碳氮化钛/粘胶纤维束集合体太阳能界面水蒸发器的制备及其性能

娄辉清, 上媛媛, 曹先仲, 徐蓓蕾

(1.郑州大学 物理学院, 河南 郑州 450052; 2.现代纺织技术创新中心(鉴湖实验室), 浙江 绍兴 312030;3.神马实业股份有限公司, 河南 平顶山 467021)

在普遍存在的太阳能-热能转换过程中,太阳能驱动水蒸发因具有太阳能转换效率高和转换潜力大而引起了极大的关注[1-2]。近年来,通过设计太阳能驱动的界面水蒸发器,将太阳能与热能之间的转换限定在气液界面,能有效减少热量损失、提高能量转化效率,在太阳能驱动水蒸发领域展示出极大的应用前景[3-4]。

太阳能驱动的界面水蒸发技术是在载体上负载光热转换材料,通过在气-液界面进行光热转换来实现水蒸发的目的,其基本原理是基体材料将水输送到上层表面,再由表面光吸收材料吸收太阳能,并在液体表面发生界面光-蒸汽转化现象[5-6]。对于界面水蒸发技术,水体与蒸发表面不直接接触,目前通常采用亲水性和多孔材料作为水传输的通道来保证蒸发过程中的水量供给。Jia等[7]基于凹凸棒石/聚丙烯酰胺复合材料(APAC)丰富的孔隙率结构和低热导率特点,在1 kW/m2的光照强度下获得了1.2 kg/(m2·h)的蒸发速率和高达85%的蒸发效率。Huang等[8]在聚多巴胺包覆纳米纤维的基础上,通过模板牺牲方式制备了纳米/亚微米中空管结构的聚多巴胺纳米管,并构建了三维太阳能界面水蒸发器件,在1 kW/m2的光照强度下获得了高达2.5～3.6 kg/(m2·h)的蒸发速率。Liu等[9]利用天然木材的各向异性微观结构制备了具有各向异性(宏观的T形和微观的木片上定向排列孔道)的T型蒸发器,并在1 kW/m2的光照强度下实现了2.43 kg/(m2·h)的蒸发速率和83.6%的太阳能利用效率。Caratenuto等[10]利用树叶的多孔结构制备了由2种天然材料落叶和瓜尔胶组成的太阳能海水淡化装置,其在1 kW/m2的光照强度下实现了 2.53 kg/(m2·h) 的蒸发速率。

高效的光热材料是提高光热水蒸发效率的关键。目前,常用的光热转化材料有金属基材料、碳基材料、有机高分子材料、半导体材料和复合材料等[11-12]。新型的二维层状碳氮化钛(MXene)材料因具有广谱的太阳光吸收、丰富的表面官能团和物理化学性质、良好的亲水性、超薄的厚度、较大的比表面积等特性,被认为是制造高效光热蒸发器的理想材料[13-14]。Zha等[15]采用浸涂方法将MXene涂覆在纤维素膜表面制备了MXene/纤维素多孔光热薄膜,在整个太阳光谱范围内表现出94%的光吸收率,且在1 kW/m2的光照强度下水蒸发速率达1.44 kg/(m2·h)。 Li等[16]通过聚苯胺(PANI)辅助自组装氧化石墨烯(GO)和MXene片材,制造出用于太阳能驱动脱盐海水和废水净化的MXene/GO/PANI复合杂化材料,在1 kW/m2的光照强度下,其对海水和废水的蒸发速率分别达到2.89和3.30 kg/(m2·h)。 Lu等[17]制备了零维Co3O4/二维MXene光热纳米复合材料,并设计构建三维球形蒸发器,在1 kW/m2的光照强度下其光热水蒸发速率可达1.89 kg/(m2·h),对应的光热水蒸发效率超过二维蒸发器的极限理论效率。

基于以上分析,本文以粘胶纤维束集合体作为水传输通道,以MXene作为光热转换层来构建太阳能界面水蒸发器。通过研究其热局域化性能、水蒸发性能和稳定性能,为太阳能的可持续利用以及界面光热水蒸发技术提供参考。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

材料:粘胶长丝(线密度为3.33 tex(24 f)),新乡白鹭化纤集团有限责任公司;芳纶长丝(线密度为110 tex),烟台泰和新材料科技有限公司;钛碳化铝(MAX,粒径为75 μm),吉林省一一科技有限公司;LiF(化学纯,≥98.0%)、盐酸(分析纯,36.0%～38.0%),国药集团化学试剂有限公司。

仪器:101-1型电热鼓风干燥箱(北京市永光明医疗仪器有限公司);HZT-A+200型电子天平(福州华志科学仪器有限公司);CEL-HXUV300型氙灯、CEL-NP2000-2A型全自动光功率计(北京中教金源科技有限公司);PTi120型红外热成像仪(美国Fluke公司);LCD-DTM280型热电偶(垣浩仪器仪表厂);Sigma500型扫描电子显微镜(德国卡尔蔡司公司);JEM-2100型透射电子显微镜(日本电子公司);YG086C型缕纱测长机(常州市第二纺织机械厂)。

1.2 试样制备

1.2.1 粘胶纤维束集合体制备

将粘胶长丝缠绕在缕纱测长仪上,用芳纶长丝将其紧密缠绕固定,然后用刀片切出一定长度的纤维束。本文使用的粘胶纤维束集合体长度为3 cm,直径为0.9 cm。

1.2.2 MXene制备及光热转换层构筑

采用LiF+HCl刻蚀法制备单层/少层MXene材料:将2 g LiF溶解到40 mL浓度为9 mol/L的HCl溶液中,并在35 ℃下搅拌30 min,然后缓慢加入2 g MAX粉末,并继续在氩气气氛中搅拌36 h;取 20 mL 上述溶液置于锥形管中并加20 mL水稀释,在 3 500 r/min 的转速下离心30 min后得到黏稠的MXene分散液(质量浓度为15 mg/mL),最后用乙醇反复清洗离心至中性后密封,在-5 ℃下保存。

室温下,将一定量的MXene分散液均匀涂覆在粘胶纤维束集合体表面,在60 ℃下真空干燥后形成光热转换层,实现MXene在粘胶纤维束集合体端面的构筑。通过在粘胶纤维束集合体上涂覆1～5层MXene分散液,获得不同厚度的光热转换层。

1.3 粘胶纤维束集合体吸湿导水性能测试

吸水率可反映材料吸水性的高低。将粘胶纤维束集合体放置在盛满水的烧杯中,浸泡至吸附饱和,根据吸水前后纤维束的质量计算其吸水率,计算公式为

式中:W为吸水率,%;m1为粘胶纤维束吸水前的质量,g;m2为粘胶纤维束吸水饱和后的质量,g。

毛细效应是衡量纤维吸湿性能的重要指标,用芯吸高度来表示。将粘胶纤维束集合体放在水中,每隔一定时间记录1次芯吸高度,考察纤维束集合体达到饱和芯吸的时间以及最大芯吸高度。

1.4 粘胶和MXene形貌与界面温度测试

采用扫描电子显微镜观察粘胶的纵向表面和横向截面,测试前进行喷金处理。采用扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察光热转化材料MXene的形貌。

为考察光热转换层的光热转换效果,采用红外热成像仪对实验过程中气-液界面光热转换层的表面温度进行热追踪记录,升温阶段每隔30 s记录1次红外热成像图,稳定阶段每隔5 min记录1次。

1.5 太阳能界面水蒸发器实验装置及测试

1.5.1 太阳能界面水蒸发器实验装置

图1示出本文实验构建的太阳能界面水蒸发系统实验装置,包括模拟光源、太阳能界面水蒸发器和电子天平。采用氙灯作为太阳光模拟光源,利用全自动光功率计对光照强度进行校准,通过调节电流大小和光照距离调节光照强度,并采用红外热成像仪和热电偶记录光热转换层表面和水体的温度。

图1 太阳能界面水蒸发系统实验装置Fig.1 Test device of solar-interface water evaporator

太阳能界面水蒸发器由水传输层、高效光热转换层和隔热保温层组成。本文实验中水传输层为垂直排列的粘胶纤维束集合体,高效光热转换层为具有高光吸收和热转化效率的MXene涂层,隔热保温层为具有低导热系数的聚苯乙烯泡沫。实验过程中室温保持在(25±0.5)℃,相对湿度控制在50%～60%,到达太阳能界面水蒸发器高效光热转换层的光照强度保持在1～5 kW/m2之间,且每次实验过程中光照强度保持恒定。

1.5.2 太阳能界面水蒸发器性能测试

1.5.2.1水体蒸发量 蒸发量是光热转换效率的重要体现,也是计算蒸发速率的主要依据,一般取稳态阶段的蒸发量来计算蒸发速率,实验前后装置内电子天平读数的差值即为水体蒸发量。本文实验中每隔5 min记录1次电子天平读数。

1.5.2.2水蒸气温度 光源照射到水面后,表层的水会汽化并在上部空间形成饱和水蒸气。通过测量水蒸气的温度表征太阳能水蒸发器的加热速度。

1.5.2.3蒸发速率和蒸发效率 太阳能界面水蒸发器的蒸发性能可通过蒸发速率和蒸发效率来表征,蒸发速率和蒸发效率分别按下式进行计算:

ER=Δm/At

η=ERhLV/CoptA

式中:ER为蒸发速率,kg/(m2·h);Δm为蒸发量,kg;A为光热层相对于光路的投影面积,m2;t为蒸发时间,h;η为蒸发效率,%;hLV为水的相变总焓, J/mol;Copt为光照强度,kW/m2。

1.5.2.4稳定性能 为考察太阳能界面水蒸发器的稳定性能,在2 kW/m2的光照强度下进行连续蒸发实验,每次实验持续12 h,共进行12次,并按前述方法计算每次实验过程中太阳能界面水蒸发器的蒸发速率和蒸发效率。

2 结果与讨论

2.1 粘胶与MXene形貌

图2(a)示出粘胶长丝的纵、横向表面形貌。可以看出,粘胶纵向表面存在与纤维轴走向一致的沟槽,横截面呈不规则锯齿状且有部分微孔。粘胶自身的微孔和沟槽结构特征使其集合体形成了众多的毛细管,水分很容易通过芯吸作用进入纤维间并为水分的迁移提供有利通道;此外,沟槽结构使粘胶的比表面积有所增大,提高了粘胶纤维集合体的吸湿导水能力,从而有利于水分的快速输送[18-19]。本文使用的粘胶纤维束集合体在温度为25 ℃、相对湿度为60%的环境中,吸水率为45.5%,达到饱和芯吸的时间为150 s,说明该纤维束集合体具有很好的吸湿导水性,可用于太阳能界面水蒸发器的水传输通道。

图2 粘胶和MXene的形貌结构Fig.2 Morphology structure of viscose filament (a)and MXene(b)

图2(b)示出MXene的扫描电镜和透射电镜照片。可知,采用LiF+HCl刻蚀法可制备单层和少层的二维MXene纳米片材料,从而有利于后续MXene作为光热转换层对太阳能的吸收和转换。

2.2 太阳能界面水蒸发器的热局域化性能

图3示出不同光照时间下太阳能界面水蒸发器表面的温度变化情况。其中光照强度为1 kW/m2,MXene涂层数为5层。可以看出,纤维束升温速度较快,在5 min内中心点的温度即由室温(约22.3 ℃)升高至44.7 ℃。从图3还可看出,MXene涂层表面温度分布不是特别均一,涂层表面中心点温度相对周围较高,这说明涂层后的纤维束热局域化性能提高,表明含有涂层的样品其光热转换效率更高和热量流失更少,太阳能利用效率高。

图3 太阳能界面水蒸发器表面的红外热成像照片Fig.3 Infrared thermal image of solar-interface water evaporator surface

2.3 MXene涂层对蒸发性能的影响

在粘胶纤维束集合体上均匀涂覆1～5层MXene分散液,然后在1 kW/m2的光照强度下,考察MXene涂层对太阳能界面水蒸发器蒸发速率和蒸发效率的影响,结果如图4所示。

图4 MXene涂层数对蒸发速率和蒸发效率的影响Fig.4 Influence of MXene coating number on evaporation rate and efficiency

从图4可看出,含有MXene涂层的太阳能界面水蒸发器的蒸发速率和蒸发效率明显高于不含MXene涂层的太阳能界面水蒸发器,且随着涂层数的增加,其蒸发速率和蒸发效率呈现明显增加的趋势。当MXene涂层数从1层增加至5层时,蒸发速率和蒸发效率分别从0.78 kg/(m2·h)和39.4%迅速增加至1.47 kg/(m2·h)和74.4%。这是由于MXene在整个太阳光谱范围具有优异的光吸收能力和高效的光热转换能力,随着涂层数的增加,MXene的负载量也随之增加,因此,蒸发速率和蒸发效率均提高。从图4还可看出,当MXene涂层数继续从4层增加到5层时,其蒸发速率和蒸发效率仅分别提升了0.03 kg/(m2·h)和1.6%,系统的蒸发速率和蒸发效率基本趋于稳定,继续增加涂层数并不能使太阳能界面水蒸发器的蒸发性能得到进一步提升。这可能是因为此时粘胶纤维束的水传输能力已达到最大,继续增加MXene涂层数已无法提高水的蒸发量。实验结果表明,MXene作为光热转换层可有效提高太阳能界面水蒸发器的蒸发速率和蒸发效率,当MXene涂层数为5层时,在1 kW/m2的光照强度下,太阳能界面水蒸发器的蒸发速率和蒸发效率分别为1.47 kg/(m2·h)和74.4%。

2.4 光照强度对蒸发性能的影响

由于水蒸发是在太阳光照射下进行的,因此,光照强度对水蒸发性能有较大的影响。调节模拟光源的光照强度在1～5 kW/m2之间,在MXene涂层数为 5层的条件下,考察光照强度对太阳能界面水蒸发器蒸发性能的影响,结果如图5所示。

图5 不同光照强度下太阳能界面水蒸发器的蒸发性能Fig.5 Evaporation performance of solar interface water evaporator under different light intensities.(a) Water vapor temperature; (b) Evaporation rate and evaporation efficiency

从图5(a)可看出,水蒸气温度在0～5 min内迅速升高,在5～10 min内温度升高的速度逐渐放缓, 10 min 后水蒸气温度基本稳定。这说明0～10 min内系统处于加热状态,10 min后系统基本达到热平衡。从图5(a)还可看出,水蒸气的温度随光照强度的增加有较大幅度的增加,这说明太阳光照强度对水蒸气的温度有明显影响。研究还发现,不同光照强度下水体温度变化不明显,这表明系统具有较好的绝热能力,向水体热传导较低,有利于形成局域化高温区。此外,不同光照强度下水体温度随时间的增加基本不变,这表明光热转换层对光的吸收能力较强,热损失较小。

从图5(b)可看出,在黑暗状态下太阳能界面水蒸发器的自然蒸发速率仅为0.06 kg/(m2·h),随着光照强度的增加,其蒸发速率和蒸发效率也随之大幅提升。当光照强度由1 kW/m2增加到 5 kW/m2时,蒸发速率由1.47 kg/(m2·h)提高至 6.45 kg/(m2·h), 相应地,蒸发效率也由70.6%提高至82.4%。需要注意的是,太阳能界面水蒸发器的蒸发效率在光照强度为2 kW/m2时达到最高,为85.3%;当光照强度由2 kW/m2增加到3 kW/m2时,系统的蒸发效率反而有所下降。其原因可能是当光照强度较低时,太阳能损失较小,能量利用率较高,但随着光照强度的增加,部分热能被用来直接加热涂层上的水分,导致光在涂层上热能损失较大;随着光照强度的进一步增加,系统能够获得足够的能量同时加热涂层和产生蒸汽,因此,蒸发效率继续提高。

2.5 太阳能界面水蒸发器的稳定性

太阳能界面水蒸发器的稳定性测试结果如图6所示。可以看出,随着时间的延长,太阳能界面水蒸发器的蒸发速率和蒸发效率有所降低,但降低幅度不大。经过144 h的蒸发实验,太阳能界面水蒸发器的蒸发速率和蒸发效率仍分别高达 3.31 kg/(m2·h) 和82.1%,与初始值相比降低幅度分别为4.1%和3.5%,说明本文实验制备的太阳能界面水蒸发器具有稳定的蒸发性能。

图6 太阳能界面水蒸发器的稳定性能Fig.6 Stability performance of solar interface water evaporator

为进一步考察太阳能界面水蒸发器的稳定性,以实验时间为自变量(X),分别以蒸发速率和蒸发效率为因变量(Y)对实验数据进行数值拟合,结果为:

Y1=-5×10-6X2-0.000 2X+3.453 9

Y2=-0.000 1X2-0.008X+85.798

式中:X为实验时间,h;Y1为蒸发速率,kg/(m2·h);Y2为蒸发效率,%。

根据上述公式可以计算得到,使用500 h后太阳能界面水蒸发器的蒸发速率和蒸发效率分别为2.09 kg/(m2·h)和56.9%,均保持在初始值的60%以上。这说明使用500 h后,太阳能界面水蒸发器仍具有较好的水蒸发性能。

3 结 论

1)粘胶纤维束集合体内部具有特殊的结构和垂直排列的方式,使其表现出优异的吸湿导水性能,在温度为25 ℃、相对湿度为60%的环境中,吸水率可达45.5%,达到饱和芯吸的时间为150 s。

2)增加光热转换层MXene的涂层数有利于提高太阳能界面水蒸发器的蒸发性能,在1 kW/m2的光照强度下,当MXene涂层数从1层增加至5层时,其蒸发速率和蒸发效率分别从0.78 kg/(m2·h) 和39.4%提高至1.47 kg/(m2·h)和74.4%。

3)增大光照强度可有效提升太阳能界面水蒸发器的蒸发速率和蒸发效率,当光照强度由 1 kW/m2增加到5 kW/m2时,蒸发速率由1.47 kg/(m2·h)提高至6.45 kg/(m2·h),蒸发效率由70.6%提高至82.4%。蒸发效率在光照强度为2 kW/m2时最高,为85.3%。

4)该太阳能界面水蒸发器具有较好的稳定性,在2 kW/m2的光照强度下,使用144 h后其蒸发速率和蒸发效率仍分别高达3.31 kg/(m2·h)和82.1%,降低幅度仅为4.1%和3.5%。数值拟合结果表明,使用500 h后,太阳能界面水蒸发器的蒸发速率和蒸发效率分别为2.09 kg/(m2·h)和56.9%,均保持在初始值的60%以上。