太陽能驅(qū)動(dòng)多級(jí)海水淡化器件的設(shè)計(jì)及其集水率探究

蔣逸飛, 田焰寬, 戴 俊, 王學(xué)利,3, 李發(fā)學(xué),3, 俞建勇,3, 高婷婷,3

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院, 上海 201620; 2. 江蘇悅達(dá)棉紡有限公司, 江蘇 鹽城 224008;3. 東華大學(xué) 紡織科技創(chuàng)新中心, 上海 201620)

地球上水資源豐富,其中海洋是地球上最大的水庫,占世界水總儲(chǔ)量的96.5%[1-2],然而,海水資源難以直接被利用,所以多數(shù)地區(qū)匱乏的淡水資源一直制約著人類的生產(chǎn)和生活。如何將豐富的海水資源淡化值得深入研究,最常見的海水淡化技術(shù)有多級(jí)閃蒸、多效蒸餾和反滲透[3]。然而,傳統(tǒng)方法一般能耗高,成本高,占地面積大,技術(shù)要求高[4],尤其在偏遠(yuǎn)落后地區(qū)難以實(shí)現(xiàn)良好的普及。近幾年,太陽能界面光蒸汽轉(zhuǎn)化技術(shù)逐漸興起,其能源清潔無害,且能量利用率高,是迄今為止最環(huán)保高效的海水淡化方式之一[5]。尤其以該技術(shù)為基礎(chǔ)研究制備的太陽能驅(qū)動(dòng)海水淡化器件不僅結(jié)構(gòu)簡單,占地空間小,能量利用率高,而且對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求低[6],進(jìn)一步推進(jìn)了該技術(shù)的快速發(fā)展。

太陽能驅(qū)動(dòng)界面光蒸汽轉(zhuǎn)換技術(shù)是經(jīng)過不斷完善和發(fā)展而來的,與傳統(tǒng)的太陽能驅(qū)動(dòng)水處理技術(shù)相比,太陽能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)技術(shù)可顯著縮短蒸汽產(chǎn)生的響應(yīng)時(shí)間,提高太陽能-蒸汽轉(zhuǎn)化效率[7-9]。然而,雖然界面蒸發(fā)器具有了較高的蒸發(fā)速率[10],但這些蒸發(fā)器產(chǎn)生蒸汽的方向與太陽光吸收方向一般位于同一側(cè),這種配置不僅會(huì)使產(chǎn)生的蒸汽干擾光熱層對(duì)太陽能的吸收,造成光熱層表面的熱量損失,而且當(dāng)對(duì)蒸汽進(jìn)行冷凝回收時(shí),搭建的冷凝罩也會(huì)減少大量的入射光吸收,不利于水收集[11-13]。為解決這些問題,可將蒸發(fā)器配置改進(jìn)為蒸汽產(chǎn)生方向與光熱層吸收太陽能方向相反,該配置可有效消除輸入太陽能的損失,同時(shí)減少熱損耗;但是,由于單級(jí)器件對(duì)于能量的利用率有限,造成大量潛熱的浪費(fèi),導(dǎo)致集水率不高,因此,通過多級(jí)設(shè)計(jì)回收潛熱以提高產(chǎn)水量是目前界面蒸發(fā)技術(shù)的重要研究方向之一[14]。例如:Xue等[15]通過隔熱和對(duì)太陽光進(jìn)行選擇性吸收來產(chǎn)生高溫蒸汽,實(shí)現(xiàn)了高度局域化的界面加熱,在一個(gè)模擬太陽光照下,二級(jí)裝置實(shí)現(xiàn)了1.02 kg/(m2·h)的水收集率;Huang等[16]通過結(jié)合熱集中設(shè)計(jì)和多級(jí)潛熱回收結(jié)構(gòu),在一個(gè)模擬太陽光照下,最終通過潛熱回收,設(shè)計(jì)的六級(jí)裝置可有效提高產(chǎn)水量至1.84 kg/(m2·h)。產(chǎn)水量的提高主要是由于在熱集中條件下各階段的熱效率更高,整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,能夠以太陽能為熱源,毛細(xì)管力供水,重力集水的高效被動(dòng)運(yùn)行。盡管目前的多級(jí)器件能高效回收利用潛熱,但器件所用的材料昂貴且制備方法和結(jié)構(gòu)復(fù)雜,最終的水收集率有待進(jìn)一步提高。

本文以用紫銅板、碳纖維和親水性粘膠基非織造布作為多級(jí)器件各級(jí)基材,制備光熱性能優(yōu)異、溫度響應(yīng)快的光熱層,水運(yùn)輸和擴(kuò)散能力優(yōu)異的水運(yùn)輸通道和蒸發(fā)層,以期實(shí)現(xiàn)快速的水滴凝結(jié)和收集的冷凝層,為高效太陽能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)器件的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

聚丙烯板,東莞市信佳塑膠材料有限公司;紫銅板(純度>99.9%),深圳市永圣五金模具有限公司;碳纖維(長度為1 mm), 滄州中麗新材料科技有限公司;商業(yè)用植絨聚酰胺絨毛纖維(長度為1 mm), 中山市沙溪鎮(zhèn)佳華工藝印花材料行;可噴涂碳黑,希安斯貿(mào)易有限公司;棉基非織造布、粘膠基非織造布,浙江真邦實(shí)業(yè)有限公司;鹽酸(36%～38%)、無水乙醇,分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;月桂酸,分析純,上海泰坦科技股份有限公司。

1.2 太陽能驅(qū)動(dòng)界面器件的設(shè)計(jì)思路

為解決目前的多級(jí)器件所用材料昂貴且制備方法和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、水收集率低的問題,本研究利用價(jià)格便宜且導(dǎo)熱性能優(yōu)異的紫銅板、光熱效應(yīng)優(yōu)異的碳纖維和水運(yùn)輸性能優(yōu)異的親水性粘膠基非織造布構(gòu)筑了如圖1所示的多級(jí)界面蒸發(fā)器件。其工作原理如下:首先,在水運(yùn)輸通道的作用下,海水被運(yùn)輸?shù)秸舭l(fā)層的粘膠基非織造布區(qū)域;然后利用光熱層優(yōu)異的光熱性能對(duì)貼附在光熱層上薄蒸發(fā)層中的水分進(jìn)行加熱,產(chǎn)生水蒸氣;接著水蒸汽遇疏水銅板冷凝層形成液滴,同時(shí)釋放潛熱,繼續(xù)加熱貼附于紫銅板冷凝層上的粘膠基非織造布蒸發(fā)層中的水,進(jìn)行下一步的蒸發(fā)冷凝;最后收集各冷凝層中的純凈水,完成淡水收集的整個(gè)過程。因此,為實(shí)現(xiàn)高效的水收集,各部分的材料選擇、多級(jí)冷凝層間距和蒸發(fā)器級(jí)數(shù)的優(yōu)化至關(guān)重要。

圖1 太陽能驅(qū)動(dòng)多級(jí)海水淡化器件實(shí)物圖及光蒸汽轉(zhuǎn)化工作示意圖Fig. 1 Demonstration of solar-driven multistage desalination device and schematic diagram of multistate steam generation and collection

1.3 多級(jí)蒸發(fā)器件光熱層的設(shè)計(jì)與制備

擁有良好光熱轉(zhuǎn)換能力的光熱層對(duì)獲得高界面蒸發(fā)性能具有重要的決定作用[17]。碳纖維本身具有優(yōu)異的光熱效應(yīng)[18],本實(shí)驗(yàn)中通過靜電植絨技術(shù)(見圖2)將其植絨在紫銅板表面以完成光熱層的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(碳纖維-靜電植絨)。靜電植絨裝置的下級(jí)板和上極板分別接通高壓和地線,利用電荷同性相斥、異性相吸的物理特性,使放置在下電極板上的碳纖維帶上電荷,在靜電電壓的吸引下使碳纖維“飛”向上極板的涂有靜電植絨膠的紫銅板表面,并形成高度定向的陣列結(jié)構(gòu),形成的三維取向結(jié)構(gòu)可減少光反射,增加光程[19],從而增大太陽光吸收以實(shí)現(xiàn)更高效的光熱轉(zhuǎn)化,便于高效的水蒸發(fā)。本工作的相關(guān)植絨工藝參數(shù)為:靜電電壓45 kV,上、下極板距離7 cm,植絨時(shí)間15 s,植絨密度0.025 g/cm2, 通過該制備工藝得到碳纖維陣列結(jié)構(gòu)(即碳纖維與基材的夾角接近90°,近乎垂直),其光熱性能優(yōu)異。對(duì)植絨后的樣品,在一個(gè)模擬太陽光照下進(jìn)行溫度測(cè)試,測(cè)試時(shí)長為30 min,通過熱電耦實(shí)時(shí)記錄樣品上、下表面的溫度變化。另外,為驗(yàn)證碳纖維陣列結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì),本文還制備了碳黑涂層紫銅板和錦綸植絨紫銅板(聚酰胺纖維-靜電植絨)作為對(duì)比。圖3示出紫銅板處理后的實(shí)物樣。

圖2 靜電植絨原理示意圖Fig. 2 Schematic diagram of principle of electrostatic flocking

圖3 紫銅板處理后的實(shí)物樣Fig. 3 Purple copper plates after treatment. (a) Carbon black-spraying; (b) Polyamide fiber-electrostatic flocking; (c) Carbon fiber-electrostatic flocking

1.4 多級(jí)蒸發(fā)器件水運(yùn)輸通道與蒸發(fā)層選擇

選用棉基和粘膠基非織造布進(jìn)行芯吸高度測(cè)試,選用面密度分別是40、60、80、100 g/m2的非織造布進(jìn)行測(cè)試,將非織造布裁剪為長21 cm,寬2 cm的試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn),將試樣夾持住使其在自然狀態(tài)下與水平方向垂直,試樣底部放置于盛滿水的容器內(nèi),將試樣最下端1 cm浸入水中進(jìn)行30 min的測(cè)試,并用紅外相機(jī)記錄0、1、5、10、20、30 min時(shí)非織造布的芯吸高度。作為水運(yùn)輸層的非織造布需要有良好的芯吸能力,確保將水分均勻、快速運(yùn)輸。完成芯吸高度測(cè)試后選擇芯吸能力最佳的非織造布進(jìn)行水?dāng)U散測(cè)試。取1 mL水滴在圓形非織造布中心位置,用紅外相機(jī)記錄滴水后1、2、3 min時(shí)水?dāng)U散的范圍。

1.5 多級(jí)蒸發(fā)器件冷凝層的疏水處理

在以前的工作中,水蒸汽在冷凝層一般以水膜的形式存在,這不僅會(huì)造成潛熱的大量損耗,而且不利于水收集。冷凝層的疏水處理可使水蒸汽在冷凝層以液滴的形式存在,可在重力的作用下快速滑落,減少熱損耗。為使紫銅板冷凝層具有較好的疏水性,首先用鹽酸超聲清洗紫銅板以除去其表面雜質(zhì),然后,用5%月桂酸乙醇溶液對(duì)其進(jìn)行疏水處理,通過調(diào)控疏水的時(shí)長以確定紫銅板能獲得最佳疏水性的時(shí)間。研究不同改性時(shí)長下紫銅板的表面狀態(tài),再用水接觸角測(cè)量儀測(cè)量其水接觸角,并進(jìn)行疏水性對(duì)比。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同光熱層的光熱效應(yīng)探究

在一個(gè)模擬太陽光照下,通過熱電耦對(duì)各種光熱層上下表面進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度測(cè)量,結(jié)果如圖4所示。由圖可知,碳黑-噴涂的上表面溫度最高為68.3 ℃,對(duì)應(yīng)下表面溫度為66.7 ℃;聚酰胺纖維-靜電植絨的上表面溫度最高可達(dá)76.4 ℃,相對(duì)應(yīng)的下表面溫度為71.8 ℃; 碳纖維-靜電植絨的上表面溫度高達(dá)78.4 ℃,相對(duì)應(yīng)的下表面溫度為73.7 ℃。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:無論是與制備相對(duì)簡便的碳黑-噴涂相對(duì)比,還是與同樣利用靜電植絨技術(shù)的錦綸相比,碳纖維-靜電植絨蒸發(fā)層都表現(xiàn)出了更加優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)化性能。這是由碳纖維優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換能力和靜電植絨所形成的高度取向陣列結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的結(jié)果。另外,由于紫銅板優(yōu)異的導(dǎo)熱性能,上下表面溫度差異小,保證了熱量的高效傳遞,用于蒸發(fā)層的快速水蒸發(fā),因此最終選擇碳纖維-靜電植絨作為器件的光熱層。

圖4 在紫銅板上進(jìn)行噴涂或植絨處理后在一個(gè)模擬太陽光照下的溫度變化Fig. 4 Temperature change under one sun illumination after coating or flocking on a purple copper plate.(a) Carbon black-spraying; (b) Nylon fiber-electrostatic flocking; (c) Carbon fiber-electrostatic flocking

2.2 非織造布面密度和基材對(duì)水運(yùn)輸?shù)挠绊?/h3>

太陽能驅(qū)動(dòng)多級(jí)界面蒸發(fā)器件水運(yùn)輸層的特性對(duì)最終界面蒸汽轉(zhuǎn)化性能有著重要的影響。經(jīng)過30 min的測(cè)試,其中40、60、80、100 g/m2的棉基非織造布芯吸高度依次為8.0、9.0、11.0、11.5 cm;40、60、80、100 g/m2的粘膠基非織造布芯吸高度分別為16.1、17.0、18.1、18.2 cm(見圖5)。

注:各小圖中4個(gè)試樣的面密度從左到右依次為40、60、80、100 g/m2。圖5 不同面密度的棉基、粘膠基非織造布芯吸高度紅外照片F(xiàn)ig. 5 Grams of wicking height of cotton-based(a), viscose-based nonwoven(b) fabric with different fabric density core absorb height infrared camera diagram

相對(duì)于棉,粘膠具有更好的導(dǎo)濕能力,因此同面密度的粘膠基非織造布具有更好的芯吸高度。另外,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于棉基和粘膠基的非織造布而言,同種類的非織造布芯吸能力會(huì)隨著其面密度的增加有一定的提高(見圖6),這是由于非織造布在一定范圍內(nèi)隨著其面密度的增加,單位面積內(nèi)的纖維也會(huì)隨之增多,導(dǎo)致毛細(xì)作用增強(qiáng),從而提高了非織造布的芯吸高度。然而,當(dāng)面密度達(dá)到一定數(shù)值時(shí),非織造布的芯吸高度變化不大,其原因主要是:對(duì)于多孔性的非織造布而言,其芯吸效應(yīng)是一種動(dòng)態(tài)浸潤現(xiàn)象,它不僅依賴非織造布本身的材料特性及相關(guān)參數(shù),還取決于非織造布的幾何特征。面密度的增加意味著非織造布孔隙率的下降,而織物中不同大小和形狀的孔隙可以產(chǎn)生差動(dòng)毛細(xì)效應(yīng),從而促進(jìn)織物的導(dǎo)濕能力。因此,當(dāng)面密度達(dá)到80 g/m2時(shí),非織造布達(dá)到了面密度和孔隙率實(shí)現(xiàn)最大芯吸能力的最佳狀態(tài)。

圖6 不同面密度的棉基、粘膠基非織造布的芯吸高度對(duì)比圖Fig. 6 Comparison of wicking height of cotton-based (a) and viscose-based(b) nonwoven fabrics with different fabric density

由于2種類型的非織造布面密度從80 g/m2增加至100 g/m2時(shí),其最終芯吸高度無明顯變化。為節(jié)省成本,選擇面密度為80 g/m2的非織造布進(jìn)行水?dāng)U散能力測(cè)試,如果如圖7所示。經(jīng)過3 min的測(cè)試,水在80 g/m2的棉基、粘膠基非織造布上擴(kuò)散半徑都為5～6 cm,即80 g/m2的棉基、粘膠基非織造布呈現(xiàn)出了相同的水?dāng)U散趨勢(shì)。

圖7 80 g/m2的棉基、粘膠基非織造布水?dāng)U散隨時(shí)間變化的紅外照片F(xiàn)ig. 7 Infrared camera diagram of water diffusion of cotton-based(a) and viscose-based(b) nonwoven fabrics at 80 g/m2 with time

因此,綜合2種非織造布的芯吸能力和水在非織造布上的擴(kuò)散能力,最終選擇80 g/m2的粘膠基非織造布作為器件的水運(yùn)輸層材料。

2.3 紫銅板疏水冷凝層的優(yōu)化

對(duì)疏水處理時(shí)長分別為0、1、2、3、4、5 h的紫銅板表面和水接觸角進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),未經(jīng)疏水處理的紫銅板水接觸角為96°,改性時(shí)長為1、2、3、4、5 h后相對(duì)應(yīng)的水接觸角依次為100°、110°、121°、130°、133°(見圖8),實(shí)驗(yàn)表明在一定范圍內(nèi)紫銅板的疏水性會(huì)隨著疏水處理時(shí)長的延長有所增加,但經(jīng)過4 h的疏水處理后,其疏水性變化不大。所以,為減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間,最終以4 h作為冷凝層的疏水處理時(shí)長。

圖8 不同疏水時(shí)長下紫銅板的表面形貌及其水接觸角Fig. 8 Surface of purple copper plate and its water contact angle under different hydrophobic treatment times

為進(jìn)一步觀察月桂酸乙醇溶液對(duì)紫銅板的疏水處理情況,通過掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)未經(jīng)疏水處理的紫銅板和疏水處理4 h后的銅板進(jìn)行了表征,結(jié)果如圖9所示。未經(jīng)疏水處理的紫銅板表面較光滑,經(jīng)過4 h疏水處理的紫銅板表面呈分級(jí)多孔的花瓣?duì)睢；ò隊(duì)罴{米結(jié)構(gòu)沉淀結(jié)晶在紫銅板表面, 緊密堆積的花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)增大了紫銅板的表面粗糙度,降低了其表面能,提高了紫銅板表面的疏水性。

圖9 疏水處理前后紫銅板表面SEM照片F(xiàn)ig. 9 SEM images of purple copper sheet surface before and after hydrophobic treatment(×20 000). (a) Before hydrophobic treatment; (b) After hydrophobic treatment for 4 h

2.4 太陽能驅(qū)動(dòng)多級(jí)界面蒸發(fā)器件水收集率優(yōu)化

在確定各主要部分的材料后,為使器件水收集率最大化,需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)讓冷凝的水盡可能快地被收集。如果各單元層都是原始狀態(tài)下與水平面平行排列,那冷凝得到的水無法自行滾落被收集。因此,在冷凝層進(jìn)行疏水處理使其具有超疏水性后,沿著中間軸進(jìn)行一定角度的傾斜,使得冷凝的水滴在重力作用下自行滑落進(jìn)行收集,從而有效降低熱量損耗,提高器件的集水率。

首先,組裝一級(jí)太陽能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)器件以探究在一個(gè)太陽光照下不同間距的水收集率。在確定最優(yōu)間距后,組裝太陽能驅(qū)動(dòng)多級(jí)界面蒸發(fā)器件,并進(jìn)行多級(jí)器件水收集率的探究。隨著間距的增大,水收集率先增加后減小,最終在一個(gè)模擬太陽光照下,當(dāng)間距為3 mm時(shí),一級(jí)太陽能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)器件水收集率最高為0.39 kg/(m-2·h)。單級(jí)水收集率與能量的利用率息息相關(guān),當(dāng)間距過小時(shí),會(huì)造成更多的潛熱損耗,然而當(dāng)氣隙距離過大時(shí),會(huì)增大蒸汽擴(kuò)散阻力,并且降低冷凝速率,也會(huì)造成水收集率的下降[20],如圖10所示。

圖10 一級(jí)器件在不同間距下的集水率Fig. 10 Water collection rate of single devices at different separation distance

在確定單級(jí)界面蒸發(fā)器件的最佳間距為3 mm的情況下,再通過逐級(jí)增加級(jí)數(shù)以探究器件的水收集率,隨著器件級(jí)數(shù)的不斷增加,由于可回收利用的潛熱是逐級(jí)遞減的,在運(yùn)行過程中,前一級(jí)釋放的潛熱用于驅(qū)動(dòng)下一階段的蒸發(fā)[21],從而產(chǎn)生更多的蒸汽和水,最終將器件級(jí)數(shù)累積到十級(jí)時(shí),其集水率達(dá)到了2.05 kg/(m2·h),如圖11所示。進(jìn)一步增加級(jí)數(shù)至十二級(jí)和十五級(jí)發(fā)現(xiàn),水收集率增加不明顯,基本趨于穩(wěn)定,因此,為減少制造成本和復(fù)雜性,最終選擇了十級(jí)界面蒸發(fā)器件的構(gòu)筑。

圖11 太陽能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)器件不同級(jí)數(shù)的集水率Fig. 11 Water collection rate of solar driven interfacial evaporation devices at different stages

該工作制備得到的淡水收集器件不僅性能優(yōu)異,而且材料便宜易得,搭建方法和器件結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡單,相比較于目前報(bào)道的多級(jí)器件(見表1)具有一定的優(yōu)勢(shì),在未來的工業(yè)化生產(chǎn)中具有較大的前景。

表1 不同多級(jí)器件工作的對(duì)比Tab. 1 Comparison of different multistage devices

3 結(jié) 論

本文工作通過材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,開發(fā)了一種十級(jí)太陽能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)器件用于高效水收集,具體結(jié)論如下:

1)本工作設(shè)計(jì)的器件光熱層通過在紫銅板上植絨碳纖維獲得,在一個(gè)模擬太陽光照下,其上表面溫度高達(dá)78.4 ℃,相對(duì)應(yīng)的下表面溫度為73.7 ℃,確保為蒸發(fā)層提供足夠的能量。

2)器件選擇粘膠基非織造布同時(shí)作為水運(yùn)輸通道和蒸發(fā)層,作為水運(yùn)輸通道時(shí),其垂直芯吸高度高達(dá)18 cm,水在非織造布上的擴(kuò)散范圍為5～6 cm, 確保與光熱層協(xié)同作用下產(chǎn)生水蒸氣。

3)器件的冷凝層通過對(duì)紫銅板進(jìn)行時(shí)長為 4 h 的疏水處理獲得,疏水處理后其水接觸角為130°,確保冷凝得到的凈水可以快速滑落被收集,避免熱量損耗。

4)在一個(gè)模擬太陽光照下,十級(jí)器件最終實(shí)現(xiàn)了2.05 kg/(m2·h)集水率,且其成本較低,有望成為偏遠(yuǎn)落后地區(qū)獲取淡水的有效工具,這也為以后的光熱蒸汽轉(zhuǎn)換器件設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。