基于碳纳米管-聚乙烯醇水凝胶的太阳能驱动界面水蒸发性能研究

2021-11-19牛晓娟李浩然洪文鹏李博宇

东北电力大学学报 2021年6期

晏哲，牛晓娟，李浩然，洪文鹏，李艳，李博宇

(东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林 132012)

淡水资源对人类的生存与发展有着不可或缺的作用[1]，近几年由于环境污染等因素导致偏远干旱地区出现严重的淡水短缺问题[2].为了解决这一问题，近年来研究学者发展了一种新型水处理技术-太阳能驱动界面水蒸发技术.通过利用可再生太阳能源[3-6]，提升水的蒸发速率，获取符合人类饮用标准的淡水.早期该技术主要采用体积加热方式加速蒸发，但该方法存在能量损耗大、蒸发速率低等问题.为了提升蒸发效率，Ghasemi等[7]使用一种可飘浮在空气-水界面的蒸发器，通过蒸发器表面与入射太阳光之间的相互作用，将入射的太阳能转换为热能并加热蒸发器表面及内部的水.该方法的优势在于蒸发过程中避免了整体水被加热，实现了蒸发表面能量的高度集中.通过使用全光谱吸收材料并采取有效措施减少能量损失，可以极大限度地提升蒸发器的光热转换效率.

由于光吸收材料在太阳能驱动界面水蒸发技术中起到至关重要的作用，对光吸收材料的广泛研究加快了该领域的发展.在现有研究中，光吸收材料主要可分为三类：金属纳米颗粒[8-11]、半导体材料[12-13]，以及碳基材料[14-16].金属纳米颗粒被选作吸光材料主要是由于其表面产生的等离激元共振效应，即入射的太阳光频率与金属材料固有频率发生共振时产生的震荡作用可以提升材料的光热转换性能.由于具有等离激元共振效应的金属纳米颗粒成本偏高，并且在长时间光照下容易发生腐蚀，故其实际应用的可拓展性较差.相对于金属纳米颗粒，半导体材料的优势是成本较低、稳定性较好，但由于其光谱吸收性能较差，通常光热转换效率最低.相比于前两种材料，碳基材料由于具有较好的化学稳定性、成本低廉、易获取、宽波段光谱吸收性能等优势，已成为最有潜力的光吸收材料.例如，Higgins等[14]利用碳纤维、Gong等[15]利用碳海绵均在1倍标准太阳强度下获得了较高的蒸发效率，制造了可重复利用、廉价、高效的太阳能吸收器.为了进一步提升光热转换能力，Ghafurian等[16]将木材通过表面改性、激光碳化和金纳米薄膜的沉积处理，在3倍标准太阳强度下获得了4 kg·m-2·h-1的蒸发速率.李秀强[17]以二维氧化石墨烯薄膜为光吸收材料，获得了约80%的光热转换效率.

另一方面，在众多的蒸发器基底材料中，聚乙烯醇(PVA)水凝胶因其良好的生物相容性、优异的亲水性能和力学性能而引起了学者关注.例如：Zhao等[18]通过冷冻干燥法制备了多孔PVA水凝胶，将微纳尺度的分级结构水凝胶作为太阳能蒸发器，PVA水凝胶分子链消除了具有局域加热功能的蒸发器的对流热损失.此外，水凝胶分子链上的亲水基团可以有效的结合水分子形成水簇，将水分子分成结合水、中间水和自由水三种形态，水凝胶独特的内部分级网状结构使水的蒸发焓降低，加速了水蒸发.在此基础上，Zhou等[19]在PVA水凝胶的制备过程中加入了壳聚糖，通过壳聚糖分子链上的亲水基团进一步提升水凝胶内部中间水的比例，获得了更快的蒸发速率.采用冷冻干燥法制备太阳能吸收体的局限性在制备工艺复杂且周期较长.为了简化材料制备工艺，Liang等[20]采用聚吡咯为光吸收材料，通过酵母发酵法制备了多孔PVA水凝胶，并且水凝胶的孔径可以通过改变酵母及葡萄糖的含量和发酵时间调节，在1倍标准太阳强度下取得了较高的蒸发速率和光热转换效率.

本文结合酵母发酵和冻融循环法，制备了CNT-PVA水凝胶.CNT的光谱吸收率较高，且其较大的比表面积和表面疏水性对水中共存的有机污染物具有很强的吸附能力；而PVA水凝胶具有无毒性、导热系数低及水输运能力强等优点.将具有宽光谱吸收性能的光吸收材料CNT与输水性能良好的PVA水凝胶复合后应用于太阳能驱动界面水蒸发系统，在1倍标准太阳强度下实现了1.43 kg·m-2·h-1的蒸发速率和92.4%的光热蒸发效率.此外，CNT-PVA水凝胶制备成本低，上述优势使其在太阳能驱动界面水蒸发中展现了较大的应用潜力.

1 实验方法介绍

1.1 化学试剂

PVA(醇解度：99.0mol%～99.4 mol%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，石墨化多壁CNT(>99.9%，内径5 nm～10 nm，外径10 nm～20 nm，长度10 μm～30 μm，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，酵母(安琪酵母股份有限公司)，葡萄糖(重庆和平制药有限公司).

1.2 CNT-PVA水凝胶制备

将4 g PVA、150 mg CNT、300 mg葡萄糖加入16 mL水中超声处理20 min；然后在水浴温度为95 ℃的集热式恒温加热磁力搅拌器中搅拌加热90 min，转速为20 rpm；随后取出样品室温冷却30 min；冷却过程中另取1 g酵母加入3 mL水中，搅拌至酵母完全溶解；然后将1 mL酵母溶液加入CNT-PVA混合溶液中搅拌均匀，并在40 ℃环境中恒温发酵40 min；随即将样品放置于-18 ℃冰箱冷藏12 h、室温解冻6 h，冻融过程结束后制得CNT-PVA水凝胶，其厚度为10 mm.此外，本文通过上述相似方法制备了不含CNT的PVA水凝胶作为对照组.

1.3 蒸发器结构设计

用于太阳能驱动界面水蒸发性能研究的蒸发器如图1所示.首先将1.2节制备的CNT-PVA水凝胶在足量的水中浸泡2 h，使其充分膨胀，然后将其裁剪为与玻璃容器内径相等的圆柱体结构(44 mm)，随后将其置于充满室温自来水的玻璃杯表面并擦干溢出的水分.蒸发过程中，CNT-PVA水凝胶内部丰富的孔隙结构可使体相水在毛细力作用下从水凝胶的底部和侧面输送至上表面，为蒸发过程源源不断的提供水分.

图1 CNT-PVA水凝胶蒸发器原理图

1.4 太阳能驱动界面水蒸发实验介绍

太阳能驱动界面水蒸发实验原理如图2所示，首先采用标准太阳能电池(RCCN，北京中教金源科技有限公司)将蒸发面高度的光照强度校正为1 kW·m-2，校正完成后在太阳光模拟器(7LS1003A，北京赛凡光电仪器有限公司)正下方放置电子天平(SQP，赛多利斯科学仪器有限公司)，随后将1.3节所述蒸发器置于电子天平上进行蒸发实验.连续光照过程中每隔30 s记录电子天平上的显示数据(即蒸发总量)，并自动传输到计算机数据表中；同时通过红外热像仪(T250，美国FLIR SYSTEMS公司)实时监测蒸发过程样品的温度分布.根据稳态蒸发速率可计算光热蒸发效率[7]：

图2 太阳能驱动界面水蒸发实验装置图

(1)

hlv=λlv+CpΔT，

(2)

公式中：λlv为大气压力下水的汽化潜热(2.257 MJ·kg-1)；Cp为水的比热容(4.2 kJ·kg-1·K-1)；ΔT为表示水的温升(K).

2 结果与讨论

2.1 太阳能吸收器物性测量

在太阳能驱动界面水蒸发过程中，吸光材料的光谱吸收性能和水输运能力是影响蒸发性能的主要因素[22].为了表征光学性能，采用紫外-可见-近红外分光光度计测量了300 nm～2 500 nm波长范围内CNT-PVA与PVA水凝胶的反射光谱及透射光谱.并根据下式计算样品的光谱吸收特性：

A(λ)=1-R(λ)-T(λ)，

(3)

公式中：A(λ)、R(λ)、T(λ)分别为吸光材料的光谱吸收率、反射率及透射率；λ为太阳光波长.

根据图3可知，PVA水凝胶的太阳光反射率及透射率远远大于CNT-PVA水凝胶，PVA水凝胶在300 nm～1 500 nm之间的太阳光吸收能力较弱，而CNT-PVA水凝胶的太阳光反射率很小，并且透射率几乎为零，证明了CNT具有非常优异的太阳能吸收性能.通过积分计算得出CNT-PVA水凝胶的吸收率达到97.0%.

图3 300～2 500 nm波段内(a) PVA和(b) CNT-PVA水凝胶的光学性能

为了验证CNT-PVA水凝胶的水输运性能，对其孔隙率及亲水性进行了测试.孔隙率通过吸水前后的单位体积比重进行测量，实验方法为：将CNT-PVA水凝胶充分吸水后称重，然后将其在室温干燥2天，测得干燥后的CNT-PVA水凝胶质量.结果表明，充分吸水和干燥CNT-PVA水凝胶的比重分别为0.854和0.144，如图4(a)所示，由此可得CNT-PVA水凝胶的孔隙率为71%.CNT-PVA水凝胶的亲水性通过接触角测量仪测量，如图4(b)所示.当7 μL液滴滴入CNT-PVA水凝胶表面时，在21 ms内迅速在CNT-PVA水凝胶表面铺开，证明了CNT-PVA水凝胶具有优异的亲水性.因此，CNT-PVA水凝胶由于其内部的多孔结构及亲水性可以为蒸发过程提供良好的水输运及蒸汽逃逸通道，确保蒸发过程持续不断的水供给.

图4 CNT-PVA水凝胶的水输运性能

2.2 太阳能驱动界面水蒸发性能

为了测试CNT-PVA水凝胶的太阳能驱动界面水蒸发性能，在1倍标准太阳强度下记录了其温度及蒸发量变化，以此计算蒸发过程中的稳态蒸发速率与效率，并以PVA水凝胶和纯水蒸发为对照实验.图5(a)为1倍标准太阳强度下CNT-PVA、PVA水凝胶及纯水系统的单位面积蒸发量随时间的变化关系，在蒸发过程中，由于入射的光子被系统接收后转换成热能，并为水蒸发提供所需能量.因此，随着时间的增长，系统收集的光子逐渐累积，整体温度逐渐升高，系统的散热损失、水分蒸发及收集光子能量逐渐趋于动态平衡(光照约20 min后)，此时可认为整个系统处于稳态蒸发阶段.

图5 在1倍标准太阳强度下水、PVA和CNT-PVA蒸发器(a)单位面积蒸发量(b)表面温度随辐照时间的变化关系

根据水的单位面积蒸发量与时间关系分析可得，在1倍标准太阳强度下，纯水的稳态蒸发速率为0.49 kg·m-2·h-1，PVA水凝胶蒸发器的稳态蒸发速率为0.82 kg·m-2·h-1，在PVA水凝胶中加入CNT作为光吸收材料时，CNT-PVA水凝胶蒸发器的稳态蒸发速率达到1.43 kg·m-2·h-1.通过公式(1)和公式(2)计算的纯水蒸发器的蒸发效率为31.1%.当使用PVA水凝胶构建蒸发器时，蒸发效率提升到了51.9%.在PVA水凝胶中加入CNT作为光吸收材料后，由于CNT具有优异的光谱吸收性能(参见图3(b))，蒸发效率高达92.4%，如图6(a)所示.图6(b)所示温度分布云图证实了CNT-PVA水凝胶可以有效减少散热损失，实现蒸发器上表面的高效局域加热.光照初始阶段的温度约为24 ℃，虽然PVA水凝胶可以减小散热，但由于其表面对太阳能可见光波段的反射及透射能力较强(参见图3(a))，蒸发过程中其表面温度变化较小.但在CNT-PVA水凝胶蒸发器的温度-时间曲线图中可以观察到光照20 min内蒸发器表面温度快速升高，约在30 min后达到准静态温度(40 ℃)，大于PVA水凝胶的表面温度，证实了CNT-PVA水凝胶的局域加热能力.通过上述结果可知，在太阳光辐照下，作为光热转换材料的CNT与入射太阳光之间相互作用产生热载流子，引起蒸发器表面温度迅速增加，并加热蒸发器表面及内部的水.水分子在接收热量后转化为蒸汽，从蒸发器表面的多孔结构逃逸.由于蒸发器自身较低的导热系数抑制了表面热量向本体水域温度的传递，保持了蒸发器表面的局域高温.在蒸发过程持续一段时间后，系统的蒸发量与蒸发器表面温度逐渐趋于平衡.此外，蒸发器的亲水性及内部存在的多孔结构可以保证本体水域中的水源源不断地向蒸发器表面输送，保证蒸发过程的连续发生.

图6 在1倍标准太阳强度下进行太阳能驱动界面水蒸发实验(a)稳态蒸发速率(左)，光热转换效率(右)(b)根据红外热像仪记录PVA水凝胶与CNT-PVA水凝胶的温度变化

2.3 能量平衡分析

为了确定蒸发过程中的能量利用情况，根据蒸发器的温度变化及蒸发性能分析了稳态条件下CNT-PVA水凝胶的热损失.CNT-PVA水凝胶在稳态条件下的能量转移可分为六类：(1)蒸发相变焓；(2)蒸发器顶部向环境的对流热损失；(3)蒸发器顶部向环境的辐射热损失；(4)蒸发器顶部向环境的光反射损失；(5)蒸发器向本体水域的导热损失；(6)侧面和底部表面向环境的对流热损失[21].

(1)蒸汽产生过程的蒸发相变焓：蒸发过程中水的蒸发相变焓等于仅由光照引起的稳态蒸发效率，考虑黑暗状态下的水蒸发效率(22.6%)，仅由光照引起的蒸发相变焓为69.8%.

(2)蒸发器顶部向环境的对流热损失

对流热损失可以使用Newton冷却公式计算：

Qconv=hAts(Tts-Tf)，

(4)

公式中：h=5 W·m-2·K-1为空气的自然对流换热系数；Ats=1.519×10-3m-2为蒸发器顶面面积；Tts和Tf分别为顶面热力学温度和环境热力学温度.因此，蒸发器顶部向环境的对流热损失为

(3)蒸发器顶部向环境的辐射热损失

辐射损失可用Stefan-Boltzmann定律计算：

(5)

(4)蒸发器顶部向环境的反射损失

蒸发器顶部向环境的光反射损失等于CNT-PVA水凝胶的反射率(2.6%).

(5)蒸发器向本体水域的导热损失

导热损失为CNT-PVA水凝胶向本体水域的导热损失.根据水的温度梯度和Fourier定律可以计算：

(6)

(6)蒸发器侧面和底部表面向环境的对流热损失

上述五类能量转换之和约为95.1%.因此，蒸发器侧面和底部表面向环境的对流热损失约为4.9%.

综上分析，CNT-PVA水凝胶蒸发器仍存在着较大的热损失.其中包括蒸发器顶部向环境的对流和反射损失(8.1%和2.6%)，向本体水域的导热损失(4.7%)，以及从蒸发器侧面和底部表面向周围环境的对流热损失(4.9%).为了进一步提高CNT-PVA水凝胶蒸发器的蒸发性能，后期工作将通过优化蒸发器结构减小CNT-PVA水凝胶的散热损失，进而提升蒸发性能.