表面碳化花泥的太阳能水蒸发性能

张德旭,冯晴晴,吴大雄,朱海涛

(青岛科技大学 材料科学与工程学院,山东 青岛 266042)

当今淡水资源匮乏和化石能源枯竭是人类面临的重大危机,亟需开发一种环境友好、能耗低的生产淡水的新方法[1]。太阳能水蒸发技术无需消耗地球上的能源,可直接利用太阳能生产淡水,因而是一种低成本、可持续、环境友好的新技术。该技术在海水淡化、污水处理、发电、杀菌等方面表现出巨大的应用潜力[2]。

传统的太阳能水蒸发通过将容器底部涂成黑色来增加对太阳光的吸收,这样的方式水蒸发效率很低(小于40%)[3]。将纳米颗粒分散在水体中[4-5]可以大大提高能量转换效率,但仍然有大量的热量消耗于加热水体而非用于水蒸发。为了进一步提高能量利用率,需要将吸收材料置于水体的表面,形成界面水蒸发装置,通过多孔悬浮器实现蒸发装置的自悬浮[6]。为了追求更高的光吸收、快速的水输运、以及优良隔热性能,研究人员开发了二维双层结构装置。碳材料是最常用的上层光吸收材料。已经开发出不同形式的碳基材料[7],包括碳纳米管(CNT)[8]、石墨、石墨烯、氧化石墨烯(GO)、还原氧化石墨烯(r GO)[9-13],以及碳化生物质材料如碳化木头[14]、碳化蘑菇[15]、碳化萝卜、碳化秸秆[16]等。但碳基材料仍存在结构繁琐、工艺复杂、水的输运不足等问题。

花泥也叫吸水海绵,是用塑料发泡制成的一种插花用品,具有优异的亲水性能和储水能力,但由于不能重复利用,造成了大量浪费。本研究用废弃的花泥作为原料,通过表面碳化工艺制备双层结构太阳能水蒸发材料,并探究其光吸收、光热转换、太阳能水蒸发性能以及在海水淡化以及污水处理中的潜在应用。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

罗丹明b,天津市瑞金特化学品有限公司;黄海海水;废弃花泥;花泥1,花心思牌;花泥2,花嫁喜鲜花泥;花泥3,汉唐美鲜花泥。

电子天平,JY20002型,上海舜宇恒平科学仪器有限公司;UV-Vis-NIR光谱仪,Varian Car y500型,美国Varian公司;台式电热干燥箱,202-00 A型,天津泰斯特仪器有限公司;静滴接触角测量仪,JC2000A型,上海中晨数字技术设备有限公司;离子色谱仪,DIONEX DX-120型,美国戴安公司;高温管式炉,OTF-1200X型,合肥科晶材料科技有限公司;太阳模拟发射器,CEL-PE300L-3 A型,北京中教金源科技有限公司;电子天平,BS 124S型,赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;场发射扫描电子显微镜(FE-SEM),JSM-6700型,加速电压8 k V,日本JEOL公司;水收集装置,实验室自制。

1.2 材料的准备

将干燥的绿色花泥切割成直径4.2 c m,高1 c m的圆柱形块体,并放在酒精灯外焰上加热碳化,温度一般在500℃。碳化时,在3 s内,将样品沿一个方向缓慢匀速从外焰上方平移而过,在表面会形成一层约2 mm厚的均匀碳化层。其余主体结构保持不变。这样就获得了表面具有碳化层的双层结构太阳能水蒸发材料,简称表面碳化花泥。

1.3 水蒸发性能测试

水蒸发性能测试采用如图1(a)所示的装置,包括太阳能模拟器、光功率密度计、蒸发装置、电子天平及遮光板。放大部分是蒸发装置,由3个部分组成:顶部扁状的圆柱块体是表面碳化花泥,下面用直径1 c m粗的绿色花泥柱子作为水的运输通道,柱子外层采用聚苯乙烯泡沫包裹作为隔热层并使装置实现自漂浮。在100 mL烧杯外壁用0.5 c m厚的玻璃纤维棉包裹,防止热量散失。采用CEL-PE300L-3 A型太阳能模拟发射器模拟太阳光,使用光功率密度计测量太阳光的光功率密度。测量期间环境温度保持在18℃,湿度为20%。采用精密天平记录水的蒸发量,整个蒸发过程持续1 h,每隔10 min记录一次天平质量。太阳能水蒸发冷凝水的收集装置如图1(b)所示,太阳光加热样品表面产生水蒸汽后,蒸汽上升遇到冷的玻璃容器后凝结成液滴,并沿着器壁滑落到收集槽内。

图1 蒸发装置和水收集装置示意图Fig.1 Schematic diagram of evaporation device and water collection device

2 结果与讨论

2.1 花泥的微观结构

表面碳化花泥的低倍扫描电镜照片如图2(a)所示,右上角插图显示的是表面碳化样品,可以看到在表面碳化花泥的主体中包含大小不一的孔结构,孔径从10～50μm不等。图2(b)是2(a)中红色区域的放大图,可以看出相互连接的孔壁上遍布尺寸小于1μm的介孔。如图2(c),在大孔的中间还存在相互连接的网状结构;网状结构的放大图像如图2(d)所示,具有较高的比表面积,可以作为水蒸发的界面。多层次的孔道结构不仅有利于水的输运,还可作为水蒸汽扩散的通道,保证蒸发出来的水蒸汽得以及时逸出。另外,孔道结构可以充当捕获光子的陷阱,增强材料的光吸收性能。图2(e)、(f)是了绿色花泥本身结构的SEM照片,图2(e)中插图是未进行碳化的花泥样品,可见同样存在大量的孔结构和网状结构,相比之下,表面碳化前后,基本保持原有结构不变,并未发生孔结构坍塌等现象,完整的孔结构是保证快速水输运的前提。

图2 表面碳化花泥的扫描电镜照片Fig.2 SEMimages of the surface carbonized flower mud

2.2 绿色花泥的亲水性能

良好的亲水性能是获得高蒸发速率的前提。蒸发装置采用绿色花泥作为水传输的通道,而且绿色花泥的亲水表征如图3所示。将样品垂直放置在盛有水的培养皿中,在5 min内,水上升的最大高度即可达到6 c m(见图3(a))。图3(b)是吸水前后的质量变化图,将尺寸为2 c m×2 c m的立方体样品放在水中,当样品吸足水分达到饱和后,质量为7.48 g,是干燥时样品质量的35.6倍(干燥时的质量为0.21 g)。在接触角的测试中(图3(c)),取一块表面平整的样品放在测试台上,然后通过针头挤压把体积为5μL的水珠低到样品的表面,通过高速摄像机拍摄记录水滴吸附到样品中的过程,(c)图分别是水滴接触的瞬间拍到的照片和50 ms时记录的照片,可以看到水滴在滴落的50 ms时,瞬间就已经完全渗入到样品中,接触角为0°。实验表明:绿色花泥的表面具有很强的亲水特性,极易被润湿,具有良好的水输运能力,这使构建一种高效的3D水蒸发装置成为可能。另外,其惊人的储水能力也是实现高 速水蒸发的有利条件。

图3 绿色花泥的亲水性能Fig.3 Hydrophilic characteristics of t he green flower mud

2.3 样品的光吸收和光热转换性能

光吸收性能是影响水蒸发性能的关键因素。将绿色花泥和表面碳化花泥的光吸收性能进行对比,结果如图4所示。表面碳化花泥的光吸收性能较绿色花泥有显著提高,尤其在近红外波段明显增强。光热转换性能也是评价太阳能水蒸发材料的关键指标之一。将表面碳化花泥样品和绿色花泥样品放在光强为1 k W·m－2的模拟太阳光下,持续光照5 min,通过对比两种样品的红外相机照片(图5),可以看出表层碳化的花泥具有很好的光热响应,在300 s内样品表面温度迅速升温达到65℃以上并趋于稳定状态;而绿色花泥升温缓慢,最高只能达到35℃左右。碳化表面温度高的原因在于碳材料存在共轭π键,当入射光照射在碳材料时,通过晶格共振(电子轨道跃迁)产生热量。能够通过晶格振动将这种能量转化为热。导致热量被释放。较高的表面温度有利于加热表层的水从而促进水蒸发。表面碳化花泥具有良好的水传输性能、光吸收性能和光热转换性能,有望成为优良的太阳能水蒸发材料。

图4 样品的光吸收曲线Fig.4 Optical absorption of the samples

图5 持续光照下样品的红外相机照片Fig.5 Infrared camera photos of samples under continous ilcumination

为了比较不同碳化层厚度的光热性能,取6块相同的2 cm×2 cm×1 cm的花泥块体,在酒精灯下分别加热碳化1、2、3、4、5、6 s,制得碳化层厚度分别为2、3、5、7、8、10 mm的小块,见图6。采用同样的方法,在1个太阳的持续光照下拍到的红外照片见图7所示。发现不同厚度碳化层的样品光热转换性能差别不大,在达到稳定状态后,样品表面温度都达到接近60℃。说明碳化层的薄厚对样品表面的光吸收能力影响不大。

图6 不同加热时间下的碳化层的厚度照片Fig.6 Thickness photos of t he carbonized layer under different heating times

图7 样品的光热性能Fig.7 Photo thermal properties of the samples

表1不同加热时间下的碳化层厚度及样品吸水后增重倍数见表1。由表1可见,但是在研究中发现,碳化层会影响花泥的亲水性能,把6块样品吸收水分达到饱和之后,与吸水前的质量相比较得到表一中的数据,吸水后的样品的质量分别是吸水前样品质量的32.93、32.4、26.96、26.93、24.6、22.06倍如表1,明显看出样品的吸水性能随着碳化层厚度的增加而减小。综合考虑下,应该在保证吸水性能不受影响的前提下尽量选用碳化层相对比较薄的样品。这样的样品,具有良好的光吸收性能和水传输性能,适合应用于水蒸发。

表1 不同加热时间下的碳化层厚度及样品吸水后增重倍数Table 1 Thickness of the carbonized layer under different heating ti mes and t he weight gain of t he sample after absorbing water

2.4 表面碳化花泥的水蒸发性能

为了研究不同种类花泥经过表面碳化后的水蒸发性能的差异。选择了3种市场中现有的不同品牌的花泥,经过相同的处理后,采用图1中的水蒸发装置测试其水蒸发性能。3种花泥的水蒸发速率分别是1.15、1.01、1.19 kg·(m2·h)－1。可见花泥3的水蒸发速率最快,而且不同品牌的花泥都具有良好的水蒸发性能,差距不大。采用性能最好的花泥3作为研究对象,进一步探究不同光强对蒸发性能的影响以及在实际应用中的性能。

表面碳化花泥3在太阳强度为1、2、3 k W·m－2下1 h内的水失重曲线如图8(a)所示。根据失重曲线计算出相应的蒸发速率分别为1.19、2.22、2.94 kg·(m2·h)－1,相应的太阳能水蒸发效率分别为74.8%、69.8%、61.5%(图8(b))。随着太阳光强度的增加,蒸发速率越来越大,但是蒸发效率反而越来越小。这是由于随着光强的增加,更多的热量通过对流和辐射的方式,损失到周围环境中去,未能有效利用于蒸发水。所以在水蒸发过程中减少热损失,增加光的利用是极其有必要的。

由于花泥具有极强的储水能力,所以将表面碳化花泥完全润湿达到饱和之后,在一个太阳光强下进行持续的水蒸发实验(图8(c))。表面碳化花泥放在聚苯乙烯泡沫(如图8(c)插图白色层)上,以防止热量往下方传递。在太阳光持续照射的180 min内,水蒸发速率维持在一个相对稳定的水平。在蒸发180 min后,蒸发速率依然能保证在1 kg·(m2·h)－1以上,这是现有的大部分水蒸发材料不具备的。

图8 太阳能水蒸发性能Fig.8 Solar water evaporation performance

2.5 海水淡化和染料废水处理

图9是含有罗丹明b有机染料污染废水经表面碳化花泥太阳能水蒸发处理前后的吸收光谱图。从图9中可以看出,含罗丹明b的染料废水在504 n m处有很强的吸收峰,而处理后收集的水样在400～800 n m波段几乎没有吸收。处理前废水的颜色呈现鲜明的粉红色,处理后收集的水样是清澈透明的。图10是海水中阳离子的浓度与经过表面碳化花泥太阳能水蒸发处理后的收集水样中阳离子浓度的对比图,从图中可以看出,海水中Na＋、K＋、Mg2＋的离子浓度分别为8 997.25、99.391 2、1 862.125 mg·L－1,经过水蒸发处理后水样中相应的离子浓度分别为4.69、0.163 2、0.264 1 mg·L－1。相比之下,处理后水样的离子浓度降低了几个数量级,甚至完全可以达到WHO饮用水标准。

图9 罗丹明b废水和收集水的光吸收谱图Fig.9 Light adsorption spectra of Rhoda mine B wastewater and collected water

图10 海水淡化前后的离子浓度Fig.10 Ion concentration before and after seawater desalination

3 结 论

表面碳化花泥具有优异的水传输性能和储水能力,在250～2 500 n m的光吸收性能显著增强,光热转换能力明显提高,是良好的太阳能水蒸发材料。在光照强度1 k W·m－2下的水蒸发速率达1.19 kg·(m2·h)－1,太阳能水蒸发效率达74.8%。表面碳化花泥在海水淡化和染料废水处理中有良好的应用前景。