活性炭纤维/木棉复合针刺材料的制备及其海水淡化性能研究

摘要：随着人口数量剧增，人类社会对自然资源的需求不断增加，加上全球气候变化，特别是在土地干旱与内陆地区，淡水需求持续增加。文章利用针刺非织造技术制备活性炭纤维（activated carbon fiber，ACF）/木棉纤维（kapok fiber，KF）双层复合毡（activated carbon fiber/ kapok fiber，CKF），得到纤维基太阳能界面蒸发器。其中，底层KF的疏水性保证了材料具有良好的自浮性，顶层ACF的亲水性能够将水分向上传输。考察了纤维基太阳能界面蒸发器的结构稳定性、亲水性、热管理性能对蒸汽产生性能的影响，并探究其对海水的净化能力。选用不同面密度木棉针刺毡与活性炭纤维毡进行针刺复合，经过工艺优化，将针刺密度设定为120 次/m2，使得材料在300～2 500 nm太阳光波段的吸收率高于95%。研究发现：选用面密度为200 g/m2的木棉针刺毡与面密度为278 g/m2的活性炭纤维毡进行针刺加固复合得到的材料，蒸汽产生性能最佳，在1.0 kW/m2的光照强度下蒸发效率达到1.01 kg/（m2·h），光热转换效率为65%，最高温度为64.6 ℃。研究结果可为高效太阳能水蒸发器的构筑提供新思路。

关键词：木棉纤维；活性炭纤维；针刺；海水淡化

中图分类号： TS176.3" " " " " " " " " " " " 文献标志码： A文章编号： １６７３－２３４０（２０24）０2－００67－０7

Abstract： With the rapid increase in the human population， the demand for natural resources is rising， coupled with global climate change， especially in arid and inland areas where the demand for fresh water continues to grow. This study utilizes needle-punched nonwoven technology to prepare a fiber-based solar interface evaporator from activated carbon fiber （ACF）/kapok fiber （KF） double-layer composite felt （CKF）. The hydrophobicity of the bottom KF layer ensures good self-buoyancy， while the hydrophilicity of the top ACF layer facilitates upward water transport. The influence of structural stability， hydrophilicity， and thermal management performance on the steam generation performance of the fiber-based solar interface evaporator was investigated， and its seawater purification capacity was explored. Different gram weights of kapok needled felt and activated carbon fiber felt were selected for needled composites. After process optimization， the needling density was set at 120 punches/m2， resulting in a solar absorption rate of over 95% in the 300-2 500 nm wavelength range. The study found that the composite material， reinforced with 200 g/m2 kapok needled felt and 278 g/m2 activated carbon fiber felt， exhibited the best vapor generation performance. Under 1.0 kW/m2 illumination， the evaporation efficiency reached 1.01 kg/（m2·h）， the photothermal conversion efficiency was 65%， and the maximum temperature reached 64.6 ℃. The results provide new insights into the construction of high-efficiency solar water evaporators.

Key words： kapok fiber; activated carbon; needling; seawater desalination

海水淡化技术，也被称为海水脱盐，是指从海水中获得淡水的技术和过程。目前，市面上海水淡化应用最广泛的方法包括：蒸汽压缩法[1]、多效脱盐法[2]、反渗透膜法[3]、多级闪蒸法和电渗透法[4]。海水淡化产业的发展对缓解水资源短缺、优化水结构、保障水资源的可持续利用具有重要意义[5]。但传统的海水淡化技术往往具有投资高昂、化石能源消耗过大、温室气体排放高等缺陷，会带来能源过量消耗和环境二次污染等问题[6-7]。太阳能是地球上最丰富的可再生能源，受植物蒸腾作用的启发，利用太阳能为海水淡化提供动力是一种可持续的、无污染的长效解决方案[8-9]。

影响太阳能驱动界面蒸发效率的因素主要有以下3点：一是界面蒸发材料需要具有优良的光热转换性能；二是界面蒸发海水淡化系统能量损耗低；三是空气-水界面有持续的水源供应[10]。因此，选择光吸收能力强、吸波范围广的材料作为光吸收体，可以提高太阳能界面蒸发的光热转换效率[11]；使用漂浮于水面上的光热转换材料可以防止液面浸润使能量向水中扩散，降低能量损耗；使用亲水材料来传输水分至界面蒸发材料表面，可以保证空气-水界面有持续水源供应，实现水分的快速蒸发[12]。这些措施可以大大提高太阳能界面蒸发的效率，以此能制造出更高效的海水淡化材料[13]。

在太阳能驱动界面蒸发系统中，能量传递过程包括：太阳能输入、能量转换、环境热交换和蒸汽溢出[14]。为了实现太阳能界面蒸发系统的实际应用，需要攻克以下难点：1）选用开发适合蒸汽发生器的光热材料及其他基板材料[15]；2）设计低热损失的水运输通道[16]；3）保证使用过程中材料的热稳定性和耐化学腐蚀性；4）降低成本等。在实际应用中，为了解决湍流导致蒸发器沉没等问题，确保稳定性能，自浮能力显得至关重要。与传统的芯管式蒸发器相比，浮式蒸发系统通常需要考虑添加支架以避免沉入水中的问题。然而，对于自浮式蒸发器而言，由于其具备自浮特性，在水面上漂浮时无需额外支撑，这要求材料具有合适的疏水性和低质量密度。

木棉纤维（kapok fiber，KF）是单细胞纤维，其形态、颜色都与棉纤维相似，纤维长度8～32 mm，直径为20～45 mm，为表面光滑、无转曲、圆形大中腔截面的管状物，其中空率可达80%～90%。这一特性使其可在承受自身20～36倍的质量情况下漂浮在水面上[17]。木棉纤维表面的蜡质使其具有拒水的性能，但也有一些缺点，比如强度较低、抱合力差和弹性较小。由于木棉纤维具有质量小、浮力好的特性，由其织成的漂浮物能够达到质轻易携、快干不吸水的效果，因此可被应用于一些特殊的海上工作[18]。

活性炭纤维（activated carbon fiber，ACF）因其高度多孔的结构，具有较大的比表面积和丰富的微孔结构，从而具有优异的吸附性能。它可以吸附并储存大量的热能，从而实现高效的热能转换[19]。活性炭纤维具有良好的导热性能，可以快速传递吸附的热量。这使得活性炭纤维在光热转换过程中能够迅速吸收光能并将其转化为热能，同时可以在较高温度下工作而不发生形状变化或热损失。活性炭纤维通常具有轻质和柔性的特点，使其在一些特殊应用场合中具有优势。例如在太阳能板、光热发电系统等领域，活性炭纤维可以灵活地嵌入并适应各种形状和结构的设备[20-21]。

本文选用木棉针刺毡与活性炭纤维毡进行针刺复合，得到活性炭纤维/木棉纤维（activated carbon fiber/kapok fiber，CKF）复合毡。在整个过程中，刺针会以一定的频率反复向上（冲）和向下（回）运动[22]。在刺针进行冲刺打孔过程中，刺针刺入梳理后的纤维垫，在刺针的推动和纤维与针壁的摩擦力作用下，纤维发生定向移动。回传时，刺针会离开垫子，而一些纤维会被拉出到另外一侧纤维垫的表面，这主要是由于刺针与纤维之间存在摩擦力。因此，不同的纤维将纵向呈通道状分布，有利于下层海水运输。利用木棉的自浮性及非织造针刺复合工艺提供的通道构建一种轻质太阳能光热蒸发体，研究其结构稳定性、亲水性、热管理性能对蒸汽产生性能的影响，探究其对原水的净化能力，可为高效太阳能水蒸发器的构筑提供新思路。

1" "实验部分

1.1" "实验原料

活性炭纤维毡，面密度278 g/m2，南通森友炭纤维有限公司；木棉纤维、PP纤维，南通新绿叶公司。

1.2" "实验仪器

Gemini 300扫描电子显微镜，德国ZEISS公司；OCA15EC视频光学接触角测定仪，北京奥德利诺仪器有限公司；FN梳理机，青岛精佳纺织机械制造公司；YBG343-110针刺机，海润纺织机械有限公司；UV-3600紫外可见近红外分光光度计，日本岛津制作所；CME-SL500氙灯光源，中科微能（北京）科技有限公司；TES-1333R太阳能功率表，台湾泰仕电子工业股份有限公司；1810D红外热像仪，谱育科技发展有限公司；PTX-FA210S电子分析天平，华志电子科技有限公司。

1.3" "实验方法

1.3.1" "KF针刺毡的制备

木棉纤维经预处理（亚氯酸钠溶液浸泡1 h处理后预湿）后与PP纤维以质量比为3∶2的比例混合梳理成网，针刺密度120次/m2（300刺），按照一定面密度比例需求进行针刺，得到KF-1（面密度为140 g/m2）、KF-2（面密度为170 g/m2）、KF-3（面密度为200 g/m2）、KF-4（面密度为230 g/m2）。

1.3.2" "CKF针刺毡的制备

将上述所得4种不同面密度的木棉针刺毡与活性炭纤维毡进行针刺复合，刺针从木棉侧进针，得到CKF-1、CKF-2、CKF-3、CKF-4。

1.4" "测试与表征

1.4.1" "表面形貌

采用扫描电子显微镜对材料的表面形貌进行观察，加速电压为5 kV。

1.4.2" "水接触角

按照DB44/T 1872—2016《纺织品" 表面润湿性能的测定 接触角法》测试样品的水接触角。

1.4.3" "透气率

按照GB/T 5453—1997《纺织品" 织物透气性的测定》测试样品的透气率。

1.4.4" "吸光度

采用紫外可见近红外分光光度计对样品的吸光度进行分析。

1.4.5" "水蒸发性能

将装满去离子水的25 mL烧杯放在电子分析天平上，在环境温度24～26 ℃、湿度40%～60%的条件下，使用装有AM1.5G滤光片的氙灯模拟太阳光源，将CKF切割成直径为2.5 cm的圆形，垂直置于太阳光源下进行照射。每次测试保证烧杯中液面高度和水体温度几乎相同。氙灯用于模拟太阳光辐射，辐照强度由光功率计独立测量。样品在光照过程，表面温度由红外热像仪测量。通过电子分析天平（精度为0.1 mg）实时监测蒸发过程中水的质量损失情况，以确定蒸发速率和光热转换效率。

2" "结果与讨论

2.1" "CKF的表面形貌分析

图1为CKF的SEM图像。从图1（a）可以看到，活性炭纤维的表面粗糙且有明显沟壑，这种结构可以提高活性炭纤维的表面积，以提供更多的吸附位点；从图1（b）可以看到，木棉纤维呈扁平转曲状，表面有鳞片状结构。结合图1（c）和（d）可知，针刺过程中活性炭纤维毡层少量纤维被刺针带回木棉层，木棉纤维被刺入活性炭纤维毡层，材料结合牢固。

2.2" "CKF的接触角分析

图2为CKF通过水接触角测试仪监测到的水润湿动态过程。当水滴滴到木棉纤维侧表面时，水滴与界面呈153°钝角，这表明木棉纤维具有强疏水性。然而当水滴分别被滴到CKF-1、CKF-2、CKF-3、CKF-4活性炭纤维侧表面时，样品均在1 min内完全润湿。CKF-1、CKF-2在0.2 s时就完全润湿；CKF-3、CKF-4在0.4 s时仍未完全润湿。相比于CKF-1、CKF-2，CKF-3、CKF-4的水润湿速度略有下降，这是由于CKF-3、CKF-4的木棉纤维较多地被带入到活性炭纤维毡层中，加上相比CKF-1、CKF-2厚度有所增加，纤维之间紧密度增加，延缓了水滴的润湿速度。

2.3" "CKF的透气性分析

材料的透气性是指空气通过材料的能力。透气率越高，材料对空气的阻力越低，从而空气可以更容易地通过材料。影响太阳能驱动界面蒸发效率的因素还有水蒸气的逃逸，因此我们对材料进行了透气率测试。图3为不同面密度CKF的透气率，从图中可以看到，木棉纤维毡面密度与CKF的透气性呈负相关线性关系，即木棉纤维毡的面密度越大，CKF的透气率越低，透气性能越差。这是因为在材料进行针刺复合的过程中，纤维受到刺针挤压导致整体结构变得紧密，同时相同体积下面密度越大的材料，孔隙越小，孔隙率降低，透气性也随之降低。

2.4" "CKF的光热分析

光热材料通常表现出较强的光吸收性能，通过对活性炭纤维毡及木棉纤维毡的UV-Vis-NIR性能测试可知，活性炭纤维能够吸收95%以上的光线（图4），包括紫外、可见及近红外光谱区域，因此满足作为光热蒸发材料的先决条件。

为了进一步分析CKF的光热转换效果，利用氙灯模拟光照，通过调整电流和蒸发界面处样品与光源的距离来调节光照强度，在1.0 kW/m2光照强度下光照1 h。此外，通过红外热像仪拍摄得到了光照过程中的CKF红外图像，可以更加直观地了解到CKF的表面温度分布情况，结果如图5所示。从图5可以看出，由于蒸发界面的热局部化效应，CKF的表面温度迅速升高，在10 min左右达到最高温度，CKF-1、CKF-2、CKF-3、CKF-4最高温度分别为42.5、56.3、64.6 和66.7 ℃。然而，CKF-4升温速率显著高于其他，在6 min光照下表面温度升高了20 ℃并稳定在45～50 ℃，证实了CKF优异的光热转换能力。

2.5" "CKF的蒸发性能分析

蒸发速率及能量利用效率的计算公式分别为

υ = Δm/（S × Δt），（1）

η = υH/（C × P），（2）

其中：Δm为蒸发水质量，kg；Δt为辐照时间，h；S为蒸发器有效蒸发面积，m2；H为CKF的等效蒸发焓；C为光学浓度；P为1 kW/m2的标准太阳辐照值。

根据能量守恒定律，假设蒸发由相同的能量输入（E）驱动，蒸发焓的计算公式为

E = ΔH = ΔH，（3）

其中：ΔH和ΔH分别为纯水的蒸发焓和CKF的蒸发焓；和分别为热重测试所得到的纯水和CKF的质量变化率。

ΔH会随着温度变化而变化，近似计算公式为

ΔH = α + βT + γT + δT + εT，（4）

其中：α = 2 500.304 0，β = -2.252 1，γ = -0.021 5，δ = 3.175 0 × 10-4，ε = -2.860 8 × 10-5，均为常数；T为温度，°C。

根据计算可以得出，CKF-1、CKF-2、CKF-3、CKF-4 4种材料的蒸发速率分别为0.41、0.76、1.01、0.91 kg/（m2·h）。由图6可以看出，CKF-3的蒸发效率最高，结合接触角测试结果，说明木棉纤维毡面密度对材料蒸发性能有影响，面密度过低导致水运输速率过快，面密度过高时热传导路径变长造成大量热损失，导致蒸发速率降低。由式（2）计算可得CKF-3的光热蒸发效率为65%。

由于不同地区和不同时间点的光照强度有所不同，为了探究本实验中CKF针刺毡在不同地区和气温条件下的蒸发性能，测试了CKF针刺毡在不同光照强度下的光热蒸发性能。采用蒸发性能最优的CKF-3分别在0.6、0.8、1.0和1.2 kW/m2强度下对CKF-3作用下纯水的光热蒸发进行测试，结果如图7所示。由图7可知，CKF-3作用下纯水的蒸发速率与光照强度成正相关关系，光照强度越大，纯水的蒸发速率也越大。CKF-3在0.6、0.8 kW/m2强度下纯水的蒸发速率分别为0.6和0.9 kg/（m2·h），而当光照强度上升至1.0和1.2 kW/m2时，CKF-3作用下纯水的蒸发速率分别高达1.01和1.05 kg/（m2·h）。通常情况下，光照强度的增加，会使材料与环境之间的热损失增加。此外，光照强度的增加，有可能导致蒸发速率大于供水速率，从而导致蒸发效率的下降。然而，通过对比发现，CKF-3在1.2 kW/m2强度的条件下，依然能保持好的蒸发速率，这表明CKF-3具有良好的水传输性能和光热蒸发效率。同时，在多次蒸发测试过程中未见盐积累（如图8所示），证明了CKF-3具有很好的稳定性。

3" "结论

本文选用不同面密度木棉针刺毡与活性炭纤维毡进行针刺复合，利用木棉的自浮性能构建一种轻质太阳能光热蒸发体，并测试了相关性能。结果表明：采用面密度为200 g/m2的木棉针刺毡与面密度为278 g/m2的活性炭纤维毡进行针刺加固复合得到的材料，蒸汽产生性能最佳，在1.0 kW/m2光照强度下蒸发效率达到1.01 kg/（m2·h），光热转换效率为65%，最高温度为64.6 ℃。以上结果表明，CKF拥有良好的水传输性能和光热蒸发效率，在太阳能海水淡化领域具有很好的应用前景。

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（责任编辑：张燕）

收稿日期： 2024-04-16 接受日期： 2024-06-14

基金项目： 国家重点研发计划项目（2016YFB0303101））；国家自然科学基金青年科学基金项目（51803094）

第一作者简介： 汪航（1999— ）， 女， 硕士研究生。

* 通信联系人： 戴家木（1990— ）， 男， 副教授， 博士， 主要研究方向为生物医用及水处理功能化纤维材料。E-mail：jmdai@ntu.edu.cn