基于碳納米管-聚乙烯醇水凝膠的太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)性能研究

晏 哲，牛曉娟，李浩然，洪文鵬，李 艷，李博宇

(東北電力大學能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012)

淡水資源對人類的生存與發(fā)展有著不可或缺的作用[1]，近幾年由于環(huán)境污染等因素導致偏遠干旱地區(qū)出現(xiàn)嚴重的淡水短缺問題[2].為了解決這一問題，近年來研究學者發(fā)展了一種新型水處理技術(shù)-太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)技術(shù).通過利用可再生太陽能源[3-6]，提升水的蒸發(fā)速率，獲取符合人類飲用標準的淡水.早期該技術(shù)主要采用體積加熱方式加速蒸發(fā)，但該方法存在能量損耗大、蒸發(fā)速率低等問題.為了提升蒸發(fā)效率，Ghasemi等[7]使用一種可飄浮在空氣-水界面的蒸發(fā)器，通過蒸發(fā)器表面與入射太陽光之間的相互作用，將入射的太陽能轉(zhuǎn)換為熱能并加熱蒸發(fā)器表面及內(nèi)部的水.該方法的優(yōu)勢在于蒸發(fā)過程中避免了整體水被加熱，實現(xiàn)了蒸發(fā)表面能量的高度集中.通過使用全光譜吸收材料并采取有效措施減少能量損失，可以極大限度地提升蒸發(fā)器的光熱轉(zhuǎn)換效率.

由于光吸收材料在太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)技術(shù)中起到至關(guān)重要的作用，對光吸收材料的廣泛研究加快了該領(lǐng)域的發(fā)展.在現(xiàn)有研究中，光吸收材料主要可分為三類：金屬納米顆粒[8-11]、半導體材料[12-13]，以及碳基材料[14-16].金屬納米顆粒被選作吸光材料主要是由于其表面產(chǎn)生的等離激元共振效應，即入射的太陽光頻率與金屬材料固有頻率發(fā)生共振時產(chǎn)生的震蕩作用可以提升材料的光熱轉(zhuǎn)換性能.由于具有等離激元共振效應的金屬納米顆粒成本偏高，并且在長時間光照下容易發(fā)生腐蝕，故其實際應用的可拓展性較差.相對于金屬納米顆粒，半導體材料的優(yōu)勢是成本較低、穩(wěn)定性較好，但由于其光譜吸收性能較差，通常光熱轉(zhuǎn)換效率最低.相比于前兩種材料，碳基材料由于具有較好的化學穩(wěn)定性、成本低廉、易獲取、寬波段光譜吸收性能等優(yōu)勢，已成為最有潛力的光吸收材料.例如，Higgins等[14]利用碳纖維、Gong等[15]利用碳海綿均在1倍標準太陽強度下獲得了較高的蒸發(fā)效率，制造了可重復利用、廉價、高效的太陽能吸收器.為了進一步提升光熱轉(zhuǎn)換能力，Ghafurian等[16]將木材通過表面改性、激光碳化和金納米薄膜的沉積處理，在3倍標準太陽強度下獲得了4 kg·m-2·h-1的蒸發(fā)速率.李秀強[17]以二維氧化石墨烯薄膜為光吸收材料，獲得了約80%的光熱轉(zhuǎn)換效率.

另一方面，在眾多的蒸發(fā)器基底材料中，聚乙烯醇(PVA)水凝膠因其良好的生物相容性、優(yōu)異的親水性能和力學性能而引起了學者關(guān)注.例如：Zhao等[18]通過冷凍干燥法制備了多孔PVA水凝膠，將微納尺度的分級結(jié)構(gòu)水凝膠作為太陽能蒸發(fā)器，PVA水凝膠分子鏈消除了具有局域加熱功能的蒸發(fā)器的對流熱損失.此外，水凝膠分子鏈上的親水基團可以有效的結(jié)合水分子形成水簇，將水分子分成結(jié)合水、中間水和自由水三種形態(tài)，水凝膠獨特的內(nèi)部分級網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使水的蒸發(fā)焓降低，加速了水蒸發(fā).在此基礎(chǔ)上，Zhou等[19]在PVA水凝膠的制備過程中加入了殼聚糖，通過殼聚糖分子鏈上的親水基團進一步提升水凝膠內(nèi)部中間水的比例，獲得了更快的蒸發(fā)速率.采用冷凍干燥法制備太陽能吸收體的局限性在制備工藝復雜且周期較長.為了簡化材料制備工藝，Liang等[20]采用聚吡咯為光吸收材料，通過酵母發(fā)酵法制備了多孔PVA水凝膠，并且水凝膠的孔徑可以通過改變酵母及葡萄糖的含量和發(fā)酵時間調(diào)節(jié)，在1倍標準太陽強度下取得了較高的蒸發(fā)速率和光熱轉(zhuǎn)換效率.

本文結(jié)合酵母發(fā)酵和凍融循環(huán)法，制備了CNT-PVA水凝膠.CNT的光譜吸收率較高，且其較大的比表面積和表面疏水性對水中共存的有機污染物具有很強的吸附能力；而PVA水凝膠具有無毒性、導熱系數(shù)低及水輸運能力強等優(yōu)點.將具有寬光譜吸收性能的光吸收材料CNT與輸水性能良好的PVA水凝膠復合后應用于太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)系統(tǒng)，在1倍標準太陽強度下實現(xiàn)了1.43 kg·m-2·h-1的蒸發(fā)速率和92.4%的光熱蒸發(fā)效率.此外，CNT-PVA水凝膠制備成本低，上述優(yōu)勢使其在太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)中展現(xiàn)了較大的應用潛力.

1 實驗方法介紹

1.1 化學試劑

PVA(醇解度：99.0mol%～99.4 mol%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，石墨化多壁CNT(>99.9%，內(nèi)徑5 nm～10 nm，外徑10 nm～20 nm，長度10 μm～30 μm，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，酵母(安琪酵母股份有限公司)，葡萄糖(重慶和平制藥有限公司).

1.2 CNT-PVA水凝膠制備

將4 g PVA、150 mg CNT、300 mg葡萄糖加入16 mL水中超聲處理20 min；然后在水浴溫度為95 ℃的集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中攪拌加熱90 min，轉(zhuǎn)速為20 rpm；隨后取出樣品室溫冷卻30 min；冷卻過程中另取1 g酵母加入3 mL水中，攪拌至酵母完全溶解；然后將1 mL酵母溶液加入CNT-PVA混合溶液中攪拌均勻，并在40 ℃環(huán)境中恒溫發(fā)酵40 min；隨即將樣品放置于-18 ℃冰箱冷藏12 h、室溫解凍6 h，凍融過程結(jié)束后制得CNT-PVA水凝膠，其厚度為10 mm.此外，本文通過上述相似方法制備了不含CNT的PVA水凝膠作為對照組.

1.3 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計

用于太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)性能研究的蒸發(fā)器如圖1所示.首先將1.2節(jié)制備的CNT-PVA水凝膠在足量的水中浸泡2 h，使其充分膨脹，然后將其裁剪為與玻璃容器內(nèi)徑相等的圓柱體結(jié)構(gòu)(44 mm)，隨后將其置于充滿室溫自來水的玻璃杯表面并擦干溢出的水分.蒸發(fā)過程中，CNT-PVA水凝膠內(nèi)部豐富的孔隙結(jié)構(gòu)可使體相水在毛細力作用下從水凝膠的底部和側(cè)面輸送至上表面，為蒸發(fā)過程源源不斷的提供水分.

圖1 CNT-PVA水凝膠蒸發(fā)器原理圖

1.4 太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)實驗介紹

太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)實驗原理如圖2所示，首先采用標準太陽能電池(RCCN，北京中教金源科技有限公司)將蒸發(fā)面高度的光照強度校正為1 kW·m-2，校正完成后在太陽光模擬器(7LS1003A，北京賽凡光電儀器有限公司)正下方放置電子天平(SQP，賽多利斯科學儀器有限公司)，隨后將1.3節(jié)所述蒸發(fā)器置于電子天平上進行蒸發(fā)實驗.連續(xù)光照過程中每隔30 s記錄電子天平上的顯示數(shù)據(jù)(即蒸發(fā)總量)，并自動傳輸?shù)接嬎銠C數(shù)據(jù)表中；同時通過紅外熱像儀(T250，美國FLIR SYSTEMS公司)實時監(jiān)測蒸發(fā)過程樣品的溫度分布.根據(jù)穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)速率可計算光熱蒸發(fā)效率[7]：

圖2 太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)實驗裝置圖

(1)

hlv=λlv+CpΔT，

(2)

公式中：λlv為大氣壓力下水的汽化潛熱(2.257 MJ·kg-1)；Cp為水的比熱容(4.2 kJ·kg-1·K-1)；ΔT為表示水的溫升(K).

2 結(jié)果與討論

2.1 太陽能吸收器物性測量

在太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)過程中，吸光材料的光譜吸收性能和水輸運能力是影響蒸發(fā)性能的主要因素[22].為了表征光學性能，采用紫外-可見-近紅外分光光度計測量了300 nm～2 500 nm波長范圍內(nèi)CNT-PVA與PVA水凝膠的反射光譜及透射光譜.并根據(jù)下式計算樣品的光譜吸收特性：

A(λ)=1-R(λ)-T(λ)，

(3)

公式中：A(λ)、R(λ)、T(λ)分別為吸光材料的光譜吸收率、反射率及透射率；λ為太陽光波長.

根據(jù)圖3可知，PVA水凝膠的太陽光反射率及透射率遠遠大于CNT-PVA水凝膠，PVA水凝膠在300 nm～1 500 nm之間的太陽光吸收能力較弱，而CNT-PVA水凝膠的太陽光反射率很小，并且透射率幾乎為零，證明了CNT具有非常優(yōu)異的太陽能吸收性能.通過積分計算得出CNT-PVA水凝膠的吸收率達到97.0%.

圖3 300～2 500 nm波段內(nèi)(a) PVA和(b) CNT-PVA水凝膠的光學性能

為了驗證CNT-PVA水凝膠的水輸運性能，對其孔隙率及親水性進行了測試.孔隙率通過吸水前后的單位體積比重進行測量，實驗方法為：將CNT-PVA水凝膠充分吸水后稱重，然后將其在室溫干燥2天，測得干燥后的CNT-PVA水凝膠質(zhì)量.結(jié)果表明，充分吸水和干燥CNT-PVA水凝膠的比重分別為0.854和0.144，如圖4(a)所示，由此可得CNT-PVA水凝膠的孔隙率為71%.CNT-PVA水凝膠的親水性通過接觸角測量儀測量，如圖4(b)所示.當7 μL液滴滴入CNT-PVA水凝膠表面時，在21 ms內(nèi)迅速在CNT-PVA水凝膠表面鋪開，證明了CNT-PVA水凝膠具有優(yōu)異的親水性.因此，CNT-PVA水凝膠由于其內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)及親水性可以為蒸發(fā)過程提供良好的水輸運及蒸汽逃逸通道，確保蒸發(fā)過程持續(xù)不斷的水供給.

圖4 CNT-PVA水凝膠的水輸運性能

2.2 太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)性能

為了測試CNT-PVA水凝膠的太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)性能，在1倍標準太陽強度下記錄了其溫度及蒸發(fā)量變化，以此計算蒸發(fā)過程中的穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)速率與效率，并以PVA水凝膠和純水蒸發(fā)為對照實驗.圖5(a)為1倍標準太陽強度下CNT-PVA、PVA水凝膠及純水系統(tǒng)的單位面積蒸發(fā)量隨時間的變化關(guān)系，在蒸發(fā)過程中，由于入射的光子被系統(tǒng)接收后轉(zhuǎn)換成熱能，并為水蒸發(fā)提供所需能量.因此，隨著時間的增長，系統(tǒng)收集的光子逐漸累積，整體溫度逐漸升高，系統(tǒng)的散熱損失、水分蒸發(fā)及收集光子能量逐漸趨于動態(tài)平衡(光照約20 min后)，此時可認為整個系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)階段.

圖5 在1倍標準太陽強度下水、PVA和CNT-PVA蒸發(fā)器(a)單位面積蒸發(fā)量(b)表面溫度隨輻照時間的變化關(guān)系

根據(jù)水的單位面積蒸發(fā)量與時間關(guān)系分析可得，在1倍標準太陽強度下，純水的穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)速率為0.49 kg·m-2·h-1，PVA水凝膠蒸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)速率為0.82 kg·m-2·h-1，在PVA水凝膠中加入CNT作為光吸收材料時，CNT-PVA水凝膠蒸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)速率達到1.43 kg·m-2·h-1.通過公式(1)和公式(2)計算的純水蒸發(fā)器的蒸發(fā)效率為31.1%.當使用PVA水凝膠構(gòu)建蒸發(fā)器時，蒸發(fā)效率提升到了51.9%.在PVA水凝膠中加入CNT作為光吸收材料后，由于CNT具有優(yōu)異的光譜吸收性能(參見圖3(b))，蒸發(fā)效率高達92.4%，如圖6(a)所示.圖6(b)所示溫度分布云圖證實了CNT-PVA水凝膠可以有效減少散熱損失，實現(xiàn)蒸發(fā)器上表面的高效局域加熱.光照初始階段的溫度約為24 ℃，雖然PVA水凝膠可以減小散熱，但由于其表面對太陽能可見光波段的反射及透射能力較強(參見圖3(a))，蒸發(fā)過程中其表面溫度變化較小.但在CNT-PVA水凝膠蒸發(fā)器的溫度-時間曲線圖中可以觀察到光照20 min內(nèi)蒸發(fā)器表面溫度快速升高，約在30 min后達到準靜態(tài)溫度(40 ℃)，大于PVA水凝膠的表面溫度，證實了CNT-PVA水凝膠的局域加熱能力.通過上述結(jié)果可知，在太陽光輻照下，作為光熱轉(zhuǎn)換材料的CNT與入射太陽光之間相互作用產(chǎn)生熱載流子，引起蒸發(fā)器表面溫度迅速增加，并加熱蒸發(fā)器表面及內(nèi)部的水.水分子在接收熱量后轉(zhuǎn)化為蒸汽，從蒸發(fā)器表面的多孔結(jié)構(gòu)逃逸.由于蒸發(fā)器自身較低的導熱系數(shù)抑制了表面熱量向本體水域溫度的傳遞，保持了蒸發(fā)器表面的局域高溫.在蒸發(fā)過程持續(xù)一段時間后，系統(tǒng)的蒸發(fā)量與蒸發(fā)器表面溫度逐漸趨于平衡.此外，蒸發(fā)器的親水性及內(nèi)部存在的多孔結(jié)構(gòu)可以保證本體水域中的水源源不斷地向蒸發(fā)器表面輸送，保證蒸發(fā)過程的連續(xù)發(fā)生.

圖6 在1倍標準太陽強度下進行太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)實驗(a)穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)速率(左)，光熱轉(zhuǎn)換效率(右)(b)根據(jù)紅外熱像儀記錄PVA水凝膠與CNT-PVA水凝膠的溫度變化

2.3 能量平衡分析

為了確定蒸發(fā)過程中的能量利用情況，根據(jù)蒸發(fā)器的溫度變化及蒸發(fā)性能分析了穩(wěn)態(tài)條件下CNT-PVA水凝膠的熱損失.CNT-PVA水凝膠在穩(wěn)態(tài)條件下的能量轉(zhuǎn)移可分為六類：(1)蒸發(fā)相變焓；(2)蒸發(fā)器頂部向環(huán)境的對流熱損失；(3)蒸發(fā)器頂部向環(huán)境的輻射熱損失；(4)蒸發(fā)器頂部向環(huán)境的光反射損失；(5)蒸發(fā)器向本體水域的導熱損失；(6)側(cè)面和底部表面向環(huán)境的對流熱損失[21].

(1)蒸汽產(chǎn)生過程的蒸發(fā)相變焓：蒸發(fā)過程中水的蒸發(fā)相變焓等于僅由光照引起的穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)效率，考慮黑暗狀態(tài)下的水蒸發(fā)效率(22.6%)，僅由光照引起的蒸發(fā)相變焓為69.8%.

(2)蒸發(fā)器頂部向環(huán)境的對流熱損失

對流熱損失可以使用Newton冷卻公式計算：

Qconv=hAts(Tts-Tf)，

(4)

公式中：h=5 W·m-2·K-1為空氣的自然對流換熱系數(shù)；Ats=1.519×10-3m-2為蒸發(fā)器頂面面積；Tts和Tf分別為頂面熱力學溫度和環(huán)境熱力學溫度.因此，蒸發(fā)器頂部向環(huán)境的對流熱損失為

(3)蒸發(fā)器頂部向環(huán)境的輻射熱損失

輻射損失可用Stefan-Boltzmann定律計算：

(5)

(4)蒸發(fā)器頂部向環(huán)境的反射損失

蒸發(fā)器頂部向環(huán)境的光反射損失等于CNT-PVA水凝膠的反射率(2.6%).

(5)蒸發(fā)器向本體水域的導熱損失

導熱損失為CNT-PVA水凝膠向本體水域的導熱損失.根據(jù)水的溫度梯度和Fourier定律可以計算：

(6)

(6)蒸發(fā)器側(cè)面和底部表面向環(huán)境的對流熱損失

上述五類能量轉(zhuǎn)換之和約為95.1%.因此，蒸發(fā)器側(cè)面和底部表面向環(huán)境的對流熱損失約為4.9%.

綜上分析，CNT-PVA水凝膠蒸發(fā)器仍存在著較大的熱損失.其中包括蒸發(fā)器頂部向環(huán)境的對流和反射損失(8.1%和2.6%)，向本體水域的導熱損失(4.7%)，以及從蒸發(fā)器側(cè)面和底部表面向周圍環(huán)境的對流熱損失(4.9%).為了進一步提高CNT-PVA水凝膠蒸發(fā)器的蒸發(fā)性能，后期工作將通過優(yōu)化蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)減小CNT-PVA水凝膠的散熱損失，進而提升蒸發(fā)性能.

3 結(jié) 論

綜上所述，本文結(jié)合酵母發(fā)酵和凍融循環(huán)法，制備了多孔CNT-PVA水凝膠，并將其用于太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)實驗.主要研究結(jié)果如下：

(1)CNT-PVA水凝膠在300 nm～2 500 nm波長范圍內(nèi)實現(xiàn)了97.0%的太陽光吸收率，具有良好的太陽能光譜吸收性能.

(2)內(nèi)部孔隙率達到71%且具有優(yōu)異的親水性能，有助于蒸發(fā)過程持續(xù)不斷的輸運水分并為產(chǎn)生的蒸汽提供逃逸通道.

(3)平衡狀態(tài)下CNT-PVA水凝膠表面溫度約為40 ℃，高于本體水域的溫度，證實其局域表面加熱能力.

(4)在1倍標準太陽強度下實現(xiàn)了1.43 kg·m-2·h-1的蒸發(fā)速率以及92.4%的光熱蒸發(fā)效率，蒸發(fā)性能遠超純水蒸發(fā)器.