織物基載體在含鹽廢水蒸發處理中的應用

劉 捷， 仝勝錄， 李小端， 劉立國， 何加浩， 李文斌， 熊日華

(1. 北京低碳清潔能源研究院, 北京 102211； 2. 煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室， 北京 100011；3. 武漢紡織大學 湖北省紡織新材料與先進加工技術省部共建國家重點實驗室培育基地， 湖北 武漢 430200)

在采油、煉化、煤化工等行業生產過程中，不可避免地會產生大量含鹽廢水，這些含鹽廢水來源廣泛，含鹽量高，成分復雜[1]，被認為是最難處理的工業廢水[2-3]。目前，末端濃鹽水主要采用機械再壓縮循環蒸發技術(MVR)[4]、 多效蒸發器蒸發技術(MED)[5]或蒸發塘[6]等技術進行處理。上述方法中，MVR、MED是利用電能或者熱能對低品位水蒸氣加熱加壓后，將其轉化為高品位水蒸氣，再通過冷凝產生大量的熱量從而使得含鹽廢水蒸發，該類方法雖然具有占地小、效率高的特點，但能耗高和處理費用昂貴制約了其發展[7]；蒸發塘技術是直接將含鹽廢水輸送至蒸發塘，通過自然蒸發實現水鹽分離，該方法雖然具有能耗小、成本低的優點，但缺點是占地面積大、蒸發效率低下[8]，因此，眾多環境科學工作者們致力于研究更環保、更高效的含鹽廢水處理方法。

近年來，人們提出采用一種太陽能蒸發的浮式結構[9]用于鹽水蒸發處理，該結構能夠有效利用光熱轉化材料的特性，將太陽能轉化的熱能用于鹽水或者海水的高效蒸發，從而達到脫鹽或者淡化處理的目的[10]。目前，太陽能驅動蒸發的光熱轉化材料主要有硅基材料[11]、金屬材料[12]和碳基材料[13]等，該類材料對太陽光(波長范圍為400～2 500 nm[14]) 的吸收率均在92%以上[15]，因此，能夠有效地將太陽能轉化為熱能，然而硅基材料以及碳基材料成本高昂，不適宜大規模工業化生產模式。

基于上述太陽能蒸發的浮式結構，并針對其存在成本高的問題，本文提出利用紡織品具備可快速進行濕交換、透氣性好、光熱轉換效率可調整等特點[16]，將其作為含鹽廢水處理的流動和蒸發載體，并研究織物厚度、透氣性以及顏色對含鹽廢水蒸發速率的影響。此外本文利用納米碳化鋯[17]高效的吸熱蓄熱能力，對織物進行納米碳化鋯后整理，探究納米碳化鋯整理對含鹽廢水蒸發速率的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與設備

材料：工業含鹽廢水(質量分數為14.4%，取自某煤化工廢水的蒸發塘，其成分如表1所示)；15種不同規格型號的白色滌綸織物，由天臺品優濾布有限公司提供，分別記為1#～15#樣品，織物規格及參數如表2所示；納米碳化鋯(ZrC，粒徑為50～300 nm， 智利金屬冶金有限公司)；聚氨酯(日本三菱樹脂株式會社)；N，N-二甲基甲酰胺(DMF，國藥集團化學試劑北京有限公司)。

設備：懸掛式蒸發架(自制)； SOBOWP-4500型水泵(深圳市興日生實業有限公司)；FA224型電子天平(上海書培實驗設備有限公司)； FLIR型紅外成像儀(世界第六感美國菲力爾公司)； HD026PC型織物厚度儀(溫州百恩儀器有限公司)； YG003A型織物強力儀(上海和晟儀器科技有限公司)； SG461-III型織物透氣性測試儀(常州市雙固頓達機電科技有限公司)； IR-24M型高溫高壓染色機(廣州市鴻靖實驗設備有限公司)； DHG101-0A型烘箱(上海東麓儀器設備有限公司)； HF-GHX-XE-300 型模擬光源(上海比朗儀器制造有限公司)。

表1 煤化工含鹽廢水成分Tab.1 Composition of coal chemical saline wastewater

表2 滌綸織物的規格參數Tab.2 Polyester fabric specification parameters

1.2 含鹽廢水蒸發實驗

將滌綸織物裁剪成40 cm×40 cm，安裝在如圖1所示的含鹽廢水蒸發裝置(懸掛式蒸發架)中；將蒸發裝置放置于恒溫恒濕實驗室中，并設定環境溫度為30 ℃， 相對濕度為40%；在量筒中裝入1 000 mL工業含鹽廢水，打開水泵開始供水，供水速率為100 mL/min， 等待60 min，待織物完全潤濕后，記錄此時量筒中水的質量；開啟模擬光源，光照強度為1 kW/m2， 每隔1 h記錄量筒中含鹽廢水的剩余質量。

織物含鹽廢水蒸發速率計算公式為

圖1 含鹽廢水蒸發實驗裝置示意圖Fig.1 Experimental schematic diagram of saline wastewater evaporation

式中：γ為蒸發速率，kg/(m2·h)；m為含鹽廢水質量，g；i為測量次數；A為織物面積，m2；t為測試時間，h。

1.3 織物染色實驗

采用高溫染色法對織物進行染色，壓力為2.02×105Pa，染浴溫度為120～130 ℃。具體染色工藝為：將4種染料分散藍、分散紅、分散黃和分散黑按照一定配比制成各種顏色的染色液，染料用量為4%(o.w.f)， 浴比為1∶20，具體染料配比如表3所示；選取40 cm×40 cm的1#白色滌綸織物，放入高溫高壓染色機中，按表3配比染色3 h，最高溫度為120 ℃；取出織物，在清水中沖洗去除多余染料后，在烘箱中于110 ℃烘干進行含鹽廢水蒸發實驗。

表3 不同顏色染料質量配比Tab.3 Dye ratio of different colors

1.4 納米碳化鋯后整理實驗

首先將聚氨酯顆粒溶解于DMF中，獲得質量分數為5%的聚氨酯溶液；然后將納米碳化鋯(ZrC)顆粒加入到上述聚氨酯溶液中，配制成ZrC質量分數為5%的整理劑；最后將1#白色滌綸織物及其染色后的黑色滌綸織物浸漬在整理劑中，通過軋輥機浸軋30次，待整理劑充分滲入織物后放入烘箱于90 ℃ 烘干4 h，洗凈自然晾干后得到ZrC整理織物，進行含鹽廢水蒸發實驗。

1.5 織物光熱轉化性能測試

光熱轉化指物體將吸收的太陽光輻射集中起來轉化為熱能的過程，通常會以物體溫度升高的形式表現出來[18],因此,本文實驗選取各種顏色的滌綸織物水平放置在模擬太陽光源下，使用紅外成像儀采集織物表面的初始溫度；調整模擬光源的光照強度以及焦點大小和位置，使光照的焦點以及面積剛好覆蓋在織物表面，模擬太陽光強為3 kW/m2， 光照1 min 后采集織物表面焦點處的溫度。

1.6 織物透氣性測試

依據 GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，采用織物透氣性測試儀對織物的透氣性能進行檢測，測試面積為50 cm2，壓降為200 Pa。

2 結果與討論

2.1 織物規格對含鹽廢水蒸發速率的影響

為證明含鹽廢水在織物表面蒸發速率高于無織物狀態下的蒸發速率，對1#～7#滌綸織物進行含鹽廢水蒸發實驗，并將含鹽廢水在無織物狀態下的自然蒸發作為空白樣(蒸發面積為40 cm×40 cm，記為0#樣品)，測試結果如圖2所示。

圖2 不同織物樣品的含鹽廢水蒸發速率Fig.2 Evaporation rate of saline wastewater on different fabric samples

由圖2可知，1#～7#滌綸織物在相同環境溫濕度條件下，蒸發速率分別為0.66、0.70、0.67、0.42、0.55、0.51、0.61 kg/(m2·h)，均高于空白樣(0#) 的蒸發速率(0.14 kg/(m2·h))，因此可證明含鹽廢水在織物表面的蒸發速率要高于含鹽廢水在無織物狀態下的蒸發速率，含鹽廢水在2#織物表面的蒸發速率相比于空白樣提高了400%。除此之外，在不同織物表面含鹽廢水的蒸發速率也有較大差異，這可能是由于織物的厚度、透氣性等因素造成的。實驗證明，1#、2#、3#滌綸織物對含鹽廢水蒸發促進效果最好。綜合考慮織物的力學性能，后續染色實驗選定1#織物為含鹽廢水蒸發的標準織物。

2.2 織物厚度對含鹽廢水蒸發速率的影響

織物厚度對含鹽廢水在織物內部發生轉移具有較大影響，而含鹽廢水蒸發幾乎只發生在織物表面，因此，探究了織物厚度對含鹽廢水蒸發速率的影響。分別選用1#、8#、9#、10#、11#組織結構相同，透氣率較為接近，但厚度不同的5種白色滌綸織物進行測試，結果如表4所示。

表4 織物厚度與含鹽廢水蒸發速率的關系Tab.4 Relationship between fabric thickness and saline wastewater evaporation rate

由表4可知，隨著織物厚度的增加，含鹽廢水蒸發速率呈下降趨勢，厚度為0.48 mm(8#)織物的含鹽廢水蒸發速率為0.81 kg/(m2·h)，相比于厚度為1.32 mm (11#)織物提高了63%。這是因為液態水在織物內部存在濕擴散導致的，其影響機制如圖3所示。

圖3 織物厚度對含鹽廢水蒸發的影響機制Fig.3 Mechamism of influence of fabric thickness on saline wastewater evaporation

濕擴散是因為濕度梯度的存在，導致水分由水分子濃度高的地方移向水分子濃度低的地方，擴散方程[19]為

mw=-kρ0Δw

式中：mw為水分擴散強度，kg/mm；Δw為濕度梯度；ρ0為織物絕對密度，kg/m3；k為水分傳導系數，m2/h。

對上式進行整理可得：

式中：h為厚度，mm；w0為織物內部濕度，%；w1為織物表面濕度，%。

在含鹽廢水蒸發過程中，織物表面的水分會不斷蒸發，導致其內部含水量高于外部含水量，此時織物內部的水分會向外部擴散。根據整理后的水分擴散強度公式可知，當織物厚度h增加時，濕度梯度將會減小，相應的mw的絕對值也會減小，即水分的擴散速率會減小，從而導致蒸發速率也會降低。

2.3 織物透氣性對含鹽廢水蒸發速率影響

織物透氣性影響著含鹽廢水在織物內部擴散速率，因此，選取1#、12#、13#、14#、15#組織結構相同以及厚度相近，但透氣性不同的5種白色滌綸織物進行測試，其含鹽廢水蒸發速率測試結果如表5所示。

表5 織物透氣性與含鹽廢水蒸發速率的關系Tab.5 Relationship between fabric permeability and saline wastewater evaporation rate

由表5可知，隨著織物透氣性的增加，含鹽廢水蒸發速率整體呈上升趨勢，當織物透氣率為126.7 L/(s·m2)(15#)時，其蒸發速率為0.80 kg/(m2·h)， 相比于53.9 L/(s·m2)(12#)織物提升了56.9%。理論上透氣性越強，織物內部與外界環境氣體交換速度越快，內部水分更易被壓強差產生的氣流帶走，從而導致含鹽廢水蒸發速率上升；其次是織物透氣性越強，說明織物在厚度方向上的孔徑越大或越多，即含鹽廢水的濕擴散通道越大或者越多，從而導致織物內部的水分擴散至織物表面進行蒸發的速度越快[20]。

2.4 織物顏色對含鹽廢水蒸發速率的影響

溫度對含鹽廢水蒸發速率影響顯著，而織物顏色決定其對太陽光的吸收效果，對染色后的1#織物進行含鹽廢水蒸發實驗，研究白色、黑色、紅色、藍色、青色、綠色、黃色以及橙色8種顏色的滌綸織物對含鹽廢水蒸發的促進作用，實驗結果如圖4所示。可知，白色、黃色、橙色、綠色、藍色、紅色、青色以及黑色織物的含鹽廢水蒸發速率分別為0.66、068、0.69、0.70、0.71、0.78、0.80、0.86 kg/(m2·h)， 黑色織物的蒸發速率相比于白色織物提高了30.3%。實驗證明，黑色織物對太陽光的吸收效果最好，因此，黑色對含鹽廢水的蒸發作用最強，而白色最弱。

圖4 含鹽廢水在不同顏色織物表面的蒸發速率Fig.4 Evaporation rate of saline wastewater with different colored fabrics

為進一步證明黑色織物的光熱轉換效果最好，測試了各種顏色織物在模擬光源下的升溫溫度，結果如表6所示。

表6 織物顏色對其光熱轉換效果的影響Tab.6 Relationship between fabric color and saline wastewater evaporation rate ℃

由表6可知，黑色織物的溫差(21.3 ℃)比白色織物(6.4 ℃)高233.3%，不同顏色織物上太陽光吸收強弱次序依次為：黑>青>紅>藍>綠>橙>黃=白。這主要是由于不透明物體的顏色由其反射的可見光種類決定，黑色物體能吸收所有種類的可見光，而白色物體則反射所有的可見光[21]，因此，黑色織物吸收光線后能量積累最多，溫度升高最快，從而導致蒸發速率最快，而白色織物幾乎不吸收光線，所以能量積累最少，溫度升高最慢，從而導致蒸發速率最低。

2.5 含鹽廢水質量分數對蒸發速率的影響

為研究上述實驗中黑色滌綸織物上不同質量分數含鹽廢水的蒸發速率，通過對含鹽廢水進行預蒸發濃縮或加入去離子水稀釋，調節其初始質量分數分別為5%、10%、15%、20%，測試其在黑色滌綸織物表面的蒸發速率，并將無織物狀態下的含鹽廢水蒸發作為空白樣(蒸發面積為40 cm×40 cm)，測試結果如圖5所示。

圖5 不同質量分數含鹽廢水的蒸發速率Fig.5 Evaporation rates of saline wastewater with different mass fractions

由圖5可知，含鹽廢水的蒸發速率隨其質量分數的上升而下降，在質量分數為20%時，其在黑色滌綸織物表面的蒸發速率為5%時的63.2%。這是因為溶液中的離子濃度越高其內聚力也越大[22]，蒸發所需能量也就越大，即越不易蒸發，從而導致水分子蒸發速率降低。除此之外，當質量分數為5%時，含鹽廢水在織物表面蒸發速率為1.14 kg/(m2·h)，為無織物狀態下的5.7倍；質量分數為20%時，含鹽廢水的蒸發速率為0.72 kg/(m2·h)，為無織物狀態下的7.2倍，這說明黑色滌綸織物對5%～20%質量分數的含鹽廢水蒸發均具有促進作用。

2.6 ZrC后整理對含鹽廢水蒸發速率影響

上述實驗證明，織物表面溫度是影響其蒸發速率的主要因素之一，因此，為進一步增加織物對太陽能的光熱轉化效率，提高含鹽廢水的蒸發速率，采用具有高效光熱轉化能力的材料納米碳化鋯[23]對織物進行涂覆后整理，以提高滌綸織物的光熱轉化效率。將整理前后滌綸織物進行含鹽廢水蒸發實驗，結果如圖6所示。整理后白色織物表面的蒸發速率為1.19 kg/(m2·h)，相比于未整理白色織物提高了95.3%；而整理后黑色織物的蒸發速率達到1.38 kg/(m2·h)， 相比于未整理黑色織物提高了59.6%。結果表明，納米碳化鋯整理劑整理后的滌綸織物對含鹽廢水蒸發具有促進作用。

圖6 納米碳化鋯整理前后織物的含鹽廢水蒸發速率Fig.6 Salt wastewater evaporation rate of fabrics before and after ZrC treatment

為進一步驗證納米碳化鋯整理劑對織物光熱轉化性能的優化作用，采用紅外攝像儀記錄了整理前后織物在模擬光源下表面溫度的變化情況，測試結果如表7所示。可知：在模擬光源下，納米碳化鋯整理后白色織物的表面溫度為58.4 ℃，溫差相比于未整理前提高了393.8%；而納米碳化鋯整理后黑色織物的表面溫度為71.7 ℃，溫差相比于未整理前提高了109.4%。這是因為納米碳化鋯本身為黑色，整理后白色織物顏色變為黑色[24]，能量吸收與釋放均快于未整理的原織物；除此之外，納米碳化鋯為高吸熱材料，對太陽光的吸收和轉化效率非常高，所以納米碳化鋯可進一步增強黑色織物的紅外吸收性能，從而促進含鹽廢水蒸發。

表7 納米碳化鋯整理前后織物表面溫度變化Tab.7 Surface temperature change of fabrics before and after ZrC treatment ℃

為驗證納米碳化鋯整理劑對織物透氣性能的影響，整理前后織物的透氣性測試結果如圖7所示。

圖7 納米碳化鋯整理前后織物透氣性變化Fig.7 Air permeability change of fabric before and after ZrC treatment

由圖7可知，納米碳化鋯整理劑整理后白色以及黑色織物的透氣性均降低，白色織物透氣性降低了22.7%，黑色織物降低了23.6%。這是因為納米碳化鋯整理劑中的聚氨酯和納米碳化鋯粉體會填充在織物孔隙間，從而影響織物的透氣性。在2.3節中驗證了透氣性越弱，含鹽廢水蒸發速率越低，但納米碳化鋯優良的光熱轉化能力可彌補透氣性降低的不足。

3 結 論

本文采用懸掛蒸發裝置將含鹽廢水在織物表面進行蒸發，其蒸發速率相比于無織物狀態下提高了400%，實驗證明紡織品應用于含鹽廢水蒸發處理領域具有一定的可行性。

1)織物厚度和透氣性對含鹽廢水的蒸發速率影響較大，隨著織物厚度的增加，其含鹽廢水蒸發速率隨之減小，厚度為0.48 mm織物相比于1.32 mm織物的含鹽廢水蒸發速率提高了63%；隨著織物透氣性增大，其含鹽廢水蒸發速率隨之升高，透氣率為126.7 L/(s·m2)織物相比于53.9 L/(s·m2)織物提升了56.9%。

2)在相同條件下，不同顏色織物表面含鹽廢水蒸發速率次序為：黑>青>紅>藍>綠>橙>黃>白。黑色織物的蒸發速率相比于白色織物提高了30.3%。

3)含鹽廢水的質量分數越高，其蒸發速率越低，質量分數為20%時，其在黑色滌綸織物表面的蒸發速率為5%時的63.2%。含鹽廢水質量分數為5%～20%時，其在黑色滌綸織物表面的蒸發速率均優于無織物狀態的蒸發速率，在質量分數為20%時，其含鹽廢水蒸發速率為無織物狀態下的7.2倍。

4)對織物進行納米碳化鋯整理后，織物的透氣性發生了下降，但其光熱轉化能力得到明顯提升，在相同條件下，納米碳化鋯整理后，含鹽廢水在白色滌綸織物表面的蒸發速率相比于未整理的織物提高了95.3%。

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