碳氮化鈦/粘膠纖維束集合體太陽能界面水蒸發(fā)器的制備及其性能

婁輝清, 上媛媛, 曹先仲, 徐蓓蕾

(1.鄭州大學(xué) 物理學(xué)院, 河南 鄭州 450052; 2.現(xiàn)代紡織技術(shù)創(chuàng)新中心(鑒湖實驗室), 浙江 紹興 312030;3.神馬實業(yè)股份有限公司, 河南 平頂山 467021)

在普遍存在的太陽能-熱能轉(zhuǎn)換過程中,太陽能驅(qū)動水蒸發(fā)因具有太陽能轉(zhuǎn)換效率高和轉(zhuǎn)換潛力大而引起了極大的關(guān)注[1-2]。近年來,通過設(shè)計太陽能驅(qū)動的界面水蒸發(fā)器,將太陽能與熱能之間的轉(zhuǎn)換限定在氣液界面,能有效減少熱量損失、提高能量轉(zhuǎn)化效率,在太陽能驅(qū)動水蒸發(fā)領(lǐng)域展示出極大的應(yīng)用前景[3-4]。

太陽能驅(qū)動的界面水蒸發(fā)技術(shù)是在載體上負(fù)載光熱轉(zhuǎn)換材料,通過在氣-液界面進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)水蒸發(fā)的目的,其基本原理是基體材料將水輸送到上層表面,再由表面光吸收材料吸收太陽能,并在液體表面發(fā)生界面光-蒸汽轉(zhuǎn)化現(xiàn)象[5-6]。對于界面水蒸發(fā)技術(shù),水體與蒸發(fā)表面不直接接觸,目前通常采用親水性和多孔材料作為水傳輸?shù)耐ǖ纴肀ＷC蒸發(fā)過程中的水量供給。Jia等[7]基于凹凸棒石/聚丙烯酰胺復(fù)合材料(APAC)豐富的孔隙率結(jié)構(gòu)和低熱導(dǎo)率特點,在1 kW/m2的光照強度下獲得了1.2 kg/(m2·h)的蒸發(fā)速率和高達(dá)85%的蒸發(fā)效率。Huang等[8]在聚多巴胺包覆納米纖維的基礎(chǔ)上,通過模板犧牲方式制備了納米/亞微米中空管結(jié)構(gòu)的聚多巴胺納米管,并構(gòu)建了三維太陽能界面水蒸發(fā)器件,在1 kW/m2的光照強度下獲得了高達(dá)2.5～3.6 kg/(m2·h)的蒸發(fā)速率。Liu等[9]利用天然木材的各向異性微觀結(jié)構(gòu)制備了具有各向異性(宏觀的T形和微觀的木片上定向排列孔道)的T型蒸發(fā)器,并在1 kW/m2的光照強度下實現(xiàn)了2.43 kg/(m2·h)的蒸發(fā)速率和83.6%的太陽能利用效率。Caratenuto等[10]利用樹葉的多孔結(jié)構(gòu)制備了由2種天然材料落葉和瓜爾膠組成的太陽能海水淡化裝置,其在1 kW/m2的光照強度下實現(xiàn)了 2.53 kg/(m2·h) 的蒸發(fā)速率。

高效的光熱材料是提高光熱水蒸發(fā)效率的關(guān)鍵。目前,常用的光熱轉(zhuǎn)化材料有金屬基材料、碳基材料、有機高分子材料、半導(dǎo)體材料和復(fù)合材料等[11-12]。新型的二維層狀碳氮化鈦(MXene)材料因具有廣譜的太陽光吸收、豐富的表面官能團(tuán)和物理化學(xué)性質(zhì)、良好的親水性、超薄的厚度、較大的比表面積等特性,被認(rèn)為是制造高效光熱蒸發(fā)器的理想材料[13-14]。Zha等[15]采用浸涂方法將MXene涂覆在纖維素膜表面制備了MXene/纖維素多孔光熱薄膜,在整個太陽光譜范圍內(nèi)表現(xiàn)出94%的光吸收率,且在1 kW/m2的光照強度下水蒸發(fā)速率達(dá)1.44 kg/(m2·h)。 Li等[16]通過聚苯胺(PANI)輔助自組裝氧化石墨烯(GO)和MXene片材,制造出用于太陽能驅(qū)動脫鹽海水和廢水凈化的MXene/GO/PANI復(fù)合雜化材料,在1 kW/m2的光照強度下,其對海水和廢水的蒸發(fā)速率分別達(dá)到2.89和3.30 kg/(m2·h)。 Lu等[17]制備了零維Co3O4/二維MXene光熱納米復(fù)合材料,并設(shè)計構(gòu)建三維球形蒸發(fā)器,在1 kW/m2的光照強度下其光熱水蒸發(fā)速率可達(dá)1.89 kg/(m2·h),對應(yīng)的光熱水蒸發(fā)效率超過二維蒸發(fā)器的極限理論效率。

基于以上分析,本文以粘膠纖維束集合體作為水傳輸通道,以MXene作為光熱轉(zhuǎn)換層來構(gòu)建太陽能界面水蒸發(fā)器。通過研究其熱局域化性能、水蒸發(fā)性能和穩(wěn)定性能,為太陽能的可持續(xù)利用以及界面光熱水蒸發(fā)技術(shù)提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

材料:粘膠長絲(線密度為3.33 tex(24 f)),新鄉(xiāng)白鷺化纖集團(tuán)有限責(zé)任公司;芳綸長絲(線密度為110 tex),煙臺泰和新材料科技有限公司;鈦碳化鋁(MAX,粒徑為75 μm),吉林省一一科技有限公司;LiF(化學(xué)純,≥98.0%)、鹽酸(分析純,36.0%～38.0%),國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

儀器:101-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱(北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司);HZT-A+200型電子天平(福州華志科學(xué)儀器有限公司);CEL-HXUV300型氙燈、CEL-NP2000-2A型全自動光功率計(北京中教金源科技有限公司);PTi120型紅外熱成像儀(美國Fluke公司);LCD-DTM280型熱電偶(垣浩儀器儀表廠);Sigma500型掃描電子顯微鏡(德國卡爾蔡司公司);JEM-2100型透射電子顯微鏡(日本電子公司);YG086C型縷紗測長機(常州市第二紡織機械廠)。

1.2 試樣制備

1.2.1 粘膠纖維束集合體制備

將粘膠長絲纏繞在縷紗測長儀上,用芳綸長絲將其緊密纏繞固定,然后用刀片切出一定長度的纖維束。本文使用的粘膠纖維束集合體長度為3 cm,直徑為0.9 cm。

1.2.2 MXene制備及光熱轉(zhuǎn)換層構(gòu)筑

采用LiF+HCl刻蝕法制備單層/少層MXene材料:將2 g LiF溶解到40 mL濃度為9 mol/L的HCl溶液中,并在35 ℃下攪拌30 min,然后緩慢加入2 g MAX粉末,并繼續(xù)在氬氣氣氛中攪拌36 h;取 20 mL 上述溶液置于錐形管中并加20 mL水稀釋,在 3 500 r/min 的轉(zhuǎn)速下離心30 min后得到黏稠的MXene分散液(質(zhì)量濃度為15 mg/mL),最后用乙醇反復(fù)清洗離心至中性后密封,在-5 ℃下保存。

室溫下,將一定量的MXene分散液均勻涂覆在粘膠纖維束集合體表面,在60 ℃下真空干燥后形成光熱轉(zhuǎn)換層,實現(xiàn)MXene在粘膠纖維束集合體端面的構(gòu)筑。通過在粘膠纖維束集合體上涂覆1～5層MXene分散液,獲得不同厚度的光熱轉(zhuǎn)換層。

1.3 粘膠纖維束集合體吸濕導(dǎo)水性能測試

吸水率可反映材料吸水性的高低。將粘膠纖維束集合體放置在盛滿水的燒杯中,浸泡至吸附飽和,根據(jù)吸水前后纖維束的質(zhì)量計算其吸水率,計算公式為

式中:W為吸水率,%;m1為粘膠纖維束吸水前的質(zhì)量,g;m2為粘膠纖維束吸水飽和后的質(zhì)量,g。

毛細(xì)效應(yīng)是衡量纖維吸濕性能的重要指標(biāo),用芯吸高度來表示。將粘膠纖維束集合體放在水中,每隔一定時間記錄1次芯吸高度,考察纖維束集合體達(dá)到飽和芯吸的時間以及最大芯吸高度。

1.4 粘膠和MXene形貌與界面溫度測試

采用掃描電子顯微鏡觀察粘膠的縱向表面和橫向截面,測試前進(jìn)行噴金處理。采用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察光熱轉(zhuǎn)化材料MXene的形貌。

為考察光熱轉(zhuǎn)換層的光熱轉(zhuǎn)換效果,采用紅外熱成像儀對實驗過程中氣-液界面光熱轉(zhuǎn)換層的表面溫度進(jìn)行熱追蹤記錄,升溫階段每隔30 s記錄1次紅外熱成像圖,穩(wěn)定階段每隔5 min記錄1次。

1.5 太陽能界面水蒸發(fā)器實驗裝置及測試

1.5.1 太陽能界面水蒸發(fā)器實驗裝置

圖1示出本文實驗構(gòu)建的太陽能界面水蒸發(fā)系統(tǒng)實驗裝置,包括模擬光源、太陽能界面水蒸發(fā)器和電子天平。采用氙燈作為太陽光模擬光源,利用全自動光功率計對光照強度進(jìn)行校準(zhǔn),通過調(diào)節(jié)電流大小和光照距離調(diào)節(jié)光照強度,并采用紅外熱成像儀和熱電偶記錄光熱轉(zhuǎn)換層表面和水體的溫度。

圖1 太陽能界面水蒸發(fā)系統(tǒng)實驗裝置Fig.1 Test device of solar-interface water evaporator

太陽能界面水蒸發(fā)器由水傳輸層、高效光熱轉(zhuǎn)換層和隔熱保溫層組成。本文實驗中水傳輸層為垂直排列的粘膠纖維束集合體,高效光熱轉(zhuǎn)換層為具有高光吸收和熱轉(zhuǎn)化效率的MXene涂層,隔熱保溫層為具有低導(dǎo)熱系數(shù)的聚苯乙烯泡沫。實驗過程中室溫保持在(25±0.5)℃,相對濕度控制在50%～60%,到達(dá)太陽能界面水蒸發(fā)器高效光熱轉(zhuǎn)換層的光照強度保持在1～5 kW/m2之間,且每次實驗過程中光照強度保持恒定。

1.5.2 太陽能界面水蒸發(fā)器性能測試

1.5.2.1水體蒸發(fā)量 蒸發(fā)量是光熱轉(zhuǎn)換效率的重要體現(xiàn),也是計算蒸發(fā)速率的主要依據(jù),一般取穩(wěn)態(tài)階段的蒸發(fā)量來計算蒸發(fā)速率,實驗前后裝置內(nèi)電子天平讀數(shù)的差值即為水體蒸發(fā)量。本文實驗中每隔5 min記錄1次電子天平讀數(shù)。

1.5.2.2水蒸氣溫度 光源照射到水面后,表層的水會汽化并在上部空間形成飽和水蒸氣。通過測量水蒸氣的溫度表征太陽能水蒸發(fā)器的加熱速度。

1.5.2.3蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率 太陽能界面水蒸發(fā)器的蒸發(fā)性能可通過蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率來表征,蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率分別按下式進(jìn)行計算:

ER=Δm/At

η=ERhLV/CoptA

式中:ER為蒸發(fā)速率,kg/(m2·h);Δm為蒸發(fā)量,kg;A為光熱層相對于光路的投影面積,m2;t為蒸發(fā)時間,h;η為蒸發(fā)效率,%;hLV為水的相變總焓, J/mol;Copt為光照強度,kW/m2。

1.5.2.4穩(wěn)定性能 為考察太陽能界面水蒸發(fā)器的穩(wěn)定性能,在2 kW/m2的光照強度下進(jìn)行連續(xù)蒸發(fā)實驗,每次實驗持續(xù)12 h,共進(jìn)行12次,并按前述方法計算每次實驗過程中太陽能界面水蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率。

2 結(jié)果與討論

2.1 粘膠與MXene形貌

圖2(a)示出粘膠長絲的縱、橫向表面形貌。可以看出,粘膠縱向表面存在與纖維軸走向一致的溝槽,橫截面呈不規(guī)則鋸齒狀且有部分微孔。粘膠自身的微孔和溝槽結(jié)構(gòu)特征使其集合體形成了眾多的毛細(xì)管,水分很容易通過芯吸作用進(jìn)入纖維間并為水分的遷移提供有利通道;此外,溝槽結(jié)構(gòu)使粘膠的比表面積有所增大,提高了粘膠纖維集合體的吸濕導(dǎo)水能力,從而有利于水分的快速輸送[18-19]。本文使用的粘膠纖維束集合體在溫度為25 ℃、相對濕度為60%的環(huán)境中,吸水率為45.5%,達(dá)到飽和芯吸的時間為150 s,說明該纖維束集合體具有很好的吸濕導(dǎo)水性,可用于太陽能界面水蒸發(fā)器的水傳輸通道。

圖2 粘膠和MXene的形貌結(jié)構(gòu)Fig.2 Morphology structure of viscose filament (a)and MXene(b)

圖2(b)示出MXene的掃描電鏡和透射電鏡照片?？芍?采用LiF+HCl刻蝕法可制備單層和少層的二維MXene納米片材料,從而有利于后續(xù)MXene作為光熱轉(zhuǎn)換層對太陽能的吸收和轉(zhuǎn)換。

2.2 太陽能界面水蒸發(fā)器的熱局域化性能

圖3示出不同光照時間下太陽能界面水蒸發(fā)器表面的溫度變化情況。其中光照強度為1 kW/m2,MXene涂層數(shù)為5層。可以看出,纖維束升溫速度較快,在5 min內(nèi)中心點的溫度即由室溫(約22.3 ℃)升高至44.7 ℃。從圖3還可看出,MXene涂層表面溫度分布不是特別均一,涂層表面中心點溫度相對周圍較高,這說明涂層后的纖維束熱局域化性能提高,表明含有涂層的樣品其光熱轉(zhuǎn)換效率更高和熱量流失更少,太陽能利用效率高。

圖3 太陽能界面水蒸發(fā)器表面的紅外熱成像照片F(xiàn)ig.3 Infrared thermal image of solar-interface water evaporator surface

2.3 MXene涂層對蒸發(fā)性能的影響

在粘膠纖維束集合體上均勻涂覆1～5層MXene分散液,然后在1 kW/m2的光照強度下,考察MXene涂層對太陽能界面水蒸發(fā)器蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率的影響,結(jié)果如圖4所示。

圖4 MXene涂層數(shù)對蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率的影響Fig.4 Influence of MXene coating number on evaporation rate and efficiency

從圖4可看出,含有MXene涂層的太陽能界面水蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率明顯高于不含MXene涂層的太陽能界面水蒸發(fā)器,且隨著涂層數(shù)的增加,其蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率呈現(xiàn)明顯增加的趨勢。當(dāng)MXene涂層數(shù)從1層增加至5層時,蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率分別從0.78 kg/(m2·h)和39.4%迅速增加至1.47 kg/(m2·h)和74.4%。這是由于MXene在整個太陽光譜范圍具有優(yōu)異的光吸收能力和高效的光熱轉(zhuǎn)換能力,隨著涂層數(shù)的增加,MXene的負(fù)載量也隨之增加,因此,蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率均提高。從圖4還可看出,當(dāng)MXene涂層數(shù)繼續(xù)從4層增加到5層時,其蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率僅分別提升了0.03 kg/(m2·h)和1.6%,系統(tǒng)的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率基本趨于穩(wěn)定,繼續(xù)增加涂層數(shù)并不能使太陽能界面水蒸發(fā)器的蒸發(fā)性能得到進(jìn)一步提升。這可能是因為此時粘膠纖維束的水傳輸能力已達(dá)到最大,繼續(xù)增加MXene涂層數(shù)已無法提高水的蒸發(fā)量。實驗結(jié)果表明,MXene作為光熱轉(zhuǎn)換層可有效提高太陽能界面水蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率,當(dāng)MXene涂層數(shù)為5層時,在1 kW/m2的光照強度下,太陽能界面水蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率分別為1.47 kg/(m2·h)和74.4%。

2.4 光照強度對蒸發(fā)性能的影響

由于水蒸發(fā)是在太陽光照射下進(jìn)行的,因此,光照強度對水蒸發(fā)性能有較大的影響。調(diào)節(jié)模擬光源的光照強度在1～5 kW/m2之間,在MXene涂層數(shù)為 5層的條件下,考察光照強度對太陽能界面水蒸發(fā)器蒸發(fā)性能的影響,結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同光照強度下太陽能界面水蒸發(fā)器的蒸發(fā)性能Fig.5 Evaporation performance of solar interface water evaporator under different light intensities.(a) Water vapor temperature; (b) Evaporation rate and evaporation efficiency

從圖5(a)可看出,水蒸氣溫度在0～5 min內(nèi)迅速升高,在5～10 min內(nèi)溫度升高的速度逐漸放緩, 10 min 后水蒸氣溫度基本穩(wěn)定。這說明0～10 min內(nèi)系統(tǒng)處于加熱狀態(tài),10 min后系統(tǒng)基本達(dá)到熱平衡。從圖5(a)還可看出,水蒸氣的溫度隨光照強度的增加有較大幅度的增加,這說明太陽光照強度對水蒸氣的溫度有明顯影響。研究還發(fā)現(xiàn),不同光照強度下水體溫度變化不明顯,這表明系統(tǒng)具有較好的絕熱能力,向水體熱傳導(dǎo)較低,有利于形成局域化高溫區(qū)。此外,不同光照強度下水體溫度隨時間的增加基本不變,這表明光熱轉(zhuǎn)換層對光的吸收能力較強,熱損失較小。

從圖5(b)可看出,在黑暗狀態(tài)下太陽能界面水蒸發(fā)器的自然蒸發(fā)速率僅為0.06 kg/(m2·h),隨著光照強度的增加,其蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率也隨之大幅提升。當(dāng)光照強度由1 kW/m2增加到 5 kW/m2時,蒸發(fā)速率由1.47 kg/(m2·h)提高至 6.45 kg/(m2·h), 相應(yīng)地,蒸發(fā)效率也由70.6%提高至82.4%。需要注意的是,太陽能界面水蒸發(fā)器的蒸發(fā)效率在光照強度為2 kW/m2時達(dá)到最高,為85.3%;當(dāng)光照強度由2 kW/m2增加到3 kW/m2時,系統(tǒng)的蒸發(fā)效率反而有所下降。其原因可能是當(dāng)光照強度較低時,太陽能損失較小,能量利用率較高,但隨著光照強度的增加,部分熱能被用來直接加熱涂層上的水分,導(dǎo)致光在涂層上熱能損失較大;隨著光照強度的進(jìn)一步增加,系統(tǒng)能夠獲得足夠的能量同時加熱涂層和產(chǎn)生蒸汽,因此,蒸發(fā)效率繼續(xù)提高。

2.5 太陽能界面水蒸發(fā)器的穩(wěn)定性

太陽能界面水蒸發(fā)器的穩(wěn)定性測試結(jié)果如圖6所示。可以看出,隨著時間的延長,太陽能界面水蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率有所降低,但降低幅度不大。經(jīng)過144 h的蒸發(fā)實驗,太陽能界面水蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率仍分別高達(dá) 3.31 kg/(m2·h) 和82.1%,與初始值相比降低幅度分別為4.1%和3.5%,說明本文實驗制備的太陽能界面水蒸發(fā)器具有穩(wěn)定的蒸發(fā)性能。

圖6 太陽能界面水蒸發(fā)器的穩(wěn)定性能Fig.6 Stability performance of solar interface water evaporator

為進(jìn)一步考察太陽能界面水蒸發(fā)器的穩(wěn)定性,以實驗時間為自變量(X),分別以蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率為因變量(Y)對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合,結(jié)果為:

Y1=-5×10-6X2-0.000 2X+3.453 9

Y2=-0.000 1X2-0.008X+85.798

式中:X為實驗時間,h;Y1為蒸發(fā)速率,kg/(m2·h);Y2為蒸發(fā)效率,%。

根據(jù)上述公式可以計算得到,使用500 h后太陽能界面水蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率分別為2.09 kg/(m2·h)和56.9%,均保持在初始值的60%以上。這說明使用500 h后,太陽能界面水蒸發(fā)器仍具有較好的水蒸發(fā)性能。

3 結(jié) 論

1)粘膠纖維束集合體內(nèi)部具有特殊的結(jié)構(gòu)和垂直排列的方式,使其表現(xiàn)出優(yōu)異的吸濕導(dǎo)水性能,在溫度為25 ℃、相對濕度為60%的環(huán)境中,吸水率可達(dá)45.5%,達(dá)到飽和芯吸的時間為150 s。

2)增加光熱轉(zhuǎn)換層MXene的涂層數(shù)有利于提高太陽能界面水蒸發(fā)器的蒸發(fā)性能,在1 kW/m2的光照強度下,當(dāng)MXene涂層數(shù)從1層增加至5層時,其蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率分別從0.78 kg/(m2·h) 和39.4%提高至1.47 kg/(m2·h)和74.4%。

3)增大光照強度可有效提升太陽能界面水蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率,當(dāng)光照強度由 1 kW/m2增加到5 kW/m2時,蒸發(fā)速率由1.47 kg/(m2·h)提高至6.45 kg/(m2·h),蒸發(fā)效率由70.6%提高至82.4%。蒸發(fā)效率在光照強度為2 kW/m2時最高,為85.3%。

4)該太陽能界面水蒸發(fā)器具有較好的穩(wěn)定性,在2 kW/m2的光照強度下,使用144 h后其蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率仍分別高達(dá)3.31 kg/(m2·h)和82.1%,降低幅度僅為4.1%和3.5%。數(shù)值擬合結(jié)果表明,使用500 h后,太陽能界面水蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率分別為2.09 kg/(m2·h)和56.9%,均保持在初始值的60%以上。