芳綸織物基界面光熱蒸發(fā)材料的制備及其性能

陳亞麗， 趙國猛， 任李培， 潘露琪， 陳 貝， 肖杏芳， 徐衛(wèi)林

(1. 武漢紡織大學(xué) 生物質(zhì)纖維與生態(tài)染整湖北省重點實驗室， 湖北 武漢 430200；2. 武漢紡織大學(xué) 省部共建紡織新材料與先進加工技術(shù)國家重點實驗室， 湖北 武漢 430200)

隨著水資源污染日益加劇，全球多地區(qū)面臨著淡水資源匱乏的問題[1-2]。廢水處理方法主要有物理法[3]和化學(xué)法[4]：物理法是利用吸附劑或膜材料分離出清潔水，操作簡單，無二次污染，但分離效率會受到吸附質(zhì)濃度、膜材料孔隙和環(huán)境溫度等的影響；化學(xué)法主要采用氧化法和凝聚法，存在技術(shù)要求和處理成本高等問題，因此，低成本高效率的廢水處理方式具有重要研究意義。

太陽能作為一種可再生能源，具有綠色、清潔、可持續(xù)發(fā)展的特點[5-6]，運用太陽能蒸發(fā)技術(shù)將廢水轉(zhuǎn)換為清潔水，能夠有效緩解淡水資源匱乏問題[7]。近年來，界面太陽能蒸發(fā)技術(shù)已吸引了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注[8-9]，該技術(shù)利用光熱轉(zhuǎn)換材料將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能，通過加熱蒸發(fā)收集冷凝水，達到生產(chǎn)潔凈淡水的目的。光熱轉(zhuǎn)換材料作為太陽能蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)中的核心，其選擇尤為重要。目前廣泛用于界面太陽能蒸發(fā)技術(shù)中的光熱轉(zhuǎn)換材料主要有碳基材料[10-11]、等離子體材料[12-13]和改性生物質(zhì)材料[14-15]。盡管這些材料具有優(yōu)異的光吸收率，但不具備尺寸化和便攜性。針對這一問題，很多研究者將目光聚集在了紡織領(lǐng)域，利用紡織品的特殊柔性以及比表面積大、孔隙率高等優(yōu)良特性，以紡織品作為基底，設(shè)計出了大量性能優(yōu)異的紡織基太陽能蒸發(fā)器件[16-18]。

鑒于廢水的化學(xué)環(huán)境復(fù)雜，常規(guī)紡織品難以承受長時間的浸泡，本文選擇了力學(xué)性能優(yōu)異、穩(wěn)定性好、抗老化、抗疲勞的芳綸織物作為光熱基底材料；為賦予其良好的潤濕性和吸光性，在芳綸織物表面聚合生成具有親水性和一定吸光性的聚多巴胺；為進一步提高其吸光性，在表面修飾了活性炭顆粒，最終得到聚多巴胺和活性炭改性的芳綸織物。設(shè)計了層級式太陽能水蒸發(fā)器件，利用改性芳綸織物的優(yōu)異吸光性、滌綸長絲柱的有效供水以及發(fā)泡聚乙烯泡沫的漂浮性，進行太陽能水蒸發(fā)研究，探討芳綸織物基蒸發(fā)器件的蒸發(fā)穩(wěn)定性以及廢水處理效果。

1 實驗部分

1.1 材料與試劑

芳綸織物(AF，面密度為220 g/m2)，山東泰和新材料有限公司；滌綸(PET)長絲柱，上海意馨纖維制品有限公司；發(fā)泡聚乙烯(EPE)泡沫，上海詡冠包裝材料有限公司；活性炭粉(AC)，上海麥克林生化科技有限公司；鹽酸多巴胺(純度為98%)、三羥甲基氨基甲烷(純度為99.9%)，上海阿拉丁生化科技有限公司；無水乙醇、冰醋酸、氯化鈉(NaCl)、硫酸(H2SO4)、 氫氧化鈉(NaOH)， 國藥集團化學(xué)試劑有限公司。所有試劑均直接使用，未經(jīng)過提純。

1.2 樣品制備和性能表征

1.2.1 樣品制備

圖1示出改性芳綸織物的制備過程。首先將芳綸織物放在無水乙醇中超聲清洗3 h，以去除織物表面的雜質(zhì)，并用去離子水沖洗掉多余的乙醇。將清洗后的芳綸織物放入配制好的多巴胺溶液中，在溫度為25 ℃的恒溫振蕩箱中振蕩反應(yīng)24 h，多巴胺在芳綸織物表面自聚合得到聚多巴胺改性芳綸織物(PDA-AF)。 最后將PDA-AF浸泡在制備好的穩(wěn)定的活性炭懸浮液中，磁力攪拌3 h使活性炭顆粒均勻地修飾在PDA-AF表面，用去離子水沖洗掉多余的活性炭，并干燥得到聚多巴胺和活性炭改性芳綸織物(AC-PDA-AF)。

圖1 AC-PDA-AF的制備流程圖Fig.1 Preparation flow chart of AC-PDA-AF

1.2.2 表面形貌觀察

將待測樣品裁剪成5 mm×5 mm，利用導(dǎo)電膠將其粘貼在電鏡臺上，用Sigma 500型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(德國卡爾蔡司公司)觀察噴金處理后樣品的表觀形貌，測試電壓為5 kV。

1.2.3 接觸角測試

用OCA15EC型靜態(tài)接觸角儀器(德國德克菲斯公司)測量樣品的水接觸角。首先將待測樣品裁剪成10 mm×5 mm，利用雙面膠將其粘貼在載玻片上，室溫下將3 μL的去離子水滴在樣品上，每個樣品至少測試 3個不同位置，取平均值。

1.2.4 吸光率測試

采用UV-3600Plus型配備積分球的紫外-可見光分光光度計(日本島津公司)測試樣品的反射率。將待測樣品裁剪成50 mm×50 mm，設(shè)置測試波長范圍為200～2 500 nm，采樣間隔為2 nm，每個樣品至少測試3個不同位置，取平均值。吸光率根據(jù)公式吸光率=100%-反射率計算得到。

為測試樣品的吸光穩(wěn)定性，采用超聲波清洗處理1 h，測試其吸光度變化，并拍攝樣品形貌照片。為測試樣品的環(huán)境耐受性，采用強水流沖洗5 min，模擬雨天對光熱材料的沖刷作用，測試沖洗不同次數(shù)后樣品的吸光率。

1.2.5 拉伸力學(xué)性能測試

用INSTRON5943型拉伸強力儀(美國英斯特朗公司)測量樣品經(jīng)紗方向的拉伸斷裂強力。將待測樣品裁剪成70 mm×10 mm，設(shè)置拉伸夾距為50 mm， 拉伸速度為50 mm/min。每個樣品至少進行5次測試，取平均值。

1.3 光熱水蒸發(fā)實驗

芳綸織物基層級蒸發(fā)器件的工作原理如圖2(a)所示。以直徑為4 cm的芳綸織物作為吸光材料，直徑為5 mm的PET作為供水通道，4個厚度為10 mm的EPE泡沫疊加作為漂浮層。水通過PET輸送到織物表面，在光照下產(chǎn)生蒸汽。為保證水分供應(yīng)充足、水蒸發(fā)效果最佳，本文實驗將13根高度為60 mm 的PET均勻地插在EPE泡沫中，露出的PET的高度為20 mm。

圖2 太陽能水蒸發(fā)裝置和蒸發(fā)器件工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of evaporation device working principle(a) and solar water evaporator(b)

在恒溫恒濕(溫度為22 ℃，相對濕度為60%)實驗室進行太陽能水蒸發(fā)實驗，蒸發(fā)裝置如圖2(b)所示。將蒸發(fā)器件放置在裝水的燒杯中，用CELHXF300型氙燈(北京中教金源有限公司)模擬太陽光，調(diào)整氙燈的光照強度為1 kW/m2(模擬1個太陽光強)，光照60 min，用QUINTIX224-1CN型電子天平(德國賽多利斯公司)實時記錄樣品質(zhì)量變化，計算蒸發(fā)速率。每個樣品進行5次蒸發(fā)測試，取平均值。

利用FLIR E8型紅外成像儀(美國菲涅爾公司)按時間分別采集拍攝正在進行光熱水蒸發(fā)的不同狀態(tài)下樣品的熱成像圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀結(jié)構(gòu)分析

圖3示出改性前后芳綸織物的SEM照片?？芍?，AF纖維表面光滑，無任何雜質(zhì)；經(jīng)聚多巴胺改性后，PDA-AF纖維表面變得粗糙，每根纖維上都均勻地附著了聚多巴胺微球；AC-PDA-AF纖維表面的聚多巴胺微球上還修飾著一層不規(guī)則的活性炭顆粒。說明聚多巴胺和活性炭成功地修飾在芳綸織物上。

圖3 改性前后芳綸織物的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of aramid fabric before and after modification

2.2 潤濕性分析

改性前后芳綸織物的水接觸角如圖4所示。可以看出：AF表面的水接觸角約為90°，說明芳綸纖維具有疏水性[19]；PDA-AF表面的水滴可在2 s內(nèi)完全浸潤，這是因為聚多巴胺具有—OH親水基團，親水性較AF明顯提高；AC-PDA-AF表面的水滴可在0.2 s 內(nèi)浸潤，這是因為活性炭的修飾使芳綸織物表面粗糙度增大，比表面積增大，進一步提高了織物表面親水性[20]。

圖4 改性前后芳綸織物的水接觸角Fig.4 Water contact angle images of aramid fabric before and after modification

2.3 吸光性分析

光熱轉(zhuǎn)換材料的吸光率是影響太陽能水蒸發(fā)的重要因素[8]。圖5示出改性前后芳綸織物在整個太陽光譜(200～2 500 nm)內(nèi)的吸光率?？芍篜DA-AF的吸光率相對于AF顯著提高，這是由于聚多巴胺具有吸光特性[21]；然而聚多巴胺在近紅外光區(qū)對太陽光的吸收有限，吸光性能依然難以滿足高效的界面光熱蒸發(fā)[22]。進一步在表面修飾吸光性能優(yōu)異的活性炭顆粒后，AC-PDA-AF在整個太陽光輻射光譜范圍內(nèi)的吸光率超過90%，可與用于高效太陽能水蒸發(fā)的光熱材料相媲美。AC-PDA-AF的超高吸光率一方面是由于活性炭顆粒的高吸光性；另一方面，附著在織物表面的活性炭顆粒增加了織物表面的粗糙度，一定程度上增加了織物的漫反射，也有利于提高光吸收。為驗證改性芳綸織物的吸光穩(wěn)定性，測試了超聲波清洗前后改性芳綸織物的吸光率，結(jié)果如圖6所示。可知：經(jīng)超聲波清洗處理1 h后，PDA-AF表觀顏色和吸光率均沒有明顯變化；AC-PDA-AF的顏色無明顯改變且吸光率沒有顯著下降；而未經(jīng)聚多巴胺修飾，直接使用活性炭修飾的芳綸織物(AC-AF)顏色明顯變淺，吸光率下降了10%左右。結(jié)果表明，聚多巴胺的修飾增強了改性芳綸織物的吸光穩(wěn)定性，這歸因于聚多巴胺的超強黏附性[23]。

圖5 太陽輻射光譜和改性前后芳綸織物的光吸收譜圖Fig.5 Solar spectrum and absorption spectrum of aramid fabric before and after modification

圖6 超聲波處理前后織物的吸光譜圖和光學(xué)照片F(xiàn)ig.6 Light absorption spectra and optical images of fabrics before and after ultrasonic treatment

2.4 環(huán)境耐受性能分析

光熱材料應(yīng)用在實際廢水處理中需要對環(huán)境變化具有一定的耐受性。圖7示出光熱材料PDA-AF和AC-PDA-AF經(jīng)沖洗后的吸光譜圖?？砂l(fā)現(xiàn)，經(jīng)沖洗后樣品吸光率相對未沖洗樣品有微小下降，這可能是由于材料表層附著的過量的聚多巴胺和活性炭顆粒被沖洗掉；經(jīng)過第2次和第3次沖洗，光熱材料的吸光率基本沒有下降，表明PDA-AF和AC-PDA-AF對水流沖刷環(huán)境具有較強的耐受性。

圖7 沖洗前后PDA-AF和AC-PDA-AF的吸光譜圖Fig.7 Light absorption spectra of PDA-AF and AC-PDA-AF before and after washing

2.5 力學(xué)性能分析

良好的力學(xué)性能是光熱材料所必須具備的性質(zhì)[24]。圖8示出改性前后芳綸織物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？芍?，PDA-AF和AC-PDA-AF的應(yīng)力與應(yīng)變較AF略微下降，但仍具有較好的力學(xué)性能。這是因為芳綸織物是高性能纖維織物，具有優(yōu)異的抗拉斷裂強度、抗老化性能和化學(xué)穩(wěn)定性[19]。

圖8 改性前后芳綸織物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curves of aramid fabric before and after modification

2.6 光熱轉(zhuǎn)化與太陽能水蒸發(fā)性能分析

光熱轉(zhuǎn)換材料能夠有效地將光能轉(zhuǎn)化為熱能，利用轉(zhuǎn)化的熱能加熱織物與空氣界面處的液體產(chǎn)生水蒸汽是太陽能蒸汽水凈化的必要條件[9]。圖9示出純水、PDA-AF和AC-PDA-AF在光照下熱成像圖片隨時間的變化。可以看出，在模擬太陽光照射下，純水的溫度幾乎不隨時間變化(熱成像圖片一直顯示為深藍色)，而PDA-AF和AC-PDA-AF在光照下溫度逐漸升高(熱成像圖由藍變黃再變紅)，但相比之下AC-PDA-AF的表面溫度升高更快，這是由于AC-PDA-AF吸光性更好，也表明AC-PDA-AF的光熱轉(zhuǎn)換效果更好。

圖9 純水、PDA-AF和AC-PDA-AF的熱成像圖片F(xiàn)ig.9 Thermal imaging images of pure water(a), PDA-AF(b) and AC-PDA-AF(c)

為測試PDA-AF和AC-PDA-AF的光熱水蒸發(fā)性能，將光熱材料、供水通道和漂浮層組裝成芳綸織物基蒸發(fā)器件。圖10(a)示出純水、PDA-AF、AC-PDA-AF的蒸發(fā)速率?？芍?，純水的蒸發(fā)速率為0.36 kg/(m2·h),而PDA-AF和AC-PDA-AF蒸發(fā)器件的蒸發(fā)速率分別為1.63和1.81 kg/(m2·h), 相對于純水顯著增加。PDA-AF和AC-PDA-AF蒸發(fā)器件高的蒸汽產(chǎn)生量一方面是由于吸光性的提高，另一方面是由于層級蒸發(fā)器件合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計。利用滌綸長絲柱的毛細作用和織物的潤濕性，水可以連續(xù)地輸送到織物表面；滌綸長絲柱的低熱導(dǎo)率可減小熱量向水傳遞導(dǎo)致的熱損失，使織物吸收轉(zhuǎn)化的熱量更多的用于產(chǎn)生水蒸汽；織物下表面和滌綸長絲柱同時進行太陽能水蒸發(fā)，增大了蒸發(fā)面積，提高了蒸發(fā)速率。AC-PDA-AF相對于PDA-AF更高的蒸發(fā)速率歸因于其更高的吸光性能。

圖10 不同樣品和AC-PDA-AF循環(huán)30次的蒸發(fā)速率Fig.10 Evaporation rate of different samples(a) and AC-PDA-AF after 30 cycles(b)

蒸發(fā)穩(wěn)定性是評估太陽能蒸汽系統(tǒng)中光熱材料的一個重要方面。圖10(b)示出光照下AC-PDA-AF蒸發(fā)器件30次循環(huán)的蒸發(fā)速率變化。在30次循環(huán)蒸發(fā)實驗中，AC-PDA-AF蒸發(fā)器件的蒸發(fā)速率均保持在1.81 kg/(m2·h)左右，未發(fā)現(xiàn)明顯的下降。表明AC-PDA-AF在進行多次太陽能水蒸發(fā)時穩(wěn)定性很好，能夠重復(fù)使用。

2.7 廢水處理及戶外可擴展性能分析

為評估AC-PDA-AF在廢水處理中的連續(xù)蒸發(fā)性能，配制了酸(1 mol/L H2SO4)、堿(1 mol/L NaOH)和鹽(3.5% NaCl)溶液模擬廢水，將直徑為4 cm的AC-PDA-AF蒸發(fā)器件置于球形透明玻璃罩，對溶液進行連續(xù)7 d的戶外太陽能水蒸發(fā)實驗，收集形成的冷凝水。圖11(a)示出連續(xù)7 d不同時段的環(huán)境溫度和太陽光強度變化折線圖。圖11(b)示出每天收集的冷凝水體積，約為10 mL左右。造成冷凝水量差異性的原因是每天溫度和太陽光強度不同。太陽能水蒸發(fā)收集到的冷凝水的電阻率相對于鹽溶液明顯升高，pH值接近中性(見圖11(c))。 上述結(jié)果表明，AC-PDA-AF層級式蒸發(fā)器件能夠長期穩(wěn)定地處理不易揮發(fā)的酸性、堿性或鹽溶液廢水，獲取潔凈的淡水。

為進一步驗證AC-PDA-AF蒸發(fā)器件的可擴展性，設(shè)計了一個底部帶有小孔的球形太陽能水蒸發(fā)裝置(見圖12)，將19 cm×19 cm的AC-PDA-AF蒸發(fā)器件放置在球形裝置內(nèi)的水槽中，在太陽光下蒸汽從光熱材料表面產(chǎn)生，冷凝在球形裝置內(nèi)壁，通過底部小孔流出收集在燒杯中，經(jīng)過10 h的日照收集到約210 mL的淡水。用光熱材料(AC-PDA-AF)、滌綸長絲柱和發(fā)泡聚乙烯泡沫組裝成的太陽能蒸汽產(chǎn)生裝置，在模擬太陽光照或戶外條件下能夠穩(wěn)定且高效地產(chǎn)生蒸汽，同時保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，表明該蒸發(fā)器件在廢水處理方面具有實際應(yīng)用價值。

3 結(jié) 論

本文制備了一種具有優(yōu)良太陽能水蒸發(fā)性能的耐久性光熱材料——聚多巴胺和活性炭修飾的芳綸織物(AC-PDA-AF)，得到以下主要結(jié)論。

1) 經(jīng)過聚多巴胺和活性炭的修飾，AC-PDA-AF光熱材料具有良好的親水性和吸光性，同時聚多巴胺的黏附性使其在整個太陽光譜內(nèi)的吸光率穩(wěn)定在90%以上。

2) AC-PDA-AF和PDA-AF光熱材料具有較好的環(huán)境耐受性；聚多巴胺和活性炭的修飾未明顯降低芳綸織物的力學(xué)性能。

3) 層級式蒸發(fā)器件可增加蒸發(fā)面積，減少熱量向水中傳遞。在1 kW/m2光照條件下，AC-PDA-AF蒸發(fā)器件的蒸發(fā)速率為1.81 kg/(m2·h)，表現(xiàn)出良好的太陽能水蒸發(fā)性能。

4) 戶外廢水(酸、堿和鹽)蒸發(fā)實驗?zāi)軌虺掷m(xù)穩(wěn)定地生成潔凈水，顯示出AC-PDA-AF蒸發(fā)器件優(yōu)異的耐久性能。AC-PDA-AF光熱材料及層級式蒸發(fā)結(jié)構(gòu)在實際工業(yè)廢水處理中具有很大的應(yīng)用前景。