基于GO/PI/PTFE復合薄膜的熱空氣吹掠型太陽能界面蒸發效率實驗研究

收稿日期：2023-04-20

基金項目：風能太陽能利用技術教育部重點實驗室開放基金（2019-2021）；內蒙古自然基金（2021LHMS05007）；內蒙古工業大學博士基金（BS201933）；內蒙古自治區重大專項（2019ZD0014）

通信作者：高虹（1972—），女，博士、副教授，主要從事強化傳熱技術方面的研究。1505071310@qq.com

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20230420.01 文章編號：1003-0417（2024）04-59-07

摘 要：為了提高太陽能界面蒸發的蒸發效率，從改變結構設計和光熱材料兩個方面出發，設計了一種熱空氣吹掠型太陽能界面蒸發裝置。該蒸發裝置利用平板型太陽能空氣集熱器產生的高溫空氣吹過蒸發表面，加速界面蒸發；同時利用氧化石墨烯的性能優勢，制備了氧化石墨烯/聚酰亞胺/聚四氟乙烯膜（GO/PI/PTFE）復合薄膜作為光熱材料，以提高裝置蒸發效率。最后通過實驗對該蒸發裝置的性能進行分析驗證。研究結果表明：制備得到的GO/PI/PTFE復合薄膜具有更強的光吸收能力，且親水性能更佳。在蒸發表面吹入速度為4 m/s、溫度為65 ℃的熱空氣，太陽輻照度為1000 W/m2的條件下，在1800 s時，采用GO/PI/PTFE復合薄膜但無熱風吹掠的蒸發裝置對應的蒸發速率為1.22 kg/（m2·h），與純水蒸發裝置相比，蒸發速率提高了3.2倍，蒸發效率提高了59.5%；熱空氣吹掠型太陽能界面蒸發裝置的蒸發效率為88.0%，高于純水蒸發裝置和無熱空氣吹掠的蒸發裝置，與純水蒸發裝置相比，其蒸發速率提高了5.5倍，蒸發效率提高了68.0%。熱空氣吹掠可以提高蒸發量，進而提高蒸發裝置的蒸發效率。研究結果可為后續提高熱空氣吹掠型太陽能界面蒸發裝置蒸發效率的研究提供理論依據和實驗基礎。

關鍵詞：太陽能蒸發裝置；界面蒸發；蒸發效率；氧化石墨烯；光熱材料；熱空氣吹掠；傳熱強化

中圖分類號：TK519/U664.5+91 文獻標志碼：A

0" 引言

太陽能蒸發是一種傳統的太陽能脫鹽蒸汽生產方法，已得到了廣泛應用，且由于采用了界面蒸發技術使其蒸發效率顯著提高，近年來備受關注。目前，國內外學者針對太陽能界面蒸發的研究大多集中在通過材料創新[1-5]和裝置結構設計提高蒸發效率方面。在眾多研究中，Ma等[6]通過原位聚合法制備了羧酸石墨烯/聚酰亞胺（GO-COOH/PI）復合薄膜，實驗結果表明：與聚酰亞胺（PI）薄膜相比，GO-COOH/PI復合薄膜的導熱系數提高了128%。Zhao等[7]通過在氧化石墨烯（GO）和聚酰亞胺之間形成交聯鍵，將氧化石墨烯制成三維泡沫，并通過熱壓氧化預處理、熱壓碳化和石墨化等工藝制備成還原氧化石墨烯/聚酰亞胺（g-rGO/PI）復合薄膜，實驗結果表明：該復合薄膜表現出了優異的機械性能。Liu等[8]設計了一種由聚丙烯腈（PAN）和PAN/氧化石墨烯片段組成的雙層薄膜，其具有類似于木材的多級孔結構，膜內形成的微通道改善了對水的芯吸效應和通量，該雙層薄膜結構的太陽能熱效率可達83%。Bai等[9]提出在青磚上涂抹石墨烯來制備雙層倒錐結構，隨著石墨烯濃度的增加，采用該結構的界面蒸發裝置的蒸發速率迅速增加，并穩定在1.09 kg/（m2·h）。索茹[10]設計了一種新型水通道結構，該結構在保溫層包裹1層無塵紙，并在聚苯乙烯保溫層中間打孔，將另外的柱狀無塵紙插入聚苯乙烯保溫層打的孔中，該結構可提高蒸發速率。從以上研究可以看出，研究者們通過改變蒸發裝置的結構設計來提高蒸發效率的研究僅停留在針對吸體結構進行創新方面。基于此，本文從改變結構設計和光熱材料兩個方面出發，設計一種熱空氣吹掠型太陽能界面蒸發裝置。在結構設計上，該蒸發裝置采用空氣加熱[11-12]的方式，利用平板型太陽能空氣集熱器產生的高溫空氣吹過蒸發表面，加速界面蒸發；同時，利用氧化石墨烯的性能優勢，制備氧化石墨烯/聚酰亞胺/聚四氟乙烯膜（GO/PI/PTFE）復合薄膜作為太陽能界面蒸發裝置的光熱材料，從而提高該裝置的蒸發效率。

1" 蒸發性能實驗設計

1.1" 太陽能界面蒸發裝置的結構設計

本文的蒸發性能實驗共采用3種蒸發裝置，分別為：

1） 純水蒸發裝置。

2） 蒸發裝置A。該裝置采用文獻[10]提出的新型水通道結構，其結構示意圖如圖1a所示。其中：黑色部分為光熱材料，采用GO/PI/PTFE復合薄膜；黃色部分為保溫層，采用聚苯乙烯泡沫；藍色部分為模擬的海水。

3） 本文提出的熱空氣吹掠型太陽能界面蒸發裝置（下文簡稱為“蒸發裝置B”）。該蒸發裝置的結構是在蒸發裝置A的結構基礎上，利用平板型太陽能空氣集熱器向蒸發裝置的蒸發表面吹掠熱空氣，其結構示意圖如圖1b所示。

1.2" 實驗儀器和設備

蒸發性能實驗采用的儀器和設備包括人工太陽光模擬器、K型熱電偶、拓普瑞TP700多路數據記錄儀、電子天平等，如圖2所示。

a. 蒸發裝置A

b. 蒸發裝置B

圖1" 蒸發裝置A和蒸發裝置B的結構示意圖

Fig. 1" Structural schematic diagrams of evaporation

device A and evaporation device B

圖2" 蒸發性能實驗采用的儀器和設備圖

Fig. 2" Photo of instruments and equipment used in the evaporation performance experiment

采用人工太陽光模擬器作為實驗的光照來源，其光譜范圍為280～3000 nm，照射范圍為距離人工太陽模擬器1 m之內，光源為線性光源且發光均勻。實驗條件設定太陽輻照度為1000 W/m2。

在蒸汽性能實驗過程中，為準確計算太陽能界面蒸發裝置的蒸發效率，采用精度較高的電子天平測量實驗過程中各部分的質量變化；采用K型熱電偶監測太陽能界面蒸發裝置蒸發表面的溫度變化，并采用型號為拓普瑞TP700的多路數據記錄儀進行記錄。

1.3 蒸發性能實驗的測量與計算

由蒸發引起的水的累計質量變化量和蒸發速率是評價太陽能界面蒸發裝置性能的重要衡量指標，在蒸發裝置的性能測試中具有重要意義。

蒸發速率是指單位面積上，單位時間內蒸發的水的質量。蒸發速率m[13]可表示為：

（1）

式中：Δm為由蒸發引起的水的累計質量變化量，kg；s為蒸發表面的橫截面積，m2；t為太陽照射時間，h。

蒸發效率的定義為蒸發過程中消耗的能量與輸入蒸發裝置的熱能的比值，其是太陽能界面蒸發裝置重要的性能評價指標。對于無熱空氣吹掠的蒸發裝置A，輸入蒸發裝置的熱能即為太陽能，其蒸發效率ηeva[14]可表示為：

（2）

式中：hLV為單位質量水汽化所吸收的熱量，J/kg；Qin為裝置蒸發表面接收的太陽輻照度，W/m2。

對于蒸發裝置B而言，輸入蒸發裝置的熱能即為太陽能和經過平板型太陽能空氣集熱器后被加熱的空氣所攜帶的熱能之和。本實驗過程中采用電吹風模擬平板型太陽能空氣集熱器向蒸發表面吹入熱空氣。因此，有熱空氣吹掠的蒸發裝置B的蒸發效率ηeva，a可表示為：

（3）

式中：ca為空氣的比熱容，J/（kg·℃）；ma為電吹風吹出空氣的質量，kg；Δt為電吹風工作前后空氣的溫度變化量，℃。

實驗過程中，為保證蒸發裝置的性能評價涉及到的參數測量的精確度，需考慮以下問題：1）為防止其他熱源對實驗產生影響，需關閉其他熱源；2）在稱重過程中，選擇精度較高的電子天平進行測量（精度為0.001 g）；3）實驗過程中需對熱電偶進行固定，避免因其松動而導致溫度測量不準確；4）選擇帶有標準太陽光譜（AM1.5G）的人工太陽光模擬器進行實驗。

2" GO/PI/PTFE復合薄膜的制備

作為一種新型碳納米材料，氧化石墨烯具有較大的比表面積，是一種性能良好的吸光材料[6-8]。熱空氣吹掠型太陽能界面蒸發裝置采用了GO/PI/PTFE復合薄膜，該復合薄膜制備過程中采用的主要試劑包括聚四氟乙烯（PTFE）膜、聚酰亞胺粉末等，具體規格和生產廠家如表1所示。

GO/PI/PTFE復合薄膜的制備流程如圖3所示，具體如下：

1）制備氧化石墨烯/N，N-二甲基甲酰胺（GO/DMF） 的分散液。首先稱取質量為0.4 g 的氧化石墨烯粉末分別放入5 個燒杯中，在燒杯中加入N，N- 二甲基甲酰胺（DMF），利用超聲波混合數小時，制備出不同質量分數的GO/DMF 分散液。

2）將得到的GO/DMF分散液一邊攪拌一邊緩慢加入聚酰亞胺粉末，在常溫下進行攪拌，得到GO/PI/DMF分散液，將該分散液靜置到完全除去氣泡，保存備用。

3）對獲得的無氣泡的GO/PI/DMF分散液加水進行稀釋，等到溶液完全脫氣后，以PTFE膜的粗糙面作為基底，然后用真空抽濾裝置對GO/PI/DMF分散液進行抽濾，使分散液的固體成分附著在PTFE膜上，得到處于較為濕潤狀態的GO/PI/PTFE復合薄膜。

4）將處于較為濕潤狀態的GO/PI/PTFE復合薄膜在干燥箱內60 ℃下干燥1 h，即可得到蒸發性能實驗用GO/PI/PTFE復合薄膜。

需要說明的是，制備實驗中使用的氧化石墨烯粉末是通過改進Hummer法冷凍干燥后得到的97%高純氧化石墨烯粉末，因此制備得到的GO/PI/PTFE復合薄膜具有更強的光吸收能力，且親水性能更佳。

圖3" GO/PI/PTFE復合薄膜的制備流程圖

Fig. 3" Chart of preparation process of GO/PI/PTFE composite films

3" 實驗結果與分析

開展太陽能界面蒸發裝置性能實驗，對無熱空氣吹掠的蒸發裝置A、有熱空氣吹掠的蒸發裝置B和純水蒸發裝置這3個蒸發裝置的蒸發速率、蒸發表面溫度等參數進行比較。實驗時間為180 min，實驗過程中環境空氣的相對濕度在40%～45%之間，環境溫度在20～25 ℃之間，太陽輻照度為1000 W/m2。3個蒸發裝置中：純水蒸發裝置的結構中無復合膜、保溫層和無塵紙，實驗初始狀態下其水面與蒸發裝置A、B的蒸發表面位置相同。蒸發裝置B采用電吹風模擬平板型太陽能空氣集熱器向蒸發表面吹入熱空氣，電吹風的功率為1200 W，測量得到其空氣速度為4 m/s，熱空氣溫度為65 ℃，風口通風孔孔徑為0.05 m。

實驗過程中3個蒸發裝置各參數隨時間的變化情況如圖4所示。

從圖4的實驗結果可以看出：

a. 蒸發表面溫度

b. 水的累計質量變化量

c. 實驗進行到1800 s時3個蒸發裝置的蒸發速率和蒸發效率

圖4" 實驗過程中3個蒸發裝置各參數隨時間的變化情況

Fig." 4 Changes of various parameters over time of three

evaporation devices during experimental process

1）在1000 W/m2的太陽輻照度下，蒸發裝置A、蒸發裝置B的蒸發表面溫度均比純水蒸發裝置的水面溫度高出很多；3個蒸發裝置表面溫度上升的趨勢大致相同，均為剛開始時增長速度較快，隨后增速逐漸減小，實驗結束時純水蒸發裝置、蒸發裝置A、蒸發裝置B的表面溫度分別為32.0、51.5和72.1 ℃。根據曲線走勢預測，隨著時間推移，3個蒸發裝置表面溫度將會出現更大的差異。

2） 實驗進行到1800 s時，蒸發裝置A的水的累計質量變化量為-2.44 kg/m2（因實驗采用燒杯，有口徑限制，因此水的累計質量變化量均轉換為kg/m2表示），即水的累計蒸發量為2.44 kg/m2；蒸發裝置B的水的累計質量變化量為-3.67 kg/m2，即水的累計蒸發量為3.67 kg/m2，該值高于純水蒸發裝置和蒸發裝置A的值。

3） 實驗進行到1800 s時，由于采用GO/PI/PTFE復合薄膜，蒸發裝置A的蒸發速率為1.22 kg/（m2·h），比純水蒸發裝置的蒸發速率提高了3.2倍；蒸發裝置A的蒸發效率為80.5%，比純水蒸發裝置的蒸發效率提高了59.5%。

4） 實驗進行到1800 s時，由于有熱空氣吹掠，蒸發裝置B的蒸發速率比純水蒸發裝置的蒸發速率提高了5.5倍，比蒸發裝置A的蒸發速率提高了0.5倍；蒸發裝置B的蒸發效率為88.0%，高于純水蒸發裝置和蒸發裝置A的蒸發效率，比純水蒸發裝置的蒸發效率提高了68.0%。

由此可見，熱空氣吹掠蒸發表面可以加速界面蒸發，提高蒸發量，進而提高蒸發裝置的蒸發效率。

對蒸發裝置B的蒸發性能進行測試。實驗時間為30 min，向蒸發表面吹入速度為4 m/s、溫度為45 ℃的熱空氣，測試太陽輻照度由600 W/m2上升至1000 W/m2時蒸發裝置B的蒸發表面溫度變化和水的累計質量變化量，測試結果如圖5所示。

a. 蒸發表面溫度

b. 水的累計質量變化量

圖5" 不同太陽輻照度下蒸發裝置B的蒸發表面溫度變化及水的累計質量變化量

Fig. 5" Changes in evaporation surface temperature and cumulative change in water quality of evaporation device B

under different solar irradiance

從圖5可以看出：

1）隨著太陽輻照度的增加，蒸發裝置B的蒸發表面溫度先迅速升高，然后趨于平緩，表明該太陽能界面蒸發裝置達到穩定狀態。在穩定狀態下，太陽輻照度為600 W/m2時蒸發表面溫度為33.4 ℃；隨著太陽輻照度增加至1000 W/m2時，蒸發裝置B的蒸發表面溫度最高可以達到47.8 ℃。此時蒸發裝置B在接近50 ℃的溫度下驅動蒸發表面的海水迅速蒸發，蒸汽不斷從表面逸出。

2）水的累計質量變化量與太陽輻照度呈線性相關，即太陽輻照度越大，蒸發表面溫度持續上升，蒸發速率不斷增加，單位時間產生的蒸汽越多，水的累計質量變化量就越大。當太陽輻照度為600 W/m2時，30 min后水的累計質量變化量僅為-0.57 kg/m2；當太陽輻照度上升至800 W/m2時，30 min后水的累計質量變化量為-0.60 kg/m2；當太陽輻照度上升至1000 W/m2時，30 min后水的累計質量變化量為-0.63 kg/m2。雖然在蒸發時間較短時，3種太陽輻照度條件所產生的水的累計質量變化量的差異并不大，但隨著實驗繼續進行，三者之間會逐漸顯示出較大的差異。

根據圖4、圖5的實驗結果可以總結出：針對蒸發裝置B，相同熱空氣條件下，不同太陽輻照度時所產生的水的累計質量變化量的差異不大，相比太陽輻照度升高引起的水蒸發量加大，由熱空氣與水之間的熱交換引起的強制對流換熱對水的累計質量變化量的影響更為顯著，即采用熱空氣吹掠比提高太陽輻照度更有利于提高蒸發裝置的蒸發效率。實驗結果進一步驗證了熱空氣吹掠蒸發表面可以提高蒸發量，進而提高蒸發裝置的蒸發效率。

4" 結論

為提高太陽能界面蒸發的蒸發效率，本文從改變結構設計和光熱材料兩個方面出發，設計了一種熱空氣吹掠型太陽能界面蒸發裝置。該蒸發裝置利用平板型太陽能空氣集熱器產生的高溫空氣吹過蒸發表面，加速界面蒸發；同時制備了GO/PI/PTFE復合薄膜作為光熱材料。最后通過實驗對該蒸發裝置的性能進行了分析驗證，得到以下結論：

1）通過光熱材料創新提高了蒸發裝置的蒸發效率。使用改進Hummer法冷凍干燥后得到的97%高純氧化石墨烯粉末，制備得到的GO/PI/PTFE復合薄膜具有更強的光吸收能力，且親水性能更佳。在向蒸發表面吹入速度為4 m/s、溫度為65 ℃的熱空氣，太陽輻照度為1000 W/m2的條件下，采用GO/PI/PTFE復合薄膜但無熱風吹掠的蒸發裝置在1800 s時水的累計質量變化量為-2.44 kg/m2，對應的蒸發速率為1.22 kg/（m2·h），與純水蒸發裝置相比，蒸發速率提高了3.2倍，蒸發效率提高了59.5%。

2）通過結構設計創新提高蒸發裝置的蒸發效率。熱空氣吹掠型太陽能界面蒸發裝置在1800 s時水的累計質量變化量為-3.67 kg/m2，蒸發效率為88.0%，高于純水和無熱空氣吹掠的蒸發裝置；與純水蒸發裝置相比，熱空氣吹掠型太陽能界面蒸發裝置的蒸發速率提高了5.5倍，蒸發效率提高了68.0%。熱空氣吹掠可以提高蒸發量，進而提高蒸發裝置的蒸發效率。

本文研究結果可為后續提高熱空氣吹掠型太陽能界面蒸發裝置蒸發效率的研究提供理論依據和實驗基礎。

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EXPERIMENTAL STUDY ON EVAPORATION EFFICIENCY OF

HOT AIR BLOWING TYPE SOLAR INTERFACE USING

GO/PI/PTFE COMPOSITE FILMS

Liu Jinghua1，Gao Hong1，2，Yan Suying1，2，Nie Jing1

（1. College of Energy and Power Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China；

2. Key Laboratory of Wind Energy and Solar Energy Utilization Technology of Ministry of Education，Hohhot 010051，China）

Abstract：In order to improve the evaporation efficiency of solar interface evaporation，this paper designs a hot air blowing solar interface evaporation device from two aspects：changing the structural design and photothermal materials. The evaporation device utilizes high-temperature air generated by a flat panel solar air collector to blow over the evaporation surface and accelerate interfacial evaporation. Meanwhile，utilizing the performance advantages of graphene oxide，a composite film of GO/PI/PTFE is prepared as a photothermal material to improve evaporation efficiency of device. Finally，the performance of the evaporation device is analyzed and verified through experiments. The research results show that the prepared GO/PI/PTFE composite film has stronger light absorption ability and better hydrophilicity. Under the conditions of blowing hot air with a speed of 4 m/s and a temperature of 65 ℃ into the evaporation surface，and a solar irradiance of 1000 W/m2，at 1800 s，the evaporation rate corresponding to the evaporation device with GO/PI/PTFE composite film but without hot air blowing is 1.22 kg/（m2·h）. Compared with the pure water evaporation device，the evaporation rate is increased by 3.2 times and the evaporation efficiency is improved by 59.5%. The evaporation efficiency of the hot air blowing solar interface evaporation device is 88%，which is higher than that of pure water evaporation devices and non hot air blowing evaporation devices. Compared with pure water evaporation devices，the evaporation rate is increased by 5.5 times and the evaporation efficiency is improved by 68.0%. Hot air blowing can increase the evaporation capacity，thereby improving the evaporation efficiency of the evaporation device. The research results can provide theoretical and experimental basis for further research on improving the evaporation efficiency of hot air blowing solar interface evaporation devices.

Keywords：solar evaporation device；interface evaporation；evaporation efficiency；graphene oxide；photothermal materials；hot air blowing；heat transfer enhancement