GO/丙綸纖維基太陽能-水蒸發(fā)器的制備及性能研究

婁輝清 陳 洋 馬 骉 丁會龍

（河南工程學院，河南 鄭州 450007）

0 引言

水資源是人類生存和發(fā)展的必備物資，環(huán)境污染的加劇導致淡水資源的緊缺［1］。而如何實現(xiàn)淡水資源的持續(xù)供應以及能源的充分利用成為解決問題的關鍵。太陽能作為一種高效、豐富的可再生能源，有助于緩解水資源短缺的現(xiàn)狀，既能夠節(jié)約成本，也能在一定程度上起到保護環(huán)境的作用。為了解決水資源短缺問題，海水淡化是一個較好的解決方法。以太陽能-水蒸發(fā)技術為基礎的海水淡化技術，利用其特殊材料的光熱轉(zhuǎn)換層收集熱量，加熱海水使其蒸發(fā)［2］，現(xiàn)已成為海水淡化技術中最具影響力的技術之一。

太陽能-水蒸發(fā)就是最大化地將所吸收的太陽光通過光熱轉(zhuǎn)換材料轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苡糜谒w的加熱，進而使水蒸發(fā)。但在實際應用中，太陽能-水蒸發(fā)的蒸發(fā)效率一直以來都是能量利用的關鍵。目前，有3種太陽能-水蒸發(fā)的途徑：基于底部加熱的蒸發(fā)［3］、基于體積加熱的蒸發(fā)［4］和界面加熱的蒸發(fā)［5］。界面加熱的蒸發(fā)是通過有選擇地加熱蒸發(fā)部分，而不是整個水體，這種方法對于熱損失的減少、能源轉(zhuǎn)換效率的提高提供了極大的可能。界面加熱的蒸發(fā)可以有效改善液體表面的熱局部化，并成功地在降低光濃度的情況下達到約90%的蒸發(fā)效率。

在界面水蒸發(fā)過程中，水體往往不與蒸發(fā)表面直接接觸。為了保證蒸發(fā)過程中有充足的水量供給，目前，常用親水、多孔材料作為水傳輸通道。結(jié)晶度低的纖維，由于其內(nèi)部存在較多的縫隙孔洞、纖維內(nèi)部的毛細管道及纖維集合體中纖維與纖維間形成的毛細管道，通過這些毛細管道的芯吸效應而達到吸水導濕的功能。王光亞等［6］研究仿真模擬纖維集合體，詳細分析得出非規(guī)則性截面纖維可以改善纖維集合體吸濕導水性能，纖維規(guī)整度越低，則纖維及纖維束的比表面積越大，紗線內(nèi)毛細孔隙多，芯吸能力增強。鐘超群［7］通過比較不同截面形狀的滌綸纖維集束體的芯吸性能，得出芯吸性能的大小受纖維截面形狀的影響。

寬頻和高效的光吸收是實現(xiàn)高效光蒸汽轉(zhuǎn)化的基礎條件。太陽能光熱轉(zhuǎn)換使用的材料對吸光范圍要求較高，它要求吸收材料在整個太陽光譜范圍（250~2 500 nm）內(nèi)具有高效和寬帶的光學吸收能力。根據(jù)產(chǎn)熱機制的不同，目前的光熱材料主要有等離子體金屬、半導體和碳基材料等三大類［8-11］。由于半導體自身能帶間隙的限制，導致其光吸收能力相對較弱，也限制了其在光熱材料方向的發(fā)展。與金屬材料相比，碳基材料質(zhì)優(yōu)價廉，并且對光照的吸收和能量轉(zhuǎn)換都表現(xiàn)較佳［12］。

本研究采用垂直排列的丙綸纖維束集合體作為水傳輸通道，并在其表面構(gòu)筑光熱轉(zhuǎn)換效率較高的材料氧化石墨烯來制備太陽能-界面水蒸發(fā)器，在不同太陽光強下對其水蒸發(fā)性能進行研究，為高效太陽能-界面水蒸發(fā)器的開發(fā)提供有益的思路。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

試劑：丙綸纖維（600D，惠民縣泰利化纖制品有限公司）；氧化石墨烯溶液（質(zhì)量濃度10 mg/mL，南京先豐納米材料科技有限公司）。

儀器：電熱鼓風干燥箱（Fx101-3，上海樹立儀器儀表有限公司）；電子天平（JA1203，杭州萬特衡器有限公司）；太陽光模擬器（94043A-S，美國Newport Oriel公司）；毛細效應測試儀（QS-M215，北京恒奧德儀器儀表有限公司）；電動縷紗測長儀（YG086C，安丘市宏光紡織儀器有限公司）。

1.2 丙綸纖維基太陽能-水蒸發(fā)器的制備

采用縷紗測長儀搖取所需長度，然后用刀片裁剪平整，制備成長度約為20 mm、直徑約為10 mm的纖維束。在室溫條件下，取一定量的氧化石墨烯溶液并將其均勻涂覆在纖維束集合體表面，在真空干燥箱60℃條件下烘干，纖維束集合體表面的氧化石墨烯涂層即為光熱轉(zhuǎn)換層。利用太陽光模擬器照射浸入水中的纖維束頂層的光熱轉(zhuǎn)換材料，由光熱轉(zhuǎn)換材料吸收的光能轉(zhuǎn)變成熱能，通過垂直排列的丙綸纖維集合體間的孔隙和纖維本身所具有的孔隙來傳導水分，使其加熱蒸發(fā)。太陽能-水蒸發(fā)器及水蒸發(fā)示意圖如圖1所示。

圖1 太陽能-水蒸發(fā)器及水蒸發(fā)示意圖

1.3 丙綸纖維的水潤濕及芯吸性能

丙綸纖維的水潤濕及芯吸性能可采用垂直靜態(tài)吸水法和垂直動態(tài)吸水法（垂直毛細高度測試法）進行測試［13］。本次試驗采用垂直靜態(tài)吸水法，利用毛細效應試驗方法來測試丙綸纖維的水潤濕及芯吸性能。試驗原理是將要測試的樣品垂直掛起來，一端浸在液體中，在指定時間內(nèi)測試液體上高度，并且以時間-液體爬升高度的曲線得出某一時段的液體芯吸速率。

1.4 蒸發(fā)性能測試

在天平上放燒杯，使太陽光模擬器中心與燒杯垂直放置，調(diào)節(jié)光強度為1 kW/m2，而后將試樣下端浸入燒杯液體中，上端則用鑷子夾住或者是用中間開孔的聚苯乙烯泡沫，泡沫套在纖維集合體的頂端10 mm處，使用中間開孔的泡沫起到隔熱層的作用，以減少水分蒸發(fā)，提高蒸發(fā)效率。試驗期間可記錄不同時間段水的蒸發(fā)量，并計算蒸發(fā)速率。

蒸發(fā)速率計算公式如式（1）。

式中：V為蒸發(fā)速率，kg/（m2·h）；M為水蒸發(fā)的質(zhì)量，kg；S為光熱轉(zhuǎn)換層的表面積，m2；t為測試時間，h。

2 結(jié)果與討論

2.1 水潤濕及芯吸性能測試結(jié)果及分析

為保證丙綸長絲的垂直度，選用3 g的張力夾。分別對3束丙綸長絲試樣在3 g張力下進行1 min、5 min、10 min、20 min和30 min的水潤濕及芯吸性能測試，記錄結(jié)果，求取平均值以減小誤差，結(jié)果如圖2所示。

圖2 丙綸長絲芯吸效應圖

由圖2可以看出，丙綸長絲的芯吸高度在前5 min內(nèi)達到13.6 cm，變化較大，有明顯的上升，這是因為纖維芯吸能力較強，通過纖維束間的孔隙迅速爬升；而5 min后的纖維芯吸速度隨著時間的延長呈現(xiàn)逐漸減緩的趨勢，趨于平衡，這是由于丙綸長絲處于垂直狀態(tài)，且由于阻力因素，隨著芯吸高度變大，速度會呈現(xiàn)減小趨勢。以上數(shù)據(jù)表明，丙綸纖維具有較強的芯吸性能，可通過垂直排列纖維間的孔隙傳導水分，吸濕導水作用明顯，為后續(xù)提高太陽能-水蒸發(fā)的蒸發(fā)速率提供了可能。

2.2 蒸發(fā)性能

利用太陽光模擬器分別測試丙綸纖維基太陽能-水蒸發(fā)器、無光熱轉(zhuǎn)換層的纖維束集合體以及純水的蒸發(fā)性能，結(jié)果如圖3所示。

圖3 水蒸發(fā)質(zhì)量變化圖

由圖3可以看出，3組試樣均呈現(xiàn)上升狀態(tài)，但在整個試驗過程中，純水組水蒸發(fā)的質(zhì)量變化雖然有上升的趨勢，但是這種上升趨勢非常微小，試驗前后水的質(zhì)量變化僅為0.29 kg/m2左右。而無氧化石墨烯涂層的水蒸發(fā)質(zhì)量與純水組相比明顯高一些，但因沒有氧化石墨烯構(gòu)筑的光熱轉(zhuǎn)換層，吸光能力較差，蒸發(fā)效果不十分明顯，在整個試驗中水的質(zhì)量變化僅為0.48 kg/m2左右。由此引入以氧化石墨烯作為光熱轉(zhuǎn)換層均勻涂抹于纖維束頂端的蒸發(fā)器，起到集熱的效果，減少了熱量的損失，故蒸發(fā)速率較高，而水蒸發(fā)的質(zhì)量變化高達1 kg/m2。以上數(shù)據(jù)表明，雙層結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器對水的蒸發(fā)有一定的促進作用，而以氧化石墨烯作為光熱轉(zhuǎn)換層收集熱量，最大限度地保證所吸收的熱量用于水蒸發(fā)，減少熱量的損失，從而達到更高的蒸發(fā)效率。

分別計算各樣品的蒸發(fā)速率，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，以纖維集合體和氧化石墨烯組成雙層結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器比纖維集合體自身的單層結(jié)構(gòu)水蒸發(fā)速率整體要高。試樣的蒸發(fā)速率可以達到1.05 kg/（m2·h）左右，無光熱轉(zhuǎn)換層的蒸發(fā)速率僅為0.49 kg/（m2·h），相比之下，純水的蒸發(fā)速率僅為0.28 kg/（m2·h），試樣組的蒸發(fā)速率遠高于其他兩組。通過比較還表明，光熱轉(zhuǎn)換層在改善樣品的蒸發(fā)性能方面起著重要作用。

圖4 蒸發(fā)速率變化圖

2.3 循環(huán)利用性能

為了考察太陽能-界面水蒸發(fā)器的循環(huán)利用性能，對所制備的太陽能-水蒸發(fā)器進行5次蒸發(fā)試驗，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，在對試樣進行的5次循環(huán)測試試驗中，整體趨勢較為穩(wěn)定，趨于平衡，每次測試水蒸發(fā)速率基本無明顯變化，蒸發(fā)速率在1.05 kg/（m2·h）上下浮動，由試樣經(jīng)過5次循環(huán)試驗前后的蒸發(fā)速率可以看出，試驗所制備的雙層結(jié)構(gòu)的太陽能-水蒸發(fā)器的性能比較穩(wěn)定，循環(huán)利用性能較好。

圖5 循環(huán)利用性能

3 結(jié)論

①垂直排列丙綸纖維在5 min內(nèi)芯吸高度達13.6 cm，纖維導水性能優(yōu)異，是制備太陽能-水蒸發(fā)器的理想基體材料。

②本試驗所制備的太陽能-水蒸發(fā)器在60 min內(nèi)蒸發(fā)速率高達1.05 kg/（m2·h），蒸發(fā)效率達75%，具有較高的蒸發(fā)性能。

③經(jīng)5次循環(huán)測試，太陽能-水蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率仍在1.05 kg/（m2·h）上下浮動，其性能較穩(wěn)定，循環(huán)利用性能較好。