纤维式太阳能界面蒸发器的构建及其水通道对热量损失影响规律

摘要：淡水资源短缺的问题是全世界面临的巨大挑战。太阳能驱动的海水淡化技术利用了自然界中极为丰富的太阳能和海水资源作为动力和处理源，是解决淡水短缺问题的可持续方案，而且能够最大程度地降低化石能源的消耗和碳足迹的产生，但高效、低成本的太阳能界面蒸发器仍然十分短缺。通过对聚丙烯腈纤维亲水化改性并沉积聚吡咯，得到了具有良好光热升温效果与高效水传递功能的光热纤维。利用其灵活的加工性能，将纤维在低成本绝热材料——发泡聚苯乙烯上缠绕包覆制备出了经济、高效的界面蒸发器。构建不同数量水传输通道的界面蒸发器研究其热质传输规律，为太阳能界面蒸发器的发展提供了新的思路和理论基础。

关键词：太阳能界面蒸发；光热纤维；海水淡化；热量传递

中图分类号：TK519；P747文献标志码：A文章编号：1002-4026（2024）05-0035-07

开放科学（资源服务）标志码（OSID）：

Construction of fiber-type solar interfacial evaporator and the

influence of water channels on heat loss

YUAN Zhipeng1， TIAN Shuo2

（1.Shandong Provincial Key Laboratory of Special Silicone-Containing Materials，Advanced Materials Institute，

Qilu University of Technology （Shandong Academy of Sciences）， Jinan 250014， China;

2. Agricultural Products Quality and Safety Center of Jinan， Jinan 250100， China）

Abstract∶The shortage of freshwater resources is a major global challenge. Solar-powered seawater desalination technology utilizes the naturally abundant resources of solar power and seawater as power and treatment sources， respectively. It is a sustainable solution to the problem of freshwater shortage and can minimize the consumption of fossil fuels and reduce carbon footprint. However， efficient and low-cost solar interfacial evaporators are still in short supply. In this study， we obtained photothermal fibers with optimal photothermal effects and efficient water transfer abilities through the hydrophilic modification of polyacrylonitrile fibers and the deposition of polypyrrole. Taking advantage of its flexible processing properties， an economical and efficient interfacial evaporator was

prepared by wrapping fibers onto low-cost insulation material-expandable polystyrene.The heat and mass transfer law of interfacial evaporators with different numbers of water transfer channels was studied. This study provides a theoretical basis and new insights into the development of solar interfacial evaporators.

Key words∶solar interfacial evaporator；photothermal fiber；seawater desalination；heat transfer

随着人口的持续增长、经济的快速发展以及全球气候变化的加剧，世界范围内的淡水资源短缺已经对人类社会的可持续发展构成威胁。虽然基础设施与政策战略对于应对这一挑战十分重要，但这并不能增加淡水资源的总量。广泛开展海水淡化与污水回用等淡水增量技术的研究已经在全球范围内达成共识。目前以反渗透、多级闪蒸、多效蒸馏为代表的传统海水淡化和污水处理技术，在一定程度上增加了淡水的供应，但其不仅需要高昂的成本与复杂的设备，还需要消耗大量的化石能源，由此带来的温室气体和污染物排放对气候变化和近海生态系统具有潜在威胁［1-2］。开发以太阳能等可再生能源为动力的绿色零排放淡水制备技术已成为解决日益严重的水资源短缺问题最具潜力的方法之一。太阳能驱动的海水淡化技术利用了自然界中极为丰富的太阳能和海水资源，是解决淡水短缺问题的可持续方案，而且能够最大程度降低化石能源的消耗和碳足迹的产生。

太阳能驱动的水蒸发通过模拟自然界水文循环中陆地淡水补充过程，利用太阳能产生热量加速水的蒸发，将水从盐分与污染物中分离［3-4］。因此，过程中太阳能的利用与热量管理是提高蒸发效率的关键。陈刚教授课题组［5］于2014年提出了太阳能界面蒸发的概念，他们利用双层碳基材料对界面处的水进行局部加热促进蒸汽生成。界面式加热大幅降低了蒸发过程中的热量损失，显著提高了能量利用效率。相较于传统的底部加热与整体加热的方法，界面式加热将太阳能的利用效率从30%～45%提高至90%以上［6］。自此，界面式的太阳能蒸发器的设计与研究成为了太阳能淡水制备领域的研究热点。

太阳能吸收转化材料是影响太阳能利用率的决定性因素，光热材料应在尽可能宽的波谱范围内具有高效的光能吸收和光热转化能力。目前，在太阳能界面蒸发系统中常用的光热材料主要包括金属基等离子体［7-8］、无机半导体［9-10］、共轭聚合物［11-12］及各种碳基材料［13］。其中，金属基纳米材料和半导体纳米材料，有较好的光吸收效率和光热转化效率，但其固有的高成本和制备的复杂程度都是实际应用中的重要障碍。无机碳基光热材料（石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管等）具有良好吸光性和疏水性，但在界面的反射率较高，需要进行进一步的优化制备。以聚苯胺和聚吡咯为代表的共轭高分子聚合物，具有无机材料不能提供的灵活性、易制模性、良好的生物相容性，但仅在近红外区有较强的吸收特性。因此，广谱高效的光热材料的设计与制备工作还需深入的研究。降低蒸发器对外的热量损失（包括热传导、热辐射和热对流）是提高太阳能利用率的另一有效手段。在各种散热机制中，热量由界面向主体水中的扩散是最为严重的能量损耗。目前最常见的解决方案有两类：其一为内源性策略，通过对材料的微纳结构进行设计，降低其热导系数；其二为外源性策略，在光热材料外部添加隔热层，降低热量传导损失。构建多孔结构是常用的内源性策略，通过在材料中引入空气降低导热系数，简化蒸发器的结构，但由于蒸发过程中材料始终处于湿润状态，湿润状态下的多孔结构对导热系数的降低程度十分有限。使用外源性绝热材料虽然会使蒸发器结构相对复杂，但是绝热效果更佳。通过选择价格低廉的绝热材料，还能够有效降低界面蒸发器的制作成本。

目前，关于太阳能界面蒸发器的研究多集中在新型光热材料研发和系统设计，关于水通道对界面蒸发影响的研究较少。在本文中，通过对PAN（polyacrylonitrile，聚丙烯腈）纤维亲水化改性并沉积聚吡咯制备出了具有良好光热升温效果与高效水传递功能的光热纤维，并利用其灵活的加工性能，在低成本绝热材料EPE（expandable polyethylene，发泡聚苯乙烯）泡沫上缠绕制备出经济、高效的界面蒸发器，同时构建不同数量水传输通道的界面蒸发器研究其热质传输规律。提高水通道的面积能够提高界面处的水供应，在界面供水充足的条件下，增加水传输通道的数量也会增加与主体水的接触面积（即热传导的面积），从而增加界面能量的损失，导致蒸发效率的降低。因此，在界面蒸发器的设计与制备过程中需要综合考虑传质与传热的过程。本研究为高效低成本界面蒸发器的设计与制备提供了新的思路，也为界面蒸发器热质传递机制的理论研究提供基础。

1材料与方法

1.1材料

聚丙烯腈纤维， 盐酸（HCl质量分数37%），氢氧化钠（NaOH质量分数 96%），六水合氯化铁（FeCl3·6H2O 质量分数99% ），吡咯（C4H5N质量分数99.7%）均从上海阿拉丁生化科技股份有限公司购买；聚乙烯发泡棉（EPE）由聊城巾帼包装有限公司提供。

1.2光热PAN纤维的制备

光热PAN纤维的制备过程如图1所示，首先对PAN纤维亲水化改性。将其浸入温度为50 ℃质量分数为20%的NaOH溶液中反应4 h，纤维表面的—CN反应为—COONa，以去离子水清洗干净后，室温放入质量分数4%盐酸溶液中反应，形成—COOH，以去离子水洗净后，60 ℃烘干。

将亲水改性纤维在浓度0.02 mmol/L的FeCl3溶液中浸泡1 h，取出后冷冻干燥。之后将纤维放入充满吡咯蒸汽的密闭容器中，吡咯在纤维表面被FeCl3氧化生成聚吡咯（PPy）转化膜。洗去多余FeCl3即得到光热PAN纤维。

1.3表征

光热纤维的微观形貌采用扫描电子显微镜（SEM，日立，SU-8010）表征。纤维表面PPy转化膜的晶体结构通过X射线衍射（XRD，Bruker，D8 Advance）表征。使用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR，Thermo Scientific，Nicolet 6700）测试膜的官能团验证纤维的改性过程。通过UV-Vis-NIR分光光度计（PerkinElmer LAMBDA 950）测量纤维在太阳光全波长范围内的吸收光谱。红外热像照片采用FLIRE98红外热像仪拍摄。

1.4不同数量水通道界面蒸发器的构建

为了构建如图2（a）所示的具有不同数量水通道的界面蒸发器，取相同厚度的EPE泡棉切成不同的尺寸，其中4.0 cm×4.0 cm的1块，1.0 cm×4.0 cm的4块，0.5 cm×4.0 cm的8块，将所有的EPE泡棉用PAN光热纤维完全缠绕包裹。这样4.0 cm×4.0 cm的纤维缠绕的泡棉即为2条水通道的界面蒸发器，实物如图2（b）所示。将4块1.0 cm×4.0 cm的纤维缠绕泡棉并排粘接即为5条水通道的界面蒸发器，实物如图2（c）所示。8块0.5 cm×4.0 cm的纤维包裹的泡棉并排粘接即为9条水通道的界面蒸发器，实物如图2（d）所示。

1.5太阳能驱动的界面蒸发

界面蒸发实验在实验室环境中进行，温度为22 ℃，相对湿度为50%～60%，以带有AM 1.5G滤光器的氙灯光源（PLS-SXE300UV）模拟阳光，并使用太阳光辐照计来确定光照强度。使用3.5%的NaCl水溶液来模拟海水，测定具有不同数量水通道界面蒸发器的蒸发率。高精度电子天平实时记录盐水的质量变化，并通过数字温度计监测蒸发过程中界面温度的变化。测试过程中以红外热成像仪拍摄红外热成像图片记录蒸发器表面温度变化。配置质量分数为0、1%、2%、3%、4%的NaCl溶液，测试两条水通道界面蒸发器的蒸发率以确定盐浓度对蒸发率的影响规律。为了降低误差，以上蒸发率均在相同条件测试3次，并在结果中加入了误差条。

2结果与讨论

2.1PAN光热纤维的形貌表征

图3（a）为原始的PAN纤维的宏观照片，其原始状态为白色的连续长丝。图3（b）为将单根长丝放大后的结构图，看以看到PAN纤维是由纤维束螺旋缠绕形成的多级结构，这种多级结构形成的粗糙形貌有助于太阳光的吸收。从图3（c）、（d）中可以看到纤维的尺寸均匀，直径约为21.0 μm左右。对PAN纤维亲水改性后，纤维变为淡黄色（图3（e）），长丝直径变小（图3（f）），从图3（g）、（h）中还能看到纤维直径也有所减小，大约16.0 μm左右，纤维表面也变得粗糙。在图3（i）中，表面沉积PPy的PAN纤维，变成了黑色。但仍能保持螺旋缠绕形貌（图3（j））。如图3（k）、（l）所示，纤维的直径有所增长，约23.0 μm左右，但仍保持均匀。

2.2PAN纤维改性过程的红外与XRD表征

PAN纤维的改性和聚吡咯的沉积过程通过红外光谱验证。如图4（a）所示，在3条曲线上都可以观察到2 243 cm-1处的吸收峰，它对应于—CN的伸缩振动。羧基改性PAN纤维曲线上的3 356cm-1处的宽吸收峰和1 728 cm-1处的吸收峰分别归因于—COOH的—OH和—CO伸缩振动，证实了—CN已成功地改性为—COOH。与羧基改性PAN纤维曲线相比，沉积PPy的纤维曲线在1 038 cm-1处可以发现一个新的峰，这是由于N—H平面内变形引起的，并且在1 560 cm-1处的峰显著增强，这是由吡咯环的CC拉伸形成的，这两个峰为PPy的特征峰，这表明PPy已经成功地在纤维表面聚合。图4（b）中的XRD结果也证明了这一点。与PAN纤维的曲线相比，沉积PPy的纤维曲线在2θ值为26°附近有一个明显的宽吸收峰，对应于PPy的（104）面的反射。

2.3PAN光热纤维在太阳光全波长范围内的吸收光谱

太阳光的吸收效率是影响界面温度的重要因素。由于纤维对太阳光的吸收比例无法直接测量，因此由入射光（100%）减去反射比例与透过比例计算得到吸收66例。计算后的结果如图5所示，其吸收比例在紫外与可见光波段的吸收比例超过95%，在近红外波段的吸收比例随着波长的增大有所降低，这可能是由于随着波长的增加，光的穿透性更强。总体来看，PAN光热纤维在全太阳光谱范围内的吸收比例均高于90%。这不仅归功于PPy良好的光吸收性能，还因为PAN光热纤维本身的多级纤维结构，具有粗糙的形貌，光线在纤维间的孔隙中通过多次折射和散射提高光吸收效率。

2.4不同数量水通道界面蒸发器的蒸发性能表征

为了验证不同数量水通道的界面蒸发器的蒸发效果，测定了具有2条、5条与9条水通道界面蒸发器的蒸发率与界面温度变化。从图6（a）中可以看出，3种蒸发器的蒸发速度十分稳定，基本随时间稳定上升，但明显看出，2条水通道的界面蒸发器的蒸发率最高，随着水通道的数量增多蒸发率逐渐下降，3种蒸发器的蒸发率分别为1.38、1.15、1.06 kg/（m2·h）。从图6（b）中也可以看到，3种界面蒸发器相应的平衡界面温度为36.5、35.3、31.6 ℃。这说明在界面处供水充足的情况下，水通道数量越多，界面处向主体水的传热面积越大，由热传导导致的热量散失越大，导致界面温度的降低与蒸发率的下降。经过计算，3个界面蒸发器的太阳能效率分别为70.48%、46.53%、40.92%，2条水通道的界面蒸发器太阳能效率最高。海水中的盐浓度也是影响蒸发率的重要因素，如图6（c）所示，2条水通道的界面蒸发器在NaCl质量分数分别为0、1%、2%、3%、4%的溶液中的蒸发率分别为1.53、1.47、1.41、1.35 、1.27 kg/（m2·h），蒸发率随NaCl质量分数的提高而降低。进一步测试2条水通道界面蒸发器在不同太阳光强度下温度变化，如图6（d）所示。太阳光照射强度越高，界面温度越高，但太阳光利用效率随着强度的增加而有所下降，这可能是由于界面温度越高，通过热传导和热辐射散失的热量也越高，使能源效率有所下降。

界面蒸发过程中界面温度的变化红外热成像照片如图7所示，2条水通道界面蒸发器在升温过程中整个界面的温度基本保持均匀，在400 s时达到平衡温度。在5条水通道界面蒸发器升温过程中，明显可以看到界面温度分布不均匀，中间3条水通道处的温度明显低于周围，直到整个界面温度基本稳定后，水通道痕迹逐渐减轻，但整体温度低于2条水通道的界面蒸发器。对于9条水通道界面蒸发器而言，升温过程整个界面温度呈现条纹状。界面温度平衡后，整体温度最低。

3结论

PAN纤维羧基化亲水改性后在表面沉积PPy可以得到性能稳定的光热纤维，纤维在太阳光全波长范围内的吸收率超过90%。纤维良好的加工性能可以在绝热的EPE泡沫上缠绕包覆得到低成本高效率的界面蒸发器。通过制备具有不同数量水传输通道的界面蒸发器并研究其蒸发与升温性能发现，具有2条水通道的界面蒸发器界面温度可升至36.5 ℃，蒸发率达到1.38 kg/（m2·h），太阳能效率70.48%。当水通道数量增加至5条和9条的时候，太阳效率会分别降至46.53%和40.92%，部分热量会通过水通道热传导至主体水中。所以，在界面供水充足的条件下，增加水传输通道的数量会增加界面能量的损失，导致蒸发效率的降低。在太阳能界面蒸发器的设计与制备过程中要综合考虑界面蒸发器的传质与传热过程，提高能量利用效率。

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