絲瓜絡(luò)織物基光熱水蒸發(fā)器件的編織及其性能

趙國(guó)猛，潘露琪，陳 貝，陳 濤，肖杏芳

（武漢紡織大學(xué)省部共建紡織新材料與先進(jìn)加工技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430200）

隨著當(dāng)今世界人口的增長(zhǎng)以及工業(yè)化的發(fā)展，淡水資源的短缺已成為影響進(jìn)一步發(fā)展的重要問(wèn)題，快速、節(jié)能的水凈化技術(shù)成為研發(fā)重點(diǎn)[1-2]。太陽(yáng)能作為一種綠色、可持續(xù)的可再生能源，一直受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注[3]。盡管太陽(yáng)能具有巨大的潛力，但其有限的利用效率仍是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題[4]。過(guò)去的幾十年里，在光催化[5]、光電轉(zhuǎn)換[6]，光熱轉(zhuǎn)換[7]等領(lǐng)域都取得了一定進(jìn)展。在光熱轉(zhuǎn)換方面，利用光熱材料將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能促進(jìn)蒸發(fā)，即界面太陽(yáng)能蒸汽產(chǎn)生技術(shù)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)[8]。

當(dāng)前，各種各樣的材料被開(kāi)發(fā)應(yīng)用于此技術(shù)中。例如金屬納米粒子[9]、半導(dǎo)體[10]以及生物質(zhì)材料[11]等。其中，具有成本低廉、比表面積大、環(huán)境友好、可再生等特點(diǎn)的生物質(zhì)材料越來(lái)越受到研究人員的關(guān)注。目前，已有利用木材［12］、甘蔗[13]、向日葵[14]等生物質(zhì)材料制造高效太陽(yáng)能蒸發(fā)器件。絲瓜絡(luò)作為一種自然界常見(jiàn)的天然可再生可降解材料，主要由親水性纖維素、半纖維素和少量疏水性木質(zhì)素組成，親水性能良好[15]。此外，絲瓜絡(luò)纖維具有獨(dú)特的天然三維多孔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以有效增加蒸發(fā)面積，有助于蒸汽的逸出[16]。這些優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)使其成功地應(yīng)用于太陽(yáng)能界面蒸發(fā)系統(tǒng)中[16-17]。但是，由于絲瓜絡(luò)自身尺寸的限制，很難進(jìn)行大樣品的制作，難以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

本文首先在絲瓜絡(luò)表面聚合，生成具有優(yōu)異吸光性能以及光熱轉(zhuǎn)換性能的聚吡咯［18］，然后以其為緯紗，棉線為經(jīng)紗，利用平紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行編織，織造出了一種將供水層和蒸發(fā)層連接在一起的一體式結(jié)構(gòu)的絲瓜絡(luò)-棉織物。這樣既可以超越絲瓜絡(luò)自身尺寸的限制，又不影響其本身的多孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。將編織出來(lái)的絲瓜絡(luò)-棉織物和發(fā)泡聚乙烯泡沫進(jìn)行組合，設(shè)計(jì)了橋式的太陽(yáng)能蒸發(fā)器件，即絲瓜絡(luò)織物基一體化光熱水蒸發(fā)器。該蒸發(fā)器件以改性絲瓜絡(luò)為光熱材料，以棉線為供水通道，以發(fā)泡聚乙烯泡沫做隔熱和漂浮層，進(jìn)行太陽(yáng)能界面水蒸發(fā)研究。探討了改性絲瓜絡(luò)織物基一體化光熱水蒸發(fā)器件的性能以及戶外實(shí)驗(yàn)情況。為廉價(jià)易得的生物質(zhì)材料在光熱水蒸發(fā)獲取潔凈淡水提供了新的思路。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料、試劑和儀器

材料：絲瓜絡(luò)（湖北省武漢市江夏區(qū)）；棉線（180 tex，浙江省義烏市騰霄線帶有限公司）；發(fā)泡聚乙烯泡沫（Expanded Polyethylene，EPE，上海詡冠包裝材料有限公司）。

試劑：三氯化鐵、吡咯、氯化鈉、無(wú)水乙醇、甲基橙（分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）。

儀器：熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（Sigma 500，德國(guó)卡爾蔡司公司）；配備積分球的紫外可見(jiàn)近紅外（UV-vis-NIR）光譜儀（UV-3600Plus，日本津島公司）；紅外熱像儀（FLIR-E6390，前視紅外系統(tǒng)貿(mào)易（上海）有限公司）；氙燈（CELHXF300，北京教育奧光有限公司）；高精度電子天平（QUINTIX224-1CN，德國(guó)賽多利斯公司，精度0.000 1 g）。

1.2 絲瓜絡(luò)的聚吡咯改性

首先將絲瓜絡(luò)放在吡咯溶液中浸泡30 min，吡咯被吸附在絲瓜纖維表面；然后將其轉(zhuǎn)移到三氯化鐵溶液之中，磁力攪拌1 h，通過(guò)三氯化鐵的氧化作用，吡咯單體在絲瓜纖維表面聚合成聚吡咯；最后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的乙醇溶液沖洗干凈纖維表面多余的聚吡咯殘?jiān)?，并放置烘箱?nèi)干燥，得到聚吡咯改性后的絲瓜絡(luò)。

1.3 絲瓜絡(luò)-棉織物的編織

圖1 為聚吡咯改性后絲瓜絡(luò)-棉織物（PPy-luffa cotton fabric，PLCF）的編織及一體化器件的構(gòu)建過(guò)程，親水棉線沿經(jīng)向排列，絲瓜絡(luò)沿緯向排列，采用平紋組織織造。第一步，使用親水棉線作為經(jīng)紗和緯紗，織造3 cm；第二步，將緯紗換成剪裁好的絲瓜絡(luò)纖維（3 cm×0.7 cm），編織4 組；第三步，繼續(xù)使用親水棉線作為緯紗，織造3 cm。最后，將編織好的PLCF和EPE泡沫組裝在一起，前后兩端織造的棉線層作為供水層，中間的絲瓜絡(luò)作為吸光材料，進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)化以及蒸發(fā)，組成類似于橋式的絲瓜織物基一體化光熱水蒸發(fā)器件。

圖1 光熱水蒸發(fā)器件的構(gòu)建過(guò)程Fig.1 Construction process of photothermal water evaporation device

1.4 測(cè)試與表征

通過(guò)熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡表征樣品的形態(tài)；利用紅外熱像儀捕獲熱成像圖片，熱電偶記錄溫度變化曲線。通過(guò)配備積分球的紫外可見(jiàn)近紅外光譜儀獲得樣品的反射光譜（測(cè)試波長(zhǎng)設(shè)置為200~2 500 nm。吸光率計(jì)算公式為

1.5 光熱水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度控制在（22±1）℃；濕度控制在（60±5）%。利用氙燈作為太陽(yáng)模擬器，提供平均光強(qiáng)為1 kW· m-2的模擬太陽(yáng)光，通過(guò)高精度電子天平實(shí)時(shí)記錄水的質(zhì)量變化，計(jì)算蒸發(fā)速率。全部樣品各進(jìn)行5次蒸發(fā)測(cè)試，取其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 絲瓜絡(luò)微觀結(jié)構(gòu)

圖2 為絲瓜絡(luò)改性前后的SEM 圖。從圖2（a）可以看出，改性前后的絲瓜絡(luò)都具有獨(dú)特的天然三維（3D）結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅可以使光進(jìn)行多次的反射，降低了反射率，提高了吸光能力，還能增大蒸發(fā)面積，增加蒸發(fā)過(guò)程中蒸汽的逸出通道。絲瓜絡(luò)纖維表面無(wú)明顯雜質(zhì)；從圖2（b）可以看出，經(jīng)過(guò)聚吡咯修飾后，絲瓜絡(luò)每一根纖維表面都均勻地附著著聚吡咯顆粒，說(shuō)明聚吡咯已經(jīng)成功地修飾在絲瓜纖維表面。

圖2 改性前后絲瓜絡(luò)的SEM圖Fig.2 SEM images of luffa before and after modification

2.2 吸光性

改性前后的絲瓜絡(luò)織物在太陽(yáng)光譜中的吸光情況如圖3 所示。可以看出，與改性前絲瓜絡(luò)-棉織物（luffa cotton fabric，LCF）相比，聚吡咯改性后的絲瓜絡(luò)織物（PLCF）可以實(shí)現(xiàn)300~2 500 nm 波段內(nèi)高吸收率（95%），幾乎涵蓋整個(gè)太陽(yáng)光譜，保證了對(duì)太陽(yáng)能的充分吸收。原因歸功于聚吡咯具有優(yōu)異的全波段光吸收能力以及絲瓜絡(luò)獨(dú)特的3D 多孔結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以使光在絲瓜絡(luò)內(nèi)部發(fā)生多次反射，增加光的吸收，從而可以較好地滿足高效太陽(yáng)能水蒸發(fā)的要求。

圖3 改性前后絲瓜絡(luò)-棉織物的光吸收譜Fig.3 Absorption spectrum of luffa-cotton fabric before and after modification

為了驗(yàn)證PLCF 的穩(wěn)固性以及吸光性能的穩(wěn)定性，將其進(jìn)行超聲波震蕩清洗，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，經(jīng)過(guò)超聲處理2 h后，PLCF的結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生變化，也基本沒(méi)有發(fā)現(xiàn)聚吡咯的殘?jiān)?，并且吸光效率也沒(méi)有明顯的降低。這是由于吡咯單體與絲瓜絡(luò)纖維表面形成氫鍵，使聚吡咯在絲瓜絡(luò)表面穩(wěn)定附著［19］。

圖4 超聲處理前后織物的光吸收譜和光學(xué)照片F(xiàn)ig.4 Light absorption spectrum and optical images of the fabrics before and after ultrasonic treatment

2.3 供水性能

連續(xù)穩(wěn)定的供水對(duì)太陽(yáng)能蒸發(fā)器的蒸發(fā)性能至關(guān)重要［20］。圖5為PLCF連續(xù)光照8 h后的吸水能力圖。可以看出，由于棉線和絲瓜絡(luò)良好的親水性，在PLCF的頂部放置一張薄紙，經(jīng)過(guò)30 s的時(shí)間就能夠完全潤(rùn)濕。然后，模擬一個(gè)太陽(yáng)8 h 連續(xù)的光照，薄紙仍然可以在30 s內(nèi)被潤(rùn)濕。表明一體化的結(jié)構(gòu)可以確保供水層和蒸發(fā)層的穩(wěn)定連接，PLCF內(nèi)的棉線和改性后絲瓜的吸水能力足以提供源源不斷的水到蒸發(fā)區(qū)域，如此就有利于在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)使用。

圖5 PLCF連續(xù)光照8 h后吸水能力的光學(xué)圖像Fig.5 The optical images of water absorption capacity of PLCF after 8 h of continuous illumination

2.4 光熱轉(zhuǎn)換性能

作為光熱材料不僅要擁有出色的吸光性能，良好的光熱轉(zhuǎn)換性能也是必不可少的［21］。為了進(jìn)一步探究PLCF光熱性能，將純水、LCF以及PLCF放置在模擬的太陽(yáng)光照下，由紅外照相機(jī)（FLIR）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，純水、LCF和PLCF在一個(gè)太陽(yáng)光照下溫度隨時(shí)間的變化如圖6 所示?？梢钥闯?，純水、LCF 和PLCF 的初始表面溫度在光照前基本相同，略低于環(huán)境溫度。純水的溫度在300 s 內(nèi)幾乎沒(méi)有變化；LCF 的表面溫度在60 s 內(nèi)一直緩慢上升，到300 s 時(shí)穩(wěn)定在了25 ℃左右；而PLCF的表面溫度在光照60 s內(nèi)迅速上升，在300 s時(shí)已經(jīng)達(dá)到31 ℃左右，并且溫度分布均勻。這是由于經(jīng)過(guò)聚吡咯修飾，PLCF具有更加優(yōu)異的吸光性能，也表明了PLCF具有良好的光熱轉(zhuǎn)換性能，可以有效地將光能轉(zhuǎn)化為熱能。同時(shí)，由于棉線的導(dǎo)熱性能較低，在整個(gè)光照過(guò)程中蒸發(fā)器側(cè)面一直保持一個(gè)較低的溫度，這可以減少在蒸發(fā)過(guò)程中熱量的損失，提高蒸發(fā)效率。

圖6 純水、LCF和PLCF的熱成像圖Fig.6 Thermal imaging images of pure water，LCF and PLCF

圖7 為模擬一個(gè)太陽(yáng)光照下PLCF 各個(gè)位置的溫度。該過(guò)程分為3個(gè)階段：第一個(gè)階段為放置在黑暗中時(shí)，PLCF 的表面溫度低于環(huán)境溫度，表明樣品在無(wú)光照環(huán)境中也在進(jìn)行水蒸發(fā)。第二階段為放置在一個(gè)太陽(yáng)的光照下，由于強(qiáng)烈的光吸收，PLCF 表面的溫度急劇升高，并在5 min 后就趨于穩(wěn)定。此外，在頂部產(chǎn)生的熱量可以傳遞至底部，導(dǎo)致底部溫度升高，頂部、底部的溫度分別上升至32 ℃和26 ℃左右。第三階段，再將其放置在黑暗環(huán)境下，PLCF的頂部和底部溫度急劇下降。在整個(gè)過(guò)程中，純水的溫度變化不大。這是由于橋式蒸發(fā)器與待蒸發(fā)水之間的接觸面積有限，可以有效減少熱量向待蒸發(fā)的水流失。

圖7 打開(kāi)和關(guān)閉1個(gè)太陽(yáng)光照前后PLCF的溫度變化Fig.7 Temperature changes of the PLCF resulting from switching 1 sun illumination on and off

2.5 太陽(yáng)能水蒸發(fā)性能

在模擬了一個(gè)太陽(yáng)光照下，測(cè)試純水、LCF 和PLCF質(zhì)量隨時(shí)間的變化。在相同的條件下，每個(gè)樣品蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次，取其平均值，結(jié)果如圖8所示。可以看出，由于橋式蒸發(fā)器與待蒸發(fā)水之間的接觸面積有限，可以有效防止熱量向待蒸發(fā)的水流失，使吸收轉(zhuǎn)化的熱量將更多地用于產(chǎn)生水蒸汽，同時(shí)底部也可以進(jìn)行蒸發(fā)，增大蒸發(fā)面積。PLCF和LCF的蒸發(fā)速率可分別達(dá)到1.89 kg ·m-2·h-1和1.40 kg· m-2·h-1，遠(yuǎn)高于純水的蒸發(fā)速率0.34 kg· m-2·h-1。PLCF 相對(duì)于LCF 蒸發(fā)器件擁有更高的蒸發(fā)量，是因?yàn)榻z瓜絡(luò)獨(dú)特的3D 多孔結(jié)構(gòu)以及聚吡咯優(yōu)異的吸光能力，使其具有更高的吸光率和光熱轉(zhuǎn)換能力。

圖8 純水、LCF、PLCF在光照下的質(zhì)量損失Fig.8 Mass losses of water using pure water，LCF，PLCF under illumination

海水淡化是太陽(yáng)能蒸汽技術(shù)的一種重要的實(shí)際應(yīng)用，以3.5%的氯化鈉溶液模擬海水，將PLCF蒸發(fā)器放置純水與模擬海水中，在一個(gè)太陽(yáng)光下連續(xù)光照8 h，蒸發(fā)結(jié)果如圖9 所示?？梢钥闯觯谶B續(xù)8 h 的蒸發(fā)過(guò)程中，3.5%鹽水的蒸發(fā)質(zhì)量略低于純水。這是因?yàn)樵? h 后，PLCF 的表面開(kāi)始結(jié)鹽（見(jiàn)圖10），由于表面的鹽層阻礙了光的吸收以及水的蒸發(fā)，從而導(dǎo)致蒸發(fā)量的減少，但蒸發(fā)量仍然保持在一個(gè)較高的水平。經(jīng)過(guò)8 h 的光照后，將其放置在黑暗環(huán)境下2 h，發(fā)現(xiàn)析出的鹽逐漸溶解回下方的水中，說(shuō)明其在海水淡化應(yīng)用中能有效地抗結(jié)鹽。

圖9 PLCF模擬海水和純水的質(zhì)量損失Fig.9 Mass loss of simulated seawater and pure water through PLCF

圖10 PLCF在模擬海水中光照鹽結(jié)晶8 h的光學(xué)圖像Fig.10 The optical images of PLCF in simulated seawater under illumination 8 h

2.6 染料廢水處理及戶外模擬測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室條件下驗(yàn)證了基于PLCF 太陽(yáng)能界面蒸發(fā)器優(yōu)異的蒸發(fā)效率，但是在戶外真實(shí)條件下的測(cè)試同樣至關(guān)重要，因?yàn)閼敉鈱?shí)驗(yàn)對(duì)于確定淡水的實(shí)際產(chǎn)量十分重要。將編織的15 cm×15 cm的PLCF蒸發(fā)器放置在一個(gè)一體式的戶外蒸發(fā)裝置中，如圖11（a）所示，于2021 年7 月29 日9:00—18:00 在實(shí)驗(yàn)室樓頂進(jìn)行全天的自然太陽(yáng)照射測(cè)試。輸送的水經(jīng)過(guò)PLCF的加熱變成蒸汽，在戶外裝置的內(nèi)壁凝結(jié)成小水珠，順著內(nèi)壁流出，收集在燒杯中。在一天的過(guò)程中，大約收集到110 mL的蒸發(fā)水，證明了此蒸發(fā)器的實(shí)際可行性。此外，為了驗(yàn)證PLCF太陽(yáng)能界面蒸發(fā)器處理實(shí)際廢水的情況，使用甲基橙染料溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2×10-5）在屋頂上進(jìn)行了光熱蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，然后測(cè)試收集到的冷凝水，結(jié)果如圖11（b）所示?？梢钥闯?，甲基橙染料廢水蒸發(fā)后收集的蒸發(fā)純水為無(wú)色，吸光度幾乎消失，證明了PLCF 擁有凈化染液廢水的作用。

圖11 戶外太陽(yáng)能水蒸發(fā)裝置和染料廢水處理前后變化Fig.11 Outdoor solar water evaporation device and changes of dye wastewater before and after treatment

3 結(jié) 論

1）經(jīng)過(guò)聚吡咯的修飾后的絲瓜絡(luò)具有良好的吸光性能以及光熱轉(zhuǎn)化性能，PLCF在整個(gè)太陽(yáng)光譜內(nèi)的吸光率達(dá)到95%左右。

2）利用編織織出的一體化結(jié)構(gòu)可以解決絲瓜絡(luò)本身尺寸限制的問(wèn)題，能夠織造出各種大小的尺寸，還可以將供水通道與其連接在一起，使裝置變得更加簡(jiǎn)單、易操作。

3）與直接接觸界面蒸發(fā)器相比，橋式蒸發(fā)器可以有效防止熱量向待蒸發(fā)的水流失，增大蒸發(fā)面積。在一個(gè)模擬太陽(yáng)光下PLCF 蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率為1.89 g·m-2·h-1，表現(xiàn)出優(yōu)異的蒸發(fā)性能，且能在海水淡化應(yīng)用中抗結(jié)鹽，實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定蒸發(fā)。

4）戶外蒸發(fā)仍然可以產(chǎn)生潔凈水，并可以凈化染液廢水，具有實(shí)際應(yīng)用潛力。