织物基载体在含盐废水蒸发处理中的应用

刘 捷， 仝胜录， 李小端， 刘立国， 何加浩， 李文斌， 熊日华

(1. 北京低碳清洁能源研究院, 北京 102211； 2. 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室， 北京 100011；3. 武汉纺织大学 湖北省纺织新材料与先进加工技术省部共建国家重点实验室培育基地， 湖北 武汉 430200)

在采油、炼化、煤化工等行业生产过程中，不可避免地会产生大量含盐废水，这些含盐废水来源广泛，含盐量高，成分复杂[1]，被认为是最难处理的工业废水[2-3]。目前，末端浓盐水主要采用机械再压缩循环蒸发技术(MVR)[4]、 多效蒸发器蒸发技术(MED)[5]或蒸发塘[6]等技术进行处理。上述方法中，MVR、MED是利用电能或者热能对低品位水蒸气加热加压后，将其转化为高品位水蒸气，再通过冷凝产生大量的热量从而使得含盐废水蒸发，该类方法虽然具有占地小、效率高的特点，但能耗高和处理费用昂贵制约了其发展[7]；蒸发塘技术是直接将含盐废水输送至蒸发塘，通过自然蒸发实现水盐分离，该方法虽然具有能耗小、成本低的优点，但缺点是占地面积大、蒸发效率低下[8]，因此，众多环境科学工作者们致力于研究更环保、更高效的含盐废水处理方法。

近年来，人们提出采用一种太阳能蒸发的浮式结构[9]用于盐水蒸发处理，该结构能够有效利用光热转化材料的特性，将太阳能转化的热能用于盐水或者海水的高效蒸发，从而达到脱盐或者淡化处理的目的[10]。目前，太阳能驱动蒸发的光热转化材料主要有硅基材料[11]、金属材料[12]和碳基材料[13]等，该类材料对太阳光(波长范围为400～2 500 nm[14]) 的吸收率均在92%以上[15]，因此，能够有效地将太阳能转化为热能，然而硅基材料以及碳基材料成本高昂，不适宜大规模工业化生产模式。

基于上述太阳能蒸发的浮式结构，并针对其存在成本高的问题，本文提出利用纺织品具备可快速进行湿交换、透气性好、光热转换效率可调整等特点[16]，将其作为含盐废水处理的流动和蒸发载体，并研究织物厚度、透气性以及颜色对含盐废水蒸发速率的影响。此外本文利用纳米碳化锆[17]高效的吸热蓄热能力，对织物进行纳米碳化锆后整理，探究纳米碳化锆整理对含盐废水蒸发速率的影响。

1 实验部分

1.1 材料与设备

材料：工业含盐废水(质量分数为14.4%，取自某煤化工废水的蒸发塘，其成分如表1所示)；15种不同规格型号的白色涤纶织物，由天台品优滤布有限公司提供，分别记为1#～15#样品，织物规格及参数如表2所示；纳米碳化锆(ZrC，粒径为50～300 nm， 智利金属冶金有限公司)；聚氨酯(日本三菱树脂株式会社)；N，N-二甲基甲酰胺(DMF，国药集团化学试剂北京有限公司)。

设备：悬挂式蒸发架(自制)； SOBOWP-4500型水泵(深圳市兴日生实业有限公司)；FA224型电子天平(上海书培实验设备有限公司)； FLIR型红外成像仪(世界第六感美国菲力尔公司)； HD026PC型织物厚度仪(温州百恩仪器有限公司)； YG003A型织物强力仪(上海和晟仪器科技有限公司)； SG461-III型织物透气性测试仪(常州市双固顿达机电科技有限公司)； IR-24M型高温高压染色机(广州市鸿靖实验设备有限公司)； DHG101-0A型烘箱(上海东麓仪器设备有限公司)； HF-GHX-XE-300 型模拟光源(上海比朗仪器制造有限公司)。

表1 煤化工含盐废水成分Tab.1 Composition of coal chemical saline wastewater

表2 涤纶织物的规格参数Tab.2 Polyester fabric specification parameters

1.2 含盐废水蒸发实验

将涤纶织物裁剪成40 cm×40 cm，安装在如图1所示的含盐废水蒸发装置(悬挂式蒸发架)中；将蒸发装置放置于恒温恒湿实验室中，并设定环境温度为30 ℃， 相对湿度为40%；在量筒中装入1 000 mL工业含盐废水，打开水泵开始供水，供水速率为100 mL/min， 等待60 min，待织物完全润湿后，记录此时量筒中水的质量；开启模拟光源，光照强度为1 kW/m2， 每隔1 h记录量筒中含盐废水的剩余质量。

织物含盐废水蒸发速率计算公式为

图1 含盐废水蒸发实验装置示意图Fig.1 Experimental schematic diagram of saline wastewater evaporation

式中：γ为蒸发速率，kg/(m2·h)；m为含盐废水质量，g；i为测量次数；A为织物面积，m2；t为测试时间，h。

1.3 织物染色实验

采用高温染色法对织物进行染色，压力为2.02×105Pa，染浴温度为120～130 ℃。具体染色工艺为：将4种染料分散蓝、分散红、分散黄和分散黑按照一定配比制成各种颜色的染色液，染料用量为4%(o.w.f)， 浴比为1∶20，具体染料配比如表3所示；选取40 cm×40 cm的1#白色涤纶织物，放入高温高压染色机中，按表3配比染色3 h，最高温度为120 ℃；取出织物，在清水中冲洗去除多余染料后，在烘箱中于110 ℃烘干进行含盐废水蒸发实验。

表3 不同颜色染料质量配比Tab.3 Dye ratio of different colors

1.4 纳米碳化锆后整理实验

首先将聚氨酯颗粒溶解于DMF中，获得质量分数为5%的聚氨酯溶液；然后将纳米碳化锆(ZrC)颗粒加入到上述聚氨酯溶液中，配制成ZrC质量分数为5%的整理剂；最后将1#白色涤纶织物及其染色后的黑色涤纶织物浸渍在整理剂中，通过轧辊机浸轧30次，待整理剂充分渗入织物后放入烘箱于90 ℃ 烘干4 h，洗净自然晾干后得到ZrC整理织物，进行含盐废水蒸发实验。

1.5 织物光热转化性能测试

光热转化指物体将吸收的太阳光辐射集中起来转化为热能的过程，通常会以物体温度升高的形式表现出来[18],因此,本文实验选取各种颜色的涤纶织物水平放置在模拟太阳光源下，使用红外成像仪采集织物表面的初始温度；调整模拟光源的光照强度以及焦点大小和位置，使光照的焦点以及面积刚好覆盖在织物表面，模拟太阳光强为3 kW/m2， 光照1 min 后采集织物表面焦点处的温度。

1.6 织物透气性测试

依据 GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》，采用织物透气性测试仪对织物的透气性能进行检测，测试面积为50 cm2，压降为200 Pa。

2 结果与讨论

2.1 织物规格对含盐废水蒸发速率的影响

为证明含盐废水在织物表面蒸发速率高于无织物状态下的蒸发速率，对1#～7#涤纶织物进行含盐废水蒸发实验，并将含盐废水在无织物状态下的自然蒸发作为空白样(蒸发面积为40 cm×40 cm，记为0#样品)，测试结果如图2所示。

图2 不同织物样品的含盐废水蒸发速率Fig.2 Evaporation rate of saline wastewater on different fabric samples

由图2可知，1#～7#涤纶织物在相同环境温湿度条件下，蒸发速率分别为0.66、0.70、0.67、0.42、0.55、0.51、0.61 kg/(m2·h)，均高于空白样(0#) 的蒸发速率(0.14 kg/(m2·h))，因此可证明含盐废水在织物表面的蒸发速率要高于含盐废水在无织物状态下的蒸发速率，含盐废水在2#织物表面的蒸发速率相比于空白样提高了400%。除此之外，在不同织物表面含盐废水的蒸发速率也有较大差异，这可能是由于织物的厚度、透气性等因素造成的。实验证明，1#、2#、3#涤纶织物对含盐废水蒸发促进效果最好。综合考虑织物的力学性能，后续染色实验选定1#织物为含盐废水蒸发的标准织物。

2.2 织物厚度对含盐废水蒸发速率的影响

织物厚度对含盐废水在织物内部发生转移具有较大影响，而含盐废水蒸发几乎只发生在织物表面，因此，探究了织物厚度对含盐废水蒸发速率的影响。分别选用1#、8#、9#、10#、11#组织结构相同，透气率较为接近，但厚度不同的5种白色涤纶织物进行测试，结果如表4所示。

表4 织物厚度与含盐废水蒸发速率的关系Tab.4 Relationship between fabric thickness and saline wastewater evaporation rate

由表4可知，随着织物厚度的增加，含盐废水蒸发速率呈下降趋势，厚度为0.48 mm(8#)织物的含盐废水蒸发速率为0.81 kg/(m2·h)，相比于厚度为1.32 mm (11#)织物提高了63%。这是因为液态水在织物内部存在湿扩散导致的，其影响机制如图3所示。

图3 织物厚度对含盐废水蒸发的影响机制Fig.3 Mechamism of influence of fabric thickness on saline wastewater evaporation

湿扩散是因为湿度梯度的存在，导致水分由水分子浓度高的地方移向水分子浓度低的地方，扩散方程[19]为

mw=-kρ0Δw

式中：mw为水分扩散强度，kg/mm；Δw为湿度梯度；ρ0为织物绝对密度，kg/m3；k为水分传导系数，m2/h。

对上式进行整理可得：

式中：h为厚度，mm；w0为织物内部湿度，%；w1为织物表面湿度，%。

在含盐废水蒸发过程中，织物表面的水分会不断蒸发，导致其内部含水量高于外部含水量，此时织物内部的水分会向外部扩散。根据整理后的水分扩散强度公式可知，当织物厚度h增加时，湿度梯度将会减小，相应的mw的绝对值也会减小，即水分的扩散速率会减小，从而导致蒸发速率也会降低。

2.3 织物透气性对含盐废水蒸发速率影响

织物透气性影响着含盐废水在织物内部扩散速率，因此，选取1#、12#、13#、14#、15#组织结构相同以及厚度相近，但透气性不同的5种白色涤纶织物进行测试，其含盐废水蒸发速率测试结果如表5所示。

表5 织物透气性与含盐废水蒸发速率的关系Tab.5 Relationship between fabric permeability and saline wastewater evaporation rate

由表5可知，随着织物透气性的增加，含盐废水蒸发速率整体呈上升趋势，当织物透气率为126.7 L/(s·m2)(15#)时，其蒸发速率为0.80 kg/(m2·h)， 相比于53.9 L/(s·m2)(12#)织物提升了56.9%。理论上透气性越强，织物内部与外界环境气体交换速度越快，内部水分更易被压强差产生的气流带走，从而导致含盐废水蒸发速率上升；其次是织物透气性越强，说明织物在厚度方向上的孔径越大或越多，即含盐废水的湿扩散通道越大或者越多，从而导致织物内部的水分扩散至织物表面进行蒸发的速度越快[20]。

2.4 织物颜色对含盐废水蒸发速率的影响

温度对含盐废水蒸发速率影响显著，而织物颜色决定其对太阳光的吸收效果，对染色后的1#织物进行含盐废水蒸发实验，研究白色、黑色、红色、蓝色、青色、绿色、黄色以及橙色8种颜色的涤纶织物对含盐废水蒸发的促进作用，实验结果如图4所示。可知，白色、黄色、橙色、绿色、蓝色、红色、青色以及黑色织物的含盐废水蒸发速率分别为0.66、068、0.69、0.70、0.71、0.78、0.80、0.86 kg/(m2·h)， 黑色织物的蒸发速率相比于白色织物提高了30.3%。实验证明，黑色织物对太阳光的吸收效果最好，因此，黑色对含盐废水的蒸发作用最强，而白色最弱。

图4 含盐废水在不同颜色织物表面的蒸发速率Fig.4 Evaporation rate of saline wastewater with different colored fabrics

为进一步证明黑色织物的光热转换效果最好，测试了各种颜色织物在模拟光源下的升温温度，结果如表6所示。

表6 织物颜色对其光热转换效果的影响Tab.6 Relationship between fabric color and saline wastewater evaporation rate ℃

由表6可知，黑色织物的温差(21.3 ℃)比白色织物(6.4 ℃)高233.3%，不同颜色织物上太阳光吸收强弱次序依次为：黑>青>红>蓝>绿>橙>黄=白。这主要是由于不透明物体的颜色由其反射的可见光种类决定，黑色物体能吸收所有种类的可见光，而白色物体则反射所有的可见光[21]，因此，黑色织物吸收光线后能量积累最多，温度升高最快，从而导致蒸发速率最快，而白色织物几乎不吸收光线，所以能量积累最少，温度升高最慢，从而导致蒸发速率最低。

2.5 含盐废水质量分数对蒸发速率的影响

为研究上述实验中黑色涤纶织物上不同质量分数含盐废水的蒸发速率，通过对含盐废水进行预蒸发浓缩或加入去离子水稀释，调节其初始质量分数分别为5%、10%、15%、20%，测试其在黑色涤纶织物表面的蒸发速率，并将无织物状态下的含盐废水蒸发作为空白样(蒸发面积为40 cm×40 cm)，测试结果如图5所示。

图5 不同质量分数含盐废水的蒸发速率Fig.5 Evaporation rates of saline wastewater with different mass fractions

由图5可知，含盐废水的蒸发速率随其质量分数的上升而下降，在质量分数为20%时，其在黑色涤纶织物表面的蒸发速率为5%时的63.2%。这是因为溶液中的离子浓度越高其内聚力也越大[22]，蒸发所需能量也就越大，即越不易蒸发，从而导致水分子蒸发速率降低。除此之外，当质量分数为5%时，含盐废水在织物表面蒸发速率为1.14 kg/(m2·h)，为无织物状态下的5.7倍；质量分数为20%时，含盐废水的蒸发速率为0.72 kg/(m2·h)，为无织物状态下的7.2倍，这说明黑色涤纶织物对5%～20%质量分数的含盐废水蒸发均具有促进作用。

2.6 ZrC后整理对含盐废水蒸发速率影响

上述实验证明，织物表面温度是影响其蒸发速率的主要因素之一，因此，为进一步增加织物对太阳能的光热转化效率，提高含盐废水的蒸发速率，采用具有高效光热转化能力的材料纳米碳化锆[23]对织物进行涂覆后整理，以提高涤纶织物的光热转化效率。将整理前后涤纶织物进行含盐废水蒸发实验，结果如图6所示。整理后白色织物表面的蒸发速率为1.19 kg/(m2·h)，相比于未整理白色织物提高了95.3%；而整理后黑色织物的蒸发速率达到1.38 kg/(m2·h)， 相比于未整理黑色织物提高了59.6%。结果表明，纳米碳化锆整理剂整理后的涤纶织物对含盐废水蒸发具有促进作用。

图6 纳米碳化锆整理前后织物的含盐废水蒸发速率Fig.6 Salt wastewater evaporation rate of fabrics before and after ZrC treatment

为进一步验证纳米碳化锆整理剂对织物光热转化性能的优化作用，采用红外摄像仪记录了整理前后织物在模拟光源下表面温度的变化情况，测试结果如表7所示。可知：在模拟光源下，纳米碳化锆整理后白色织物的表面温度为58.4 ℃，温差相比于未整理前提高了393.8%；而纳米碳化锆整理后黑色织物的表面温度为71.7 ℃，温差相比于未整理前提高了109.4%。这是因为纳米碳化锆本身为黑色，整理后白色织物颜色变为黑色[24]，能量吸收与释放均快于未整理的原织物；除此之外，纳米碳化锆为高吸热材料，对太阳光的吸收和转化效率非常高，所以纳米碳化锆可进一步增强黑色织物的红外吸收性能，从而促进含盐废水蒸发。

表7 纳米碳化锆整理前后织物表面温度变化Tab.7 Surface temperature change of fabrics before and after ZrC treatment ℃

为验证纳米碳化锆整理剂对织物透气性能的影响，整理前后织物的透气性测试结果如图7所示。

图7 纳米碳化锆整理前后织物透气性变化Fig.7 Air permeability change of fabric before and after ZrC treatment

由图7可知，纳米碳化锆整理剂整理后白色以及黑色织物的透气性均降低，白色织物透气性降低了22.7%，黑色织物降低了23.6%。这是因为纳米碳化锆整理剂中的聚氨酯和纳米碳化锆粉体会填充在织物孔隙间，从而影响织物的透气性。在2.3节中验证了透气性越弱，含盐废水蒸发速率越低，但纳米碳化锆优良的光热转化能力可弥补透气性降低的不足。

3 结 论

本文采用悬挂蒸发装置将含盐废水在织物表面进行蒸发，其蒸发速率相比于无织物状态下提高了400%，实验证明纺织品应用于含盐废水蒸发处理领域具有一定的可行性。

1)织物厚度和透气性对含盐废水的蒸发速率影响较大，随着织物厚度的增加，其含盐废水蒸发速率随之减小，厚度为0.48 mm织物相比于1.32 mm织物的含盐废水蒸发速率提高了63%；随着织物透气性增大，其含盐废水蒸发速率随之升高，透气率为126.7 L/(s·m2)织物相比于53.9 L/(s·m2)织物提升了56.9%。

2)在相同条件下，不同颜色织物表面含盐废水蒸发速率次序为：黑>青>红>蓝>绿>橙>黄>白。黑色织物的蒸发速率相比于白色织物提高了30.3%。

3)含盐废水的质量分数越高，其蒸发速率越低，质量分数为20%时，其在黑色涤纶织物表面的蒸发速率为5%时的63.2%。含盐废水质量分数为5%～20%时，其在黑色涤纶织物表面的蒸发速率均优于无织物状态的蒸发速率，在质量分数为20%时，其含盐废水蒸发速率为无织物状态下的7.2倍。

4)对织物进行纳米碳化锆整理后，织物的透气性发生了下降，但其光热转化能力得到明显提升，在相同条件下，纳米碳化锆整理后，含盐废水在白色涤纶织物表面的蒸发速率相比于未整理的织物提高了95.3%。

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