA水凝膠蒸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)速率達(dá)到1.43 kg·m-2·h-1.通過公式(1)和公式(2)計算的純水蒸發(fā)器的蒸發(fā)效率為31.1%.當(dāng)使用PVA水凝膠構(gòu)建蒸發(fā)器時，蒸發(fā)效率提升到了51.9%.在PVA水凝膠中加入CNT作為光吸收材料后，由于CNT具有優(yōu)異的光譜吸收性能(參見圖3(b))，蒸發(fā)效率高達(dá)92.4%，如圖6(a)所示.圖6(b)所示溫度分布云圖證實了CNT-PVA水凝膠可以有效減少散熱損失，實現(xiàn)蒸發(fā)器上表面的高效局域加熱.光照初始階段的溫度約為24 ℃，雖然PVA水凝膠可以減小散熱，但由于其表面對太陽能可見光波段的反射及透射能力較強(qiáng)(參見圖3(a))，蒸發(fā)過程中其表面溫度變化較小.但在CNT-PVA水凝膠蒸發(fā)器的溫度-時間曲線圖中可以觀察到光照20 min內(nèi)蒸發(fā)器表面溫度快速升高，約在30 min后達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)溫度(40 ℃)，大于PVA水凝膠的表面溫度，證實了CNT-PVA水凝膠的局域加熱能力.通過上述結(jié)果可知，在太陽光輻照下，作為光熱轉(zhuǎn)換材料的CNT與入射太陽光之間相互作用產(chǎn)生熱載流子，引起蒸發(fā)器表面溫度迅速增加，并加熱蒸發(fā)器表面及內(nèi)部的水.水分子在接收熱量后轉(zhuǎn)化為蒸汽，從蒸發(fā)器表面的多孔結(jié)構(gòu)逃逸.由于蒸發(fā)器自身較低的導(dǎo)熱系數(shù)抑制了表面熱量向本體水域溫度的傳遞，保持了蒸發(fā)器表面的局域高溫.在蒸發(fā)過程持續(xù)一段時間后，系統(tǒng)的蒸發(fā)量與蒸發(fā)器表面溫度逐漸趨于平衡.此外，蒸發(fā)器的親水性及內(nèi)部存在的多孔結(jié)構(gòu)可以保證本體水域中的水源源不斷地向蒸發(fā)器表面輸送，保證蒸發(fā)過程的連續(xù)發(fā)生.

圖6 在1倍標(biāo)準(zhǔn)太陽強(qiáng)度下進(jìn)行太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)實驗(a)穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)速率(左)，光熱轉(zhuǎn)換效率(右)(b)根據(jù)紅外熱像儀記錄PVA水凝膠與CNT-PVA水凝膠的溫度變化

2.3 能量平衡分析

為了確定蒸發(fā)過程中的能量利用情況，根據(jù)蒸發(fā)器的溫度變化及蒸發(fā)性能分析了穩(wěn)態(tài)條件下CNT-PVA水凝膠的熱損失.CNT-PVA水凝膠在穩(wěn)態(tài)條件下的能量轉(zhuǎn)移可分為六類：(1)蒸發(fā)相變焓；(2)蒸發(fā)器頂部向環(huán)境的對流熱損失；(3)蒸發(fā)器頂部向環(huán)境的輻射熱損失；(4)蒸發(fā)器頂部向環(huán)境的光反射損失；(5)蒸發(fā)器向本體水域的導(dǎo)熱損失；(6)側(cè)面和底部表面向環(huán)境的對流熱損失[21].

(1)蒸汽產(chǎn)生過程的蒸發(fā)相變焓：蒸發(fā)過程中水的蒸發(fā)相變焓等于僅由光照引起的穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)效率，考慮黑暗狀態(tài)下的水蒸發(fā)效率(22.6%)，僅由光照引起的蒸發(fā)相變焓為69.8%.

(2)蒸發(fā)器頂部向環(huán)境的對流熱損失

對流熱損失可以使用Newton冷卻公式計算：

Qconv=hAts(Tts-Tf)，

(4)

公式中：h=5 W·m-2·K-1為空氣的自然對流換熱系數(shù)；Ats=1.519×10-3m-2為蒸發(fā)器頂面面積；Tts和Tf分別為頂面熱力學(xué)溫度和環(huán)境熱力學(xué)溫度.因此，蒸發(fā)器頂部向環(huán)境的對流熱損失為

(3)蒸發(fā)器頂部向環(huán)境的輻射熱損失

輻射損失可用Stefan-Boltzmann定律計算：

(5)

(4)蒸發(fā)器頂部向環(huán)境的反射損失

蒸發(fā)器頂部向環(huán)境的光反射損失等于CNT-PVA水凝膠的反射率(2.6%).

(5)蒸發(fā)器向本體水域的導(dǎo)熱損失

導(dǎo)熱損失為CNT-PVA水凝膠向本體水域的導(dǎo)熱損失.根據(jù)水的溫度梯度和Fourier定律可以計算：

(6)

(6)蒸發(fā)器側(cè)面和底部表面向環(huán)境的對流熱損失

上述五類能量轉(zhuǎn)換之和約為95.1%.因此，蒸發(fā)器側(cè)面和底部表面向環(huán)境的對流熱損失約為4.9%.

綜上分析，CNT-PVA水凝膠蒸發(fā)器仍存在著較大的熱損失.其中包括蒸發(fā)器頂部向環(huán)境的對流和反射損失(8.1%和2.6%)，向本體水域的導(dǎo)熱損失(4.7%)，以及從蒸發(fā)器側(cè)面和底部表面向周圍環(huán)境的對流熱損失(4.9%).為了進(jìn)一步提高CNT-PVA水凝膠蒸發(fā)器的蒸發(fā)性能，后期工作將通過優(yōu)化蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)減小CNT-PVA水凝膠的散熱損失，進(jìn)而提升蒸發(fā)性能.

3 結(jié) 論

綜上所述，本文結(jié)合酵母發(fā)酵和凍融循環(huán)法，制備了多孔CNT-PVA水凝膠，并將其用于太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)實驗.主要研究結(jié)果如下：

(1)CNT-PVA水凝膠在300 nm～2 500 nm波長范圍內(nèi)實現(xiàn)了97.0%的太陽光吸收率，具有良好的太陽能光譜吸收性能.

(2)內(nèi)部孔隙率達(dá)到71%且具有優(yōu)異的親水性能，有助于蒸發(fā)過程持續(xù)不斷的輸運(yùn)水分并為產(chǎn)生的蒸汽提供逃逸通道.

(3)平衡狀態(tài)下CNT-PVA水凝膠表面溫度約為40 ℃，高于本體水域的溫度，證實其局域表面加熱能力.

(4)在1倍標(biāo)準(zhǔn)太陽強(qiáng)度下實現(xiàn)了1.43 kg·m-2·h-1的蒸發(fā)速率以及92.4%的光熱蒸發(fā)效率，蒸發(fā)性能遠(yuǎn)超純水蒸發(fā)器.