光熱材料-木材太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)器研究進(jìn)展

潘 琪,李 靜,閆良國(guó)

(濟(jì)南大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,山東 濟(jì)南 250022)

太陽(yáng)能是地球上最主要的能量來(lái)源,每年太陽(yáng)照射到地球上的總輻射量大約為3.4×106EJ,相當(dāng)于全球年總能耗的7 500多倍[1]。水是生命之源,盡管地球的總水量相當(dāng)大,但淡水?dāng)?shù)量只占2.5%,并且全世界近40億人口每年至少1個(gè)月需要面對(duì)十分嚴(yán)重的水資源短缺情況,因此,充分利用豐富的太陽(yáng)能,有效開(kāi)發(fā)利用海水補(bǔ)充淡水資源已成為必然趨勢(shì)[2]。

太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種十分有前景的低能耗淡水生產(chǎn)技術(shù)[3]。該技術(shù)是將光能轉(zhuǎn)化為熱能,在界面處加熱水分子以產(chǎn)生蒸汽,冷凝后產(chǎn)生淡水的技術(shù)[4]。太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)技術(shù)可以從海水、咸水或污水中生產(chǎn)清潔的淡水,具有節(jié)能環(huán)保、低成本以及規(guī)?？烧{(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用前景十分廣闊[5]。

木材作為一種天然的環(huán)保多孔材料,具有來(lái)源廣泛、種類豐富、導(dǎo)熱系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn),已成為太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)技術(shù)的理想基體材料之一。通過(guò)對(duì)木材表面涂覆光熱轉(zhuǎn)換粉體材料或改性,可以制備出性能良好的蒸發(fā)器[6]。隨著先進(jìn)納米技術(shù)和材料科學(xué)的快速發(fā)展,各種光熱材料已被設(shè)計(jì)成具有高效光吸收能力的功能性納米結(jié)構(gòu)[7]。為了增強(qiáng)蒸發(fā)器的光熱轉(zhuǎn)換和蒸發(fā)性能,光熱納米粉體材料可以設(shè)計(jì)為由單個(gè)組分或多個(gè)組分組成,并且涉及多種光熱轉(zhuǎn)化機(jī)制。

本文中首先概述了太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)的原理、用于蒸發(fā)器的光熱轉(zhuǎn)換粉體材料和木材基體以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),然后從木材結(jié)合碳基材料、金屬基材料、半導(dǎo)體、有機(jī)聚合物等方面綜述了光熱材料-木材蒸發(fā)器的研究進(jìn)展,最后分析了該領(lǐng)域發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展方向。

1 太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)

近年來(lái),隨著納米材料的不斷發(fā)展,為了解決傳統(tǒng)太陽(yáng)能體相蒸發(fā)模式的能量利用率低的問(wèn)題,人們逐漸提出并改進(jìn)了新型的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)技術(shù)。置于裝置表面的光熱材料可以有效收集太陽(yáng)光并轉(zhuǎn)換為熱量,為水蒸發(fā)提供能量,裝置內(nèi)部的多孔基體材料在傳輸水的同時(shí),依靠自身優(yōu)異的隔熱性能,極大地減少熱量的損失,從而實(shí)現(xiàn)水的高效蒸發(fā)。與傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)相比,該技術(shù)在蒸發(fā)效率、清潔能源利用、環(huán)境友好等方面具有優(yōu)勢(shì),因此,太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)技術(shù)是解決淡水資源短缺的一種很有前途的方法[8]。

1.1 工作原理

太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)的整個(gè)工作過(guò)程如圖1所示,主要包括:1)入射陽(yáng)光被蒸發(fā)器的吸光層吸收并轉(zhuǎn)換為熱量; 2)在毛細(xì)力作用下,水從蒸發(fā)器基體的底端輸送至吸光層; 3)吸光層加熱蒸發(fā)表面的水分子并產(chǎn)生蒸汽; 4)蒸汽蒸發(fā)冷凝后流向集水槽,實(shí)現(xiàn)淡水的收集。

圖1 太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)的工作原理

典型的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)體系通常由吸光材料、基體、水體、入射太陽(yáng)光、水蒸汽冷凝及收集裝置等部分組成(見(jiàn)圖1),其中由基體和光熱轉(zhuǎn)換材料組成的蒸發(fā)體是最主要的部分。在整個(gè)太陽(yáng)光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效光熱轉(zhuǎn)換是邁向高性能太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)的第1步,為此需要選擇合適的光熱材料。此外,基體部分主要擔(dān)負(fù)系統(tǒng)水輸送和隔熱2個(gè)關(guān)鍵功能,對(duì)提高太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)性能有著十分重要的影響。

1.2 光熱材料

光熱材料是一種可以高效地吸收太陽(yáng)能,從而將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱量的粉末狀物質(zhì)[9]。置于蒸發(fā)裝置表面的光熱材料應(yīng)擁有良好的光吸收性能,可以高效地吸收太陽(yáng)能,并釋放出足夠的熱量,從而使裝置表面的溫度急劇升高[10]。目前,研究較多的光熱材料主要有金屬納米材料、半導(dǎo)體、碳基材料和有機(jī)聚合物等[11]。

當(dāng)入射光的振動(dòng)頻率與金屬電子的振蕩頻率相匹配時(shí),光會(huì)引發(fā)金屬納米材料中電子的基體振蕩,從而產(chǎn)生熱電子,隨后熱電子又與入射光形成的電磁場(chǎng)產(chǎn)生共振,從而生成熱能[12],典型的金屬納米材料有Au、Cu、Ag[12-14]等。Huang等[12]使用具有納米鉆孔結(jié)構(gòu)的金納米材料設(shè)計(jì)了一種新型等離子體吸收器,通過(guò)在單個(gè)納米粒子水平上合理調(diào)節(jié)其各向異性,使金納米結(jié)構(gòu)在整個(gè)太陽(yáng)光譜上表現(xiàn)出良好的光吸收能力,效率為92.9%。Zhu等[15]制備出包括Ag-Au雙金屬合金和碳納米材料的復(fù)合流體,光熱轉(zhuǎn)化效率分別比單金屬納米流體提高了1.94%和4%。

半導(dǎo)體的光熱轉(zhuǎn)換是電子-空穴對(duì)的形成和弛豫的結(jié)果,因種類繁多、成本低廉、易功能化等優(yōu)點(diǎn),被廣泛地應(yīng)用到光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域,典型的半導(dǎo)體材料有TiO2、CuS等[16-18]。例如,Zada等[17]研制出具有隨機(jī)尺寸分布的黑色TiO2(BTiO2)膜,經(jīng)過(guò)還原處理的BTiO2具有大量的氧空位、表面紊亂和表面缺陷,在波長(zhǎng)為250～2 500 nm范圍內(nèi)具有完美的寬帶吸收能力,且具有優(yōu)異的光熱效應(yīng),使太陽(yáng)能產(chǎn)生效率達(dá)到77.14%。Cao等[19]合成了CuS-多壁碳納米管(CuS-multi walled carbon nanotube,CuS-MWCNT)復(fù)合材料,并制備了光熱轉(zhuǎn)換膜,該膜可以加速水向蒸汽的轉(zhuǎn)化,使蒸發(fā)效率達(dá)到95.0%。

碳基材料主要包括活性炭、碳納米管、石墨烯類等,利用分子熱振動(dòng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成熱能[20-23]。該類材料來(lái)源廣泛,制作成本較低,對(duì)光的吸收率較高,因此被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)領(lǐng)域[24]。例如,Li等[22]采用氧化石墨烯和聚乙烯醇磷酸酯聚合物,通過(guò)水熱還原法制備了一種超吸水性的三維氣凝膠。石墨烯高效吸收太陽(yáng)光,轉(zhuǎn)化為熱量并將其限制在蒸發(fā)層,聚乙烯醇磷酸酯高效地進(jìn)行水傳輸,從而使該蒸發(fā)器的能量利用效率達(dá)124.8%,在1倍太陽(yáng)光照強(qiáng)度(100 mW·cm-2)下的蒸發(fā)速率高達(dá)4.89 kg·m-2·h-1。Mnoyan等[25]通過(guò)使用簡(jiǎn)單的過(guò)濾和噴涂方法,利用低成本材料活性炭制備了高效的光熱轉(zhuǎn)換層,光熱轉(zhuǎn)換效率到達(dá)85.66%。

有機(jī)聚合物材料的高靈活性、易成型性、生物相容性、穩(wěn)定性等特征都是無(wú)機(jī)材料不具備的,是光熱材料的更為優(yōu)異的選擇之一[26]。不僅如此,該材料的制備方式簡(jiǎn)單,價(jià)格低廉,光吸收效率高,在光熱利用研究中得到了廣泛的應(yīng)用。例如,He等[27]在聚合物多孔泡沫表面進(jìn)行聚吡咯(polypyrrole,PPy)的界面聚合,構(gòu)建了以Fe3O4-PPy二元光學(xué)系統(tǒng)為光吸收層、以聚合物多孔泡沫為多孔基底的蒸發(fā)器,在該蒸發(fā)器太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換過(guò)程中PPy表現(xiàn)出了優(yōu)異的光吸收能力,效率為92%。

在上述光熱材料中,金屬納米材料、半導(dǎo)體和有機(jī)聚合物通常能夠顯著提高蒸發(fā)器表面的光熱轉(zhuǎn)換性能,但存在著原料成本較高、穩(wěn)定性一般等缺點(diǎn)。碳基材料雖然光熱轉(zhuǎn)換性能略低,但具有原料成本較低、光熱性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì),是目前研究最多的吸光材料。

1.3 蒸發(fā)器基體

在太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)系統(tǒng)中,除了光熱材料外,基體材料的選擇也十分重要?；w不僅起到系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)輸水分的作用,還應(yīng)具備優(yōu)異的隔熱能力以防止系統(tǒng)內(nèi)熱量的散失,因此對(duì)材料內(nèi)部空隙的排列與大小及其自身的親疏水性有嚴(yán)格的要求。一般來(lái)說(shuō),材料的水運(yùn)輸能力和隔熱能力并不是相對(duì)獨(dú)立的2種因素,二者會(huì)相互影響。具有良好隔熱能力的材料,導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)偏小,且材料的孔隙結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)其隔熱性能有一定的影響,因此,需要調(diào)控材料的水傳輸能力和隔熱性能,使整個(gè)系統(tǒng)發(fā)揮最優(yōu)效果。在蒸發(fā)過(guò)程中,基體材料應(yīng)有效控制輸入的水分,使其可以與光熱轉(zhuǎn)換材料所生成的熱量相匹配,從而使水分和熱量之間形成一種動(dòng)態(tài)平衡,在熱量消耗完全的同時(shí)水分也剛好全部蒸發(fā)。

目前,已經(jīng)有許多材料(聚氨酯、聚苯乙烯、纖維素凝膠、木材等[28])被選為基體材料,這類材料均具有親水、隔熱、多孔隙等優(yōu)點(diǎn)。例如,纖維素泡沫不僅具有優(yōu)異的水傳輸能力和隔熱能力,還可以促進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)水分的快速蒸發(fā)[29];天然木材也因自身優(yōu)異的孔徑分布以及隔熱性能用于太陽(yáng)能界面蒸發(fā)的基體材料[30],主要原因包括:1)木材的構(gòu)造中擁有由天然導(dǎo)管和篩管組成的孔隙結(jié)構(gòu),具備良好的水輸送能力; 2)通過(guò)簡(jiǎn)單的表面改性后,木材可以具備優(yōu)異的光吸收和光熱轉(zhuǎn)換能力; 3)木材作為一種儲(chǔ)備豐富的可再生資源,自身具有良好的親水性、水輸送能力和導(dǎo)熱系數(shù)低等特點(diǎn)。

木細(xì)胞由3種主要成分組成,分別為纖維素((C6H10O5)n)、半纖維素(由戊糖和己糖為單元構(gòu)成的帶有支鏈的聚合物)和木質(zhì)素(苯基丙烷為單元的聚合物),它們相互交織,提供了必要的機(jī)械完整性[31]。木材的親水性表面非常適合通過(guò)毛細(xì)作用將水輸送到受熱溫度較高的區(qū)域,即將水分從蒸發(fā)器的低端輸送到頂部熱層。木材中含量豐富的羥基可以與水形成氫鍵,從而降低水分的蒸發(fā)焓,但過(guò)強(qiáng)的親水性會(huì)導(dǎo)致水分在蒸發(fā)器頂部堆積,造成不必要的熱損失,導(dǎo)致蒸發(fā)效率降低以及鹽積累等問(wèn)題,因此,通常通過(guò)控制木材的高度調(diào)控水分的運(yùn)輸速率和蒸發(fā)速率,或通過(guò)提升木材表面的疏水性限制水的滲透[32-34]。

天然木材中豐富的孔隙結(jié)構(gòu)有助于提高蒸發(fā)器的儲(chǔ)水能力,一般可提升至100%～170%,是一種優(yōu)良的儲(chǔ)水和水傳輸介質(zhì)[35]。此外,木材的多孔結(jié)構(gòu)和低密度可以使其漂浮在水面上,使木材基太陽(yáng)能蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)自漂浮功能[36]。木材內(nèi)部的空隙結(jié)構(gòu)主要包括軸向系統(tǒng)和徑向系統(tǒng)兩類,其中軸向系統(tǒng)負(fù)責(zé)在樹(shù)干中上下輸送水分,而徑向系統(tǒng)則負(fù)責(zé)從樹(shù)干到樹(shù)皮的水分運(yùn)輸。這2個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)具有許多微通道和納米通道的分級(jí)多孔網(wǎng)絡(luò),有利于水分的擴(kuò)散[37]。在這些孔隙結(jié)構(gòu)的毛細(xì)管力驅(qū)動(dòng)下,自由水可以沿著木纖維細(xì)胞或管胞在生長(zhǎng)方向上移動(dòng)或在交叉運(yùn)輸路徑中沿著紋孔和木射線移動(dòng),因此,利用上述水輸送系統(tǒng),可以將大量水連續(xù)泵送到木材蒸發(fā)器的蒸發(fā)表面[38]。

木材是一種隔熱材料,其導(dǎo)熱系數(shù)與木材密度呈線性正相關(guān)[36],且木材自身的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征使其具有獨(dú)特的各向異性導(dǎo)熱系數(shù)[39]。為實(shí)現(xiàn)高效的太陽(yáng)能海水淡化,需要降低整個(gè)系統(tǒng)的熱損失。相比于傳統(tǒng)的二維界面蒸發(fā),使用三維木材蒸發(fā)器可以將熱量局限在蒸發(fā)界面,從而減少向水體中的熱量損失。此外,三維設(shè)計(jì)的木材蒸發(fā)器可以通過(guò)構(gòu)造較冷的蒸發(fā)界面,從環(huán)境中獲取熱量,減少了自然對(duì)流和環(huán)境輻射等引起的熱量散失[40],因此,通過(guò)木材蒸發(fā)器的合理設(shè)計(jì),可以充分利用其隔熱性能和環(huán)境能量,是一種十分有應(yīng)用前景的材料。

2 光熱材料-木材蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

木材具有優(yōu)異的多孔結(jié)構(gòu)、超親水性、高強(qiáng)度質(zhì)量比和隔熱性能良好等優(yōu)點(diǎn),是太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)系統(tǒng)的理想基底之一?；谀静牡恼舭l(fā)器在太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)的過(guò)程、成本、能源效率和環(huán)境可持續(xù)性等方面均展現(xiàn)出了巨大的潛力[41]。目前,從木質(zhì)膜到木塊,從實(shí)心木到木顆?；蚰纠w維,各種類型的木材基蒸發(fā)器均得到了迅速發(fā)展[36]。

圖2所示為典型的光熱材料-木材蒸發(fā)器原理示意圖。木材基蒸發(fā)器通常由光熱轉(zhuǎn)換層和基底構(gòu)成,見(jiàn)圖2(a)。頂層主要是由光熱材料組成的光熱轉(zhuǎn)換層,起到光吸收和光熱轉(zhuǎn)換的作用;底層由木塊構(gòu)成,具有支撐光熱材料、將水輸送到蒸發(fā)器表面和防止熱量向水體傳導(dǎo)等作用。木質(zhì)基底由大量的微納米通道構(gòu)成,通過(guò)毛細(xì)力作用輸送水分[36]。在陽(yáng)光照射下,除小部分光被散射外,大部分光均被光熱材料轉(zhuǎn)化為熱能。粗糙的蒸發(fā)器表面可以減少光散射,從而提升蒸發(fā)器的光吸收效率[42]。此外,針對(duì)材料和熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以將水傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射造成的熱損失降至最低[43]。

(a)雙層木材蒸發(fā)器[36]

通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可以改變木材蒸發(fā)器中光熱界面和水蒸汽運(yùn)輸位置,使其性能發(fā)生變化,進(jìn)而提升蒸發(fā)性能[44]。例如,Ghafurian等[45]設(shè)計(jì)了一種下層木材、中層脫木質(zhì)素木材和上層鐵-鉛納米顆粒構(gòu)成的三層木材基蒸發(fā)器,在3倍太陽(yáng)光照強(qiáng)度(300 mW·cm-2)下的蒸發(fā)速率達(dá)到3.28 kg·m-2·h-1。Gan等[46]在木材基底上涂覆一層納米纖維,再沉積Fe3O4納米顆粒,并通過(guò)外部磁鐵的驅(qū)動(dòng)使納米纖維形成一種具有高表面積和光吸收能力的三維花狀結(jié)構(gòu),該蒸發(fā)器在1倍太陽(yáng)光照強(qiáng)度下的蒸發(fā)速率為1.39 kg·m-2·h-1。這些研究為組裝性能優(yōu)異的木材蒸發(fā)器提供了新思路,但其工藝復(fù)雜和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性仍然是應(yīng)用過(guò)程需要解決的主要問(wèn)題。

蒸發(fā)器的2個(gè)表面一般都是親水的,能夠產(chǎn)生毛細(xì)作用,提高水傳輸效率,然而,過(guò)高的親水性會(huì)導(dǎo)致上表層形成較厚的水膜,不僅導(dǎo)致熱損失增加,還在生成蒸汽的過(guò)程中產(chǎn)生鹽結(jié)晶,從而降低蒸發(fā)器的蒸發(fā)效率。Kuang等[47]為了提高防止鹽結(jié)晶性能,開(kāi)發(fā)了一種包含排鹽裝置的新型太陽(yáng)能界面蒸發(fā)器,即在碳化后木材基底上鉆孔,從而得到一種實(shí)時(shí)自再生蒸發(fā)器,見(jiàn)圖2(b)。在太陽(yáng)能海水淡化過(guò)程中,鉆孔孔道和木材孔道之間的鹽濃度梯度作為快速鹽交換的途徑,使得孔道中的鹽分被重新分布,因此,在連續(xù)太陽(yáng)能蒸發(fā)海水淡化的過(guò)程中,與天然木材孔道相比,鉆孔孔道具有較高水力傳導(dǎo)率,進(jìn)而產(chǎn)生更高的鹽稀釋速度,這是防止蒸發(fā)器中鹽積聚的關(guān)鍵。

3 光熱轉(zhuǎn)換粉體材料結(jié)合木材的太陽(yáng)能界面蒸發(fā)器

光熱轉(zhuǎn)換能力是影響太陽(yáng)能界面蒸發(fā)效率的關(guān)鍵因素之一,較高的光熱轉(zhuǎn)換效率可以促進(jìn)更多蒸汽的產(chǎn)生[48]。木材自身的光吸收主要依靠木質(zhì)素,所以其吸光率遠(yuǎn)低于其他光熱材料[49]。為提高木材基蒸發(fā)器的光熱轉(zhuǎn)換效率,在其表面涂覆一層光熱轉(zhuǎn)換材料是一種有效的方法。這些材料一般呈黑色,具有較高的光吸收性,如介孔3D石墨烯[50]、煤瀝青碳點(diǎn)[51]、WO3-x納米棒[42]等光熱材料在木材基蒸發(fā)器的實(shí)驗(yàn)中均表現(xiàn)出優(yōu)異的光轉(zhuǎn)換效率。除此之外,石墨、蠟燭煙灰納米顆粒、墨汁等材料[52-53],雖然其效果相對(duì)較差,但因具有成本低、制備簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn),也成為研究熱點(diǎn)。

3.1 碳基材料與木材復(fù)合

木材表面炭化是形成光熱轉(zhuǎn)換層的一種簡(jiǎn)單高效的方法,主要包括表面加熱、火焰煅燒和激光處理等[54]。木材表面的炭化程度、炭層結(jié)構(gòu)以及炭化厚度均對(duì)炭化木材蒸發(fā)器的性能有顯著影響[42]。例如,Zhu等[38]對(duì)美國(guó)椴木表面進(jìn)行簡(jiǎn)單的表面炭化,形成獨(dú)特的雙層結(jié)構(gòu),在整個(gè)太陽(yáng)光譜上的吸收率高達(dá)99%,當(dāng)處于10倍太陽(yáng)光強(qiáng)時(shí),蒸發(fā)效率達(dá)到80.4%。

木材表面負(fù)載光熱轉(zhuǎn)換粉體材料也能夠提升蒸發(fā)器的光熱轉(zhuǎn)換效率。例如,田杰等[55]以三聚氰胺泡沫為3D支撐體,石墨烯-氧化石墨烯復(fù)合納米片為前軀體,制得3D石墨烯-還原氧化石墨烯-碳泡沫。該蒸發(fā)器在1倍太陽(yáng)光照強(qiáng)度下的光吸收率可達(dá)到96.6%,蒸發(fā)速率為1.54 kg·m-2·h-1。

圖3所示為典型的碳基材料-木材蒸發(fā)器的制備原理示意圖。Chao等[56]將脫除木質(zhì)素的木棉科輕木與木質(zhì)素衍生的碳量子點(diǎn)結(jié)合在一起,設(shè)計(jì)了一種具有生態(tài)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的新型光熱蒸發(fā)系統(tǒng),見(jiàn)圖3(a),蒸發(fā)速率為1.18 kg·m-2·h-1。該系統(tǒng)利用天然木材中低曲折度的管孔結(jié)構(gòu)與優(yōu)異的各向異性導(dǎo)熱系數(shù)的獨(dú)特性質(zhì),將脫木素處理后的木材作為太陽(yáng)能蒸發(fā)體系基底; 同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)木質(zhì)組分的全內(nèi)循環(huán)利用,通過(guò)一鍋法將脫除的木質(zhì)素經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)改性進(jìn)行自組裝,成功制備了具有一定光熱轉(zhuǎn)換效率的木質(zhì)素基衍生碳量子點(diǎn),并原位修飾至脫木素木材內(nèi),實(shí)現(xiàn)了全木組分的高效循環(huán)利用。

(a)木質(zhì)素衍生碳量子點(diǎn)-輕木蒸發(fā)器[56]

Hu等[57]將石蠟火焰不完全燃燒的碳納米顆粒原位沉積在松木表面,制得一種新型雙層太陽(yáng)能蒸發(fā)器,見(jiàn)圖3(b)。該蒸發(fā)器在1倍太陽(yáng)光照強(qiáng)度下的蒸發(fā)速率達(dá)到2.06 kg·m-2·h-1,光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到90%,且長(zhǎng)期穩(wěn)定性好,自潔能力強(qiáng),具有良好的抗酸堿能力。

3.2 金屬納米材料與木材復(fù)合

Aziznezhad等[58]將堿土金屬摻雜VO2納米粒子作為高效光熱材料涂覆在楊木上,用于太陽(yáng)能蒸發(fā),在1倍太陽(yáng)光照強(qiáng)度下的蒸發(fā)效率達(dá)到93.45%,且在3倍太陽(yáng)光照強(qiáng)度下的蒸發(fā)速率最高達(dá)到5.26 kg·m-2·h-1。

Zhu等[59]將銅基金屬有機(jī)框架材料(copper-based metal organic framework,Cu-MOF)涂覆在天然巴爾沙木表面形成木材蒸發(fā)器,Cu-MOF層緊密地附著在木材的頂部和底部表面,見(jiàn)圖4。低導(dǎo)熱率的木質(zhì)基材負(fù)責(zé)連續(xù)輸水,頂面的黑色Cu-MOF提供了寬帶和強(qiáng)光吸收,而水下親水Cu-MOF層則具有高親水性。通過(guò)優(yōu)化木材厚度改善了其蒸發(fā)效率,當(dāng)木材厚度為10 mm時(shí),該蒸發(fā)器的蒸發(fā)效率達(dá)到1.80 kg·m-2·h-1。

圖4 Cu-MOF-木材蒸發(fā)器示意圖[59]

3.3 半導(dǎo)體與木材復(fù)合

Song等[60]提出了一種上層疏水、下層親水的木材蒸發(fā)器,見(jiàn)圖5。首先用NaClO2脫除椴木中的木質(zhì)素,以提高其潤(rùn)濕性和熱性能,隨后在木材表面涂覆一層很薄的Fe3O4作為光熱轉(zhuǎn)換材料;同時(shí)為了提高木材和半導(dǎo)體之間的親和力,在吸收層中加入了聚乙烯醇分子(polyvinyl alcohol,PVA)。在20 ℃和60%相對(duì)濕度的條件下,該蒸發(fā)器在1倍太陽(yáng)光照強(qiáng)度下的蒸發(fā)速率為1.3 kg·m-2·h-1,光熱轉(zhuǎn)換效率為73%。

圖5 Fe3O4-PVA涂層木材蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)示意圖[60]

He等[61]將各種木材浸泡在單寧酸溶液中制得改性木材(Wood-TA),然后再浸入Fe2(SO4)3溶液中制得Wood-TA-Fe3+。該方法所制得的Wood-TA-Fe3+蒸發(fā)器在1倍太陽(yáng)光照強(qiáng)度下的蒸發(fā)速率達(dá)到1.85 kg·m-2·h-1,且具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和抗原油污染能力,在海水淡化中具有很好的應(yīng)用前景。

3.4 有機(jī)聚合物與木材復(fù)合

Zou等[62]開(kāi)發(fā)了一種精氨酸摻雜聚多巴胺和樟木相結(jié)合的復(fù)合材料,具有可生物降解和可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)點(diǎn),具有十分廣泛的應(yīng)用前景。該木材蒸發(fā)器具有優(yōu)異的吸水性和透水性,在1倍太陽(yáng)光照強(qiáng)度下的蒸汽產(chǎn)生效率約為77%,且能夠進(jìn)行持久的蒸發(fā)(100 h)。

Wang等[63]通過(guò)吡咯在木材表面的原位聚合,開(kāi)發(fā)了一種具有深色涂層的木材基太陽(yáng)能界面蒸發(fā)裝置,見(jiàn)圖6。黑色PPy的負(fù)載顯著提高了木材的光吸收能力,使蒸發(fā)器從紫外線到近紅外區(qū)域(波長(zhǎng)為300～2 500 nm)的寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有較高的吸收效率(>90%),在1倍太陽(yáng)光照強(qiáng)度下的蒸汽產(chǎn)生效率約為72.5%。

圖6 PPy涂層木材蒸發(fā)器示意圖[63]

將不同的光熱轉(zhuǎn)換粉體材料負(fù)載到木材上,實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能界面的高效蒸發(fā),為綠色環(huán)保、性能優(yōu)異的木材基蒸發(fā)器提供了新思路,但這些蒸發(fā)器的穩(wěn)定性、對(duì)微生物的易感性以及簡(jiǎn)化制備工藝仍然是后續(xù)研究和應(yīng)用過(guò)程中需要解決的主要問(wèn)題。

4 結(jié)論與展望

本文中綜述了太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)及光熱材料-木材蒸發(fā)器的研究現(xiàn)狀,分析了不同光熱材料結(jié)合木材的蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能。

1)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)可以充分利用太陽(yáng)能,通過(guò)光熱裝換,對(duì)海水、咸水、再生水等進(jìn)行界面蒸發(fā),是一種替代傳統(tǒng)加熱獲取清潔淡水的很有前途的方法。

2)選擇合適的光熱材料進(jìn)行高效光熱轉(zhuǎn)換是高性能太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)的關(guān)鍵之一,碳基材料、金屬納米材料、半導(dǎo)體和有機(jī)聚合物是常用的光熱材料。

3)利用木材本身的優(yōu)異性能進(jìn)行結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì),不僅保留了其良好輸水性能和較低導(dǎo)熱系數(shù)等優(yōu)點(diǎn),還改善了其吸光率低及耐久性差等不足,進(jìn)一步提升了太陽(yáng)能界面蒸發(fā)器的性能,例如:對(duì)木材表面進(jìn)行改性使其額外具備高效的寬帶光吸收和光熱轉(zhuǎn)換性能;將木材與各種光熱材料結(jié)合,提高了其對(duì)太陽(yáng)光的吸收與轉(zhuǎn)換效率,進(jìn)而提升蒸發(fā)效率;在木材基底鉆孔可以提高其防鹽結(jié)晶能力,有利于穩(wěn)定長(zhǎng)久使用。

4)基于光熱材料-木材的太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)的研究,為生產(chǎn)潔凈水和解決淡水資源匱乏問(wèn)題提供了新的思路,而且木材的來(lái)源廣,獲取成本低,十分適合制造蒸發(fā)器,從而節(jié)約成本,便于太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)的普及與推廣。

木材基太陽(yáng)能界面蒸發(fā)系統(tǒng)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,在實(shí)際開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中仍存在一些問(wèn)題。例如,木材表面光熱涂層復(fù)雜的制備工藝、高昂的成本以及高能耗問(wèn)題,均會(huì)影響木材基蒸發(fā)器推廣與使用;與其他材料的蒸發(fā)器相比,目前的木材基蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率和效率仍然較低;木材的某些預(yù)處理方法,如水熱處理、脫木素處理等,僅限于小尺寸的木塊,不利于木材基蒸發(fā)器的推廣與使用。

在今后的木材功能性研發(fā)及應(yīng)用于太陽(yáng)能界面蒸發(fā)過(guò)程中,應(yīng)通過(guò)多種方式進(jìn)一步改善蒸發(fā)器的各項(xiàng)性能。

1)針對(duì)木材光吸收效率低、負(fù)載吸光材料成本高的問(wèn)題,應(yīng)不斷研發(fā)新型光熱轉(zhuǎn)換材料,降低材料的制備成本以及制備難度,以獲得高光熱轉(zhuǎn)換效率的多功能性木材基太陽(yáng)能蒸發(fā)器。

2)造成蒸發(fā)速率低的原因一是相變過(guò)程中液態(tài)水的等效蒸發(fā)焓較高,二是熱輻射和熱傳導(dǎo)造成的熱量損失占用了部分光熱轉(zhuǎn)化的熱量。為了提高蒸汽產(chǎn)生效率,可以調(diào)控木材蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)(孔隙率、孔徑分布和曲折度),進(jìn)一步研究并明確其傳熱和傳質(zhì)機(jī)制,還可以控制木材的多孔網(wǎng)絡(luò)以匹配水的相變和蒸汽擴(kuò)散的速率。

3)針對(duì)蒸發(fā)器的實(shí)用性問(wèn)題,應(yīng)嘗試將小木塊組裝成大木板蒸發(fā)器,以提高蒸發(fā)器的可擴(kuò)展性。橫向組織(如凹坑和射線薄壁組織)可以通過(guò)垂直路徑將水泵送到生長(zhǎng)方向,使用木材的橫截面作為蒸發(fā)界面,以提高其實(shí)用性。

利益沖突聲明(Conflict of Interests)

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻(xiàn)(Author’s Contributions)

潘琪、李靜、閆良國(guó)參與了論文的寫作和修改。所有作者均閱讀并同意了最終稿件的提交。

The manuscript was drafted and revised by PAN Qi,LI Jing and YAN Liangguo,all authors have read the last version of paper and consented for submission.