丝瓜络织物基光热水蒸发器件的编织及其性能

2022-04-03赵国猛潘露琪肖杏芳

纺织高校基础科学学报 2022年1期

赵国猛，潘露琪，陈贝，陈涛，肖杏芳

（武汉纺织大学省部共建纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室，湖北武汉 430200）

随着当今世界人口的增长以及工业化的发展，淡水资源的短缺已成为影响进一步发展的重要问题，快速、节能的水净化技术成为研发重点[1-2]。太阳能作为一种绿色、可持续的可再生能源，一直受到学术界和工业界的关注[3]。尽管太阳能具有巨大的潜力，但其有限的利用效率仍是一个亟待解决的问题[4]。过去的几十年里，在光催化[5]、光电转换[6]，光热转换[7]等领域都取得了一定进展。在光热转换方面，利用光热材料将太阳能转化为热能促进蒸发，即界面太阳能蒸汽产生技术已经成为研究热点[8]。

当前，各种各样的材料被开发应用于此技术中。例如金属纳米粒子[9]、半导体[10]以及生物质材料[11]等。其中，具有成本低廉、比表面积大、环境友好、可再生等特点的生物质材料越来越受到研究人员的关注。目前，已有利用木材［12］、甘蔗[13]、向日葵[14]等生物质材料制造高效太阳能蒸发器件。丝瓜络作为一种自然界常见的天然可再生可降解材料，主要由亲水性纤维素、半纤维素和少量疏水性木质素组成，亲水性能良好[15]。此外，丝瓜络纤维具有独特的天然三维多孔结构，这种结构可以有效增加蒸发面积，有助于蒸汽的逸出[16]。这些优点已经使其成功地应用于太阳能界面蒸发系统中[16-17]。但是，由于丝瓜络自身尺寸的限制，很难进行大样品的制作，难以应用于实际生产中。

本文首先在丝瓜络表面聚合，生成具有优异吸光性能以及光热转换性能的聚吡咯［18］，然后以其为纬纱，棉线为经纱，利用平纹结构进行编织，织造出了一种将供水层和蒸发层连接在一起的一体式结构的丝瓜络-棉织物。这样既可以超越丝瓜络自身尺寸的限制，又不影响其本身的多孔结构特点。将编织出来的丝瓜络-棉织物和发泡聚乙烯泡沫进行组合，设计了桥式的太阳能蒸发器件，即丝瓜络织物基一体化光热水蒸发器。该蒸发器件以改性丝瓜络为光热材料，以棉线为供水通道，以发泡聚乙烯泡沫做隔热和漂浮层，进行太阳能界面水蒸发研究。探讨了改性丝瓜络织物基一体化光热水蒸发器件的性能以及户外实验情况。为廉价易得的生物质材料在光热水蒸发获取洁净淡水提供了新的思路。

1 实验

1.1 材料、试剂和仪器

材料：丝瓜络（湖北省武汉市江夏区）；棉线（180 tex，浙江省义乌市腾霄线带有限公司）；发泡聚乙烯泡沫（Expanded Polyethylene，EPE，上海诩冠包装材料有限公司）。

试剂：三氯化铁、吡咯、氯化钠、无水乙醇、甲基橙（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）。

仪器：热场发射扫描电子显微镜（Sigma 500，德国卡尔蔡司公司）；配备积分球的紫外可见近红外（UV-vis-NIR）光谱仪（UV-3600Plus，日本津岛公司）；红外热像仪（FLIR-E6390，前视红外系统贸易（上海）有限公司）；氙灯（CELHXF300，北京教育奥光有限公司）；高精度电子天平（QUINTIX224-1CN，德国赛多利斯公司，精度0.000 1 g）。

1.2 丝瓜络的聚吡咯改性

首先将丝瓜络放在吡咯溶液中浸泡30 min，吡咯被吸附在丝瓜纤维表面；然后将其转移到三氯化铁溶液之中，磁力搅拌1 h，通过三氯化铁的氧化作用，吡咯单体在丝瓜纤维表面聚合成聚吡咯；最后用质量分数为5%的乙醇溶液冲洗干净纤维表面多余的聚吡咯残渣，并放置烘箱内干燥，得到聚吡咯改性后的丝瓜络。

1.3 丝瓜络-棉织物的编织

图1 为聚吡咯改性后丝瓜络-棉织物（PPy-luffa cotton fabric，PLCF）的编织及一体化器件的构建过程，亲水棉线沿经向排列，丝瓜络沿纬向排列，采用平纹组织织造。第一步，使用亲水棉线作为经纱和纬纱，织造3 cm；第二步，将纬纱换成剪裁好的丝瓜络纤维（3 cm×0.7 cm），编织4 组；第三步，继续使用亲水棉线作为纬纱，织造3 cm。最后，将编织好的PLCF和EPE泡沫组装在一起，前后两端织造的棉线层作为供水层，中间的丝瓜络作为吸光材料，进行光热转化以及蒸发，组成类似于桥式的丝瓜织物基一体化光热水蒸发器件。

图1 光热水蒸发器件的构建过程Fig.1 Construction process of photothermal water evaporation device

1.4 测试与表征

通过热场发射扫描电子显微镜表征样品的形态；利用红外热像仪捕获热成像图片，热电偶记录温度变化曲线。通过配备积分球的紫外可见近红外光谱仪获得样品的反射光谱（测试波长设置为200~2 500 nm。吸光率计算公式为

1.5 光热水蒸发实验

室内蒸发实验环境温度控制在（22±1）℃；湿度控制在（60±5）%。利用氙灯作为太阳模拟器，提供平均光强为1 kW· m-2的模拟太阳光，通过高精度电子天平实时记录水的质量变化，计算蒸发速率。全部样品各进行5次蒸发测试，取其平均值。

2 结果与讨论

2.1 丝瓜络微观结构

图2 为丝瓜络改性前后的SEM 图。从图2（a）可以看出，改性前后的丝瓜络都具有独特的天然三维（3D）结构，这种结构不仅可以使光进行多次的反射，降低了反射率，提高了吸光能力，还能增大蒸发面积，增加蒸发过程中蒸汽的逸出通道。丝瓜络纤维表面无明显杂质；从图2（b）可以看出，经过聚吡咯修饰后，丝瓜络每一根纤维表面都均匀地附着着聚吡咯颗粒，说明聚吡咯已经成功地修饰在丝瓜纤维表面。

图2 改性前后丝瓜络的SEM图Fig.2 SEM images of luffa before and after modification

2.2 吸光性

改性前后的丝瓜络织物在太阳光谱中的吸光情况如图3 所示。可以看出，与改性前丝瓜络-棉织物（luffa cotton fabric，LCF）相比，聚吡咯改性后的丝瓜络织物（PLCF）可以实现300~2 500 nm 波段内高吸收率（95%），几乎涵盖整个太阳光谱，保证了对太阳能的充分吸收。原因归功于聚吡咯具有优异的全波段光吸收能力以及丝瓜络独特的3D 多孔结构。这种结构可以使光在丝瓜络内部发生多次反射，增加光的吸收，从而可以较好地满足高效太阳能水蒸发的要求。

图3 改性前后丝瓜络-棉织物的光吸收谱Fig.3 Absorption spectrum of luffa-cotton fabric before and after modification

为了验证PLCF 的稳固性以及吸光性能的稳定性，将其进行超声波震荡清洗，结果如图4所示。可以看出，经过超声处理2 h后，PLCF的结构没有发生变化，也基本没有发现聚吡咯的残渣，并且吸光效率也没有明显的降低。这是由于吡咯单体与丝瓜络纤维表面形成氢键，使聚吡咯在丝瓜络表面稳定附着［19］。

图4 超声处理前后织物的光吸收谱和光学照片Fig.4 Light absorption spectrum and optical images of the fabrics before and after ultrasonic treatment

2.3 供水性能

连续稳定的供水对太阳能蒸发器的蒸发性能至关重要［20］。图5为PLCF连续光照8 h后的吸水能力图。可以看出，由于棉线和丝瓜络良好的亲水性，在PLCF的顶部放置一张薄纸，经过30 s的时间就能够完全润湿。然后，模拟一个太阳8 h 连续的光照，薄纸仍然可以在30 s内被润湿。表明一体化的结构可以确保供水层和蒸发层的稳定连接，PLCF内的棉线和改性后丝瓜的吸水能力足以提供源源不断的水到蒸发区域，如此就有利于在实际应用中进行长时间的连续使用。

图5 PLCF连续光照8 h后吸水能力的光学图像Fig.5 The optical images of water absorption capacity of PLCF after 8 h of continuous illumination

2.4 光热转换性能

作为光热材料不仅要拥有出色的吸光性能，良好的光热转换性能也是必不可少的［21］。为了进一步探究PLCF光热性能，将纯水、LCF以及PLCF放置在模拟的太阳光照下，由红外照相机（FLIR）进行监测，纯水、LCF和PLCF在一个太阳光照下温度随时间的变化如图6 所示。可以看出，纯水、LCF 和PLCF 的初始表面温度在光照前基本相同，略低于环境温度。纯水的温度在300 s 内几乎没有变化；LCF 的表面温度在60 s 内一直缓慢上升，到300 s 时稳定在了25 ℃左右；而PLCF的表面温度在光照60 s内迅速上升，在300 s时已经达到31 ℃左右，并且温度分布均匀。这是由于经过聚吡咯修饰，PLCF具有更加优异的吸光性能，也表明了PLCF具有良好的光热转换性能，可以有效地将光能转化为热能。同时，由于棉线的导热性能较低，在整个光照过程中蒸发器侧面一直保持一个较低的温度，这可以减少在蒸发过程中热量的损失，提高蒸发效率。

图6 纯水、LCF和PLCF的热成像图Fig.6 Thermal imaging images of pure water，LCF and PLCF

图7 为模拟一个太阳光照下PLCF 各个位置的温度。该过程分为3个阶段：第一个阶段为放置在黑暗中时，PLCF 的表面温度低于环境温度，表明样品在无光照环境中也在进行水蒸发。第二阶段为放置在一个太阳的光照下，由于强烈的光吸收，PLCF 表面的温度急剧升高，并在5 min 后就趋于稳定。此外，在顶部产生的热量可以传递至底部，导致底部温度升高，顶部、底部的温度分别上升至32 ℃和26 ℃左右。第三阶段，再将其放置在黑暗环境下，PLCF的顶部和底部温度急剧下降。在整个过程中，纯水的温度变化不大。这是由于桥式蒸发器与待蒸发水之间的接触面积有限，可以有效减少热量向待蒸发的水流失。

图7 打开和关闭1个太阳光照前后PLCF的温度变化Fig.7 Temperature changes of the PLCF resulting from switching 1 sun illumination on and off

2.5 太阳能水蒸发性能

在模拟了一个太阳光照下，测试纯水、LCF 和PLCF质量随时间的变化。在相同的条件下，每个样品蒸发实验重复5次，取其平均值，结果如图8所示。可以看出，由于桥式蒸发器与待蒸发水之间的接触面积有限，可以有效防止热量向待蒸发的水流失，使吸收转化的热量将更多地用于产生水蒸汽，同时底部也可以进行蒸发，增大蒸发面积。PLCF和LCF的蒸发速率可分别达到1.89 kg ·m-2·h-1和1.40 kg· m-2·h-1，远高于纯水的蒸发速率0.34 kg· m-2·h-1。PLCF 相对于LCF 蒸发器件拥有更高的蒸发量，是因为丝瓜络独特的3D 多孔结构以及聚吡咯优异的吸光能力，使其具有更高的吸光率和光热转换能力。

图8 纯水、LCF、PLCF在光照下的质量损失Fig.8 Mass losses of water using pure water，LCF，PLCF under illumination

海水淡化是太阳能蒸汽技术的一种重要的实际应用，以3.5%的氯化钠溶液模拟海水，将PLCF蒸发器放置纯水与模拟海水中，在一个太阳光下连续光照8 h，蒸发结果如图9 所示。可以看出，在连续8 h 的蒸发过程中，3.5%盐水的蒸发质量略低于纯水。这是因为在6 h 后，PLCF 的表面开始结盐（见图10），由于表面的盐层阻碍了光的吸收以及水的蒸发，从而导致蒸发量的减少，但蒸发量仍然保持在一个较高的水平。经过8 h 的光照后，将其放置在黑暗环境下2 h，发现析出的盐逐渐溶解回下方的水中，说明其在海水淡化应用中能有效地抗结盐。

图9 PLCF模拟海水和纯水的质量损失Fig.9 Mass loss of simulated seawater and pure water through PLCF

图10 PLCF在模拟海水中光照盐结晶8 h的光学图像Fig.10 The optical images of PLCF in simulated seawater under illumination 8 h

2.6 染料废水处理及户外模拟测试

在实验室条件下验证了基于PLCF 太阳能界面蒸发器优异的蒸发效率，但是在户外真实条件下的测试同样至关重要，因为户外实验对于确定淡水的实际产量十分重要。将编织的15 cm×15 cm的PLCF蒸发器放置在一个一体式的户外蒸发装置中，如图11（a）所示，于2021 年7 月29 日9:00—18:00 在实验室楼顶进行全天的自然太阳照射测试。输送的水经过PLCF的加热变成蒸汽，在户外装置的内壁凝结成小水珠，顺着内壁流出，收集在烧杯中。在一天的过程中，大约收集到110 mL的蒸发水，证明了此蒸发器的实际可行性。此外，为了验证PLCF太阳能界面蒸发器处理实际废水的情况，使用甲基橙染料溶液（质量分数为2×10-5）在屋顶上进行了光热蒸发实验，然后测试收集到的冷凝水，结果如图11（b）所示。可以看出，甲基橙染料废水蒸发后收集的蒸发纯水为无色，吸光度几乎消失，证明了PLCF 拥有净化染液废水的作用。