碳氮化鈦/粘膠纖維束集合體太陽能界面水蒸發器的制備及其性能

婁輝清, 上媛媛, 曹先仲, 徐蓓蕾

(1.鄭州大學 物理學院, 河南 鄭州 450052; 2.現代紡織技術創新中心(鑒湖實驗室), 浙江 紹興 312030;3.神馬實業股份有限公司, 河南 平頂山 467021)

在普遍存在的太陽能-熱能轉換過程中,太陽能驅動水蒸發因具有太陽能轉換效率高和轉換潛力大而引起了極大的關注[1-2]。近年來,通過設計太陽能驅動的界面水蒸發器,將太陽能與熱能之間的轉換限定在氣液界面,能有效減少熱量損失、提高能量轉化效率,在太陽能驅動水蒸發領域展示出極大的應用前景[3-4]。

太陽能驅動的界面水蒸發技術是在載體上負載光熱轉換材料,通過在氣-液界面進行光熱轉換來實現水蒸發的目的,其基本原理是基體材料將水輸送到上層表面,再由表面光吸收材料吸收太陽能,并在液體表面發生界面光-蒸汽轉化現象[5-6]。對于界面水蒸發技術,水體與蒸發表面不直接接觸,目前通常采用親水性和多孔材料作為水傳輸的通道來保證蒸發過程中的水量供給。Jia等[7]基于凹凸棒石/聚丙烯酰胺復合材料(APAC)豐富的孔隙率結構和低熱導率特點,在1 kW/m2的光照強度下獲得了1.2 kg/(m2·h)的蒸發速率和高達85%的蒸發效率。Huang等[8]在聚多巴胺包覆納米纖維的基礎上,通過模板犧牲方式制備了納米/亞微米中空管結構的聚多巴胺納米管,并構建了三維太陽能界面水蒸發器件,在1 kW/m2的光照強度下獲得了高達2.5～3.6 kg/(m2·h)的蒸發速率。Liu等[9]利用天然木材的各向異性微觀結構制備了具有各向異性(宏觀的T形和微觀的木片上定向排列孔道)的T型蒸發器,并在1 kW/m2的光照強度下實現了2.43 kg/(m2·h)的蒸發速率和83.6%的太陽能利用效率。Caratenuto等[10]利用樹葉的多孔結構制備了由2種天然材料落葉和瓜爾膠組成的太陽能海水淡化裝置,其在1 kW/m2的光照強度下實現了 2.53 kg/(m2·h) 的蒸發速率。

高效的光熱材料是提高光熱水蒸發效率的關鍵。目前,常用的光熱轉化材料有金屬基材料、碳基材料、有機高分子材料、半導體材料和復合材料等[11-12]。新型的二維層狀碳氮化鈦(MXene)材料因具有廣譜的太陽光吸收、豐富的表面官能團和物理化學性質、良好的親水性、超薄的厚度、較大的比表面積等特性,被認為是制造高效光熱蒸發器的理想材料[13-14]。Zha等[15]采用浸涂方法將MXene涂覆在纖維素膜表面制備了MXene/纖維素多孔光熱薄膜,在整個太陽光譜范圍內表現出94%的光吸收率,且在1 kW/m2的光照強度下水蒸發速率達1.44 kg/(m2·h)。 Li等[16]通過聚苯胺(PANI)輔助自組裝氧化石墨烯(GO)和MXene片材,制造出用于太陽能驅動脫鹽海水和廢水凈化的MXene/GO/PANI復合雜化材料,在1 kW/m2的光照強度下,其對海水和廢水的蒸發速率分別達到2.89和3.30 kg/(m2·h)。 Lu等[17]制備了零維Co3O4/二維MXene光熱納米復合材料,并設計構建三維球形蒸發器,在1 kW/m2的光照強度下其光熱水蒸發速率可達1.89 kg/(m2·h),對應的光熱水蒸發效率超過二維蒸發器的極限理論效率。

基于以上分析,本文以粘膠纖維束集合體作為水傳輸通道,以MXene作為光熱轉換層來構建太陽能界面水蒸發器。通過研究其熱局域化性能、水蒸發性能和穩定性能,為太陽能的可持續利用以及界面光熱水蒸發技術提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

材料:粘膠長絲(線密度為3.33 tex(24 f)),新鄉白鷺化纖集團有限責任公司;芳綸長絲(線密度為110 tex),煙臺泰和新材料科技有限公司;鈦碳化鋁(MAX,粒徑為75 μm),吉林省一一科技有限公司;LiF(化學純,≥98.0%)、鹽酸(分析純,36.0%～38.0%),國藥集團化學試劑有限公司。

儀器:101-1型電熱鼓風干燥箱(北京市永光明醫療儀器有限公司);HZT-A+200型電子天平(福州華志科學儀器有限公司);CEL-HXUV300型氙燈、CEL-NP2000-2A型全自動光功率計(北京中教金源科技有限公司);PTi120型紅外熱成像儀(美國Fluke公司);LCD-DTM280型熱電偶(垣浩儀器儀表廠);Sigma500型掃描電子顯微鏡(德國卡爾蔡司公司);JEM-2100型透射電子顯微鏡(日本電子公司);YG086C型縷紗測長機(常州市第二紡織機械廠)。

1.2 試樣制備

1.2.1 粘膠纖維束集合體制備

將粘膠長絲纏繞在縷紗測長儀上,用芳綸長絲將其緊密纏繞固定,然后用刀片切出一定長度的纖維束。本文使用的粘膠纖維束集合體長度為3 cm,直徑為0.9 cm。

1.2.2 MXene制備及光熱轉換層構筑

采用LiF+HCl刻蝕法制備單層/少層MXene材料:將2 g LiF溶解到40 mL濃度為9 mol/L的HCl溶液中,并在35 ℃下攪拌30 min,然后緩慢加入2 g MAX粉末,并繼續在氬氣氣氛中攪拌36 h;取 20 mL 上述溶液置于錐形管中并加20 mL水稀釋,在 3 500 r/min 的轉速下離心30 min后得到黏稠的MXene分散液(質量濃度為15 mg/mL),最后用乙醇反復清洗離心至中性后密封,在-5 ℃下保存。

室溫下,將一定量的MXene分散液均勻涂覆在粘膠纖維束集合體表面,在60 ℃下真空干燥后形成光熱轉換層,實現MXene在粘膠纖維束集合體端面的構筑。通過在粘膠纖維束集合體上涂覆1～5層MXene分散液,獲得不同厚度的光熱轉換層。

1.3 粘膠纖維束集合體吸濕導水性能測試

吸水率可反映材料吸水性的高低。將粘膠纖維束集合體放置在盛滿水的燒杯中,浸泡至吸附飽和,根據吸水前后纖維束的質量計算其吸水率,計算公式為

式中:W為吸水率,%;m1為粘膠纖維束吸水前的質量,g;m2為粘膠纖維束吸水飽和后的質量,g。

毛細效應是衡量纖維吸濕性能的重要指標,用芯吸高度來表示。將粘膠纖維束集合體放在水中,每隔一定時間記錄1次芯吸高度,考察纖維束集合體達到飽和芯吸的時間以及最大芯吸高度。

1.4 粘膠和MXene形貌與界面溫度測試

采用掃描電子顯微鏡觀察粘膠的縱向表面和橫向截面,測試前進行噴金處理。采用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察光熱轉化材料MXene的形貌。

為考察光熱轉換層的光熱轉換效果,采用紅外熱成像儀對實驗過程中氣-液界面光熱轉換層的表面溫度進行熱追蹤記錄,升溫階段每隔30 s記錄1次紅外熱成像圖,穩定階段每隔5 min記錄1次。

1.5 太陽能界面水蒸發器實驗裝置及測試

1.5.1 太陽能界面水蒸發器實驗裝置

圖1示出本文實驗構建的太陽能界面水蒸發系統實驗裝置,包括模擬光源、太陽能界面水蒸發器和電子天平。采用氙燈作為太陽光模擬光源,利用全自動光功率計對光照強度進行校準,通過調節電流大小和光照距離調節光照強度,并采用紅外熱成像儀和熱電偶記錄光熱轉換層表面和水體的溫度。

圖1 太陽能界面水蒸發系統實驗裝置Fig.1 Test device of solar-interface water evaporator

太陽能界面水蒸發器由水傳輸層、高效光熱轉換層和隔熱保溫層組成。本文實驗中水傳輸層為垂直排列的粘膠纖維束集合體,高效光熱轉換層為具有高光吸收和熱轉化效率的MXene涂層,隔熱保溫層為具有低導熱系數的聚苯乙烯泡沫。實驗過程中室溫保持在(25±0.5)℃,相對濕度控制在50%～60%,到達太陽能界面水蒸發器高效光熱轉換層的光照強度保持在1～5 kW/m2之間,且每次實驗過程中光照強度保持恒定。

1.5.2 太陽能界面水蒸發器性能測試

1.5.2.1水體蒸發量 蒸發量是光熱轉換效率的重要體現,也是計算蒸發速率的主要依據,一般取穩態階段的蒸發量來計算蒸發速率,實驗前后裝置內電子天平讀數的差值即為水體蒸發量。本文實驗中每隔5 min記錄1次電子天平讀數。

1.5.2.2水蒸氣溫度 光源照射到水面后,表層的水會汽化并在上部空間形成飽和水蒸氣。通過測量水蒸氣的溫度表征太陽能水蒸發器的加熱速度。

1.5.2.3蒸發速率和蒸發效率 太陽能界面水蒸發器的蒸發性能可通過蒸發速率和蒸發效率來表征,蒸發速率和蒸發效率分別按下式進行計算:

ER=Δm/At

η=ERhLV/CoptA

式中:ER為蒸發速率,kg/(m2·h);Δm為蒸發量,kg;A為光熱層相對于光路的投影面積,m2;t為蒸發時間,h;η為蒸發效率,%;hLV為水的相變總焓, J/mol;Copt為光照強度,kW/m2。

1.5.2.4穩定性能 為考察太陽能界面水蒸發器的穩定性能,在2 kW/m2的光照強度下進行連續蒸發實驗,每次實驗持續12 h,共進行12次,并按前述方法計算每次實驗過程中太陽能界面水蒸發器的蒸發速率和蒸發效率。

2 結果與討論

2.1 粘膠與MXene形貌

圖2(a)示出粘膠長絲的縱、橫向表面形貌。可以看出,粘膠縱向表面存在與纖維軸走向一致的溝槽,橫截面呈不規則鋸齒狀且有部分微孔。粘膠自身的微孔和溝槽結構特征使其集合體形成了眾多的毛細管,水分很容易通過芯吸作用進入纖維間并為水分的遷移提供有利通道;此外,溝槽結構使粘膠的比表面積有所增大,提高了粘膠纖維集合體的吸濕導水能力,從而有利于水分的快速輸送[18-19]。本文使用的粘膠纖維束集合體在溫度為25 ℃、相對濕度為60%的環境中,吸水率為45.5%,達到飽和芯吸的時間為150 s,說明該纖維束集合體具有很好的吸濕導水性,可用于太陽能界面水蒸發器的水傳輸通道。

圖2 粘膠和MXene的形貌結構Fig.2 Morphology structure of viscose filament (a)and MXene(b)

圖2(b)示出MXene的掃描電鏡和透射電鏡照片。可知,采用LiF+HCl刻蝕法可制備單層和少層的二維MXene納米片材料,從而有利于后續MXene作為光熱轉換層對太陽能的吸收和轉換。

2.2 太陽能界面水蒸發器的熱局域化性能

圖3示出不同光照時間下太陽能界面水蒸發器表面的溫度變化情況。其中光照強度為1 kW/m2,MXene涂層數為5層。可以看出,纖維束升溫速度較快,在5 min內中心點的溫度即由室溫(約22.3 ℃)升高至44.7 ℃。從圖3還可看出,MXene涂層表面溫度分布不是特別均一,涂層表面中心點溫度相對周圍較高,這說明涂層后的纖維束熱局域化性能提高,表明含有涂層的樣品其光熱轉換效率更高和熱量流失更少,太陽能利用效率高。

圖3 太陽能界面水蒸發器表面的紅外熱成像照片Fig.3 Infrared thermal image of solar-interface water evaporator surface

2.3 MXene涂層對蒸發性能的影響

在粘膠纖維束集合體上均勻涂覆1～5層MXene分散液,然后在1 kW/m2的光照強度下,考察MXene涂層對太陽能界面水蒸發器蒸發速率和蒸發效率的影響,結果如圖4所示。

圖4 MXene涂層數對蒸發速率和蒸發效率的影響Fig.4 Influence of MXene coating number on evaporation rate and efficiency

從圖4可看出,含有MXene涂層的太陽能界面水蒸發器的蒸發速率和蒸發效率明顯高于不含MXene涂層的太陽能界面水蒸發器,且隨著涂層數的增加,其蒸發速率和蒸發效率呈現明顯增加的趨勢。當MXene涂層數從1層增加至5層時,蒸發速率和蒸發效率分別從0.78 kg/(m2·h)和39.4%迅速增加至1.47 kg/(m2·h)和74.4%。這是由于MXene在整個太陽光譜范圍具有優異的光吸收能力和高效的光熱轉換能力,隨著涂層數的增加,MXene的負載量也隨之增加,因此,蒸發速率和蒸發效率均提高。從圖4還可看出,當MXene涂層數繼續從4層增加到5層時,其蒸發速率和蒸發效率僅分別提升了0.03 kg/(m2·h)和1.6%,系統的蒸發速率和蒸發效率基本趨于穩定,繼續增加涂層數并不能使太陽能界面水蒸發器的蒸發性能得到進一步提升。這可能是因為此時粘膠纖維束的水傳輸能力已達到最大,繼續增加MXene涂層數已無法提高水的蒸發量。實驗結果表明,MXene作為光熱轉換層可有效提高太陽能界面水蒸發器的蒸發速率和蒸發效率,當MXene涂層數為5層時,在1 kW/m2的光照強度下,太陽能界面水蒸發器的蒸發速率和蒸發效率分別為1.47 kg/(m2·h)和74.4%。

2.4 光照強度對蒸發性能的影響

由于水蒸發是在太陽光照射下進行的,因此,光照強度對水蒸發性能有較大的影響。調節模擬光源的光照強度在1～5 kW/m2之間,在MXene涂層數為 5層的條件下,考察光照強度對太陽能界面水蒸發器蒸發性能的影響,結果如圖5所示。

圖5 不同光照強度下太陽能界面水蒸發器的蒸發性能Fig.5 Evaporation performance of solar interface water evaporator under different light intensities.(a) Water vapor temperature; (b) Evaporation rate and evaporation efficiency

從圖5(a)可看出,水蒸氣溫度在0～5 min內迅速升高,在5～10 min內溫度升高的速度逐漸放緩, 10 min 后水蒸氣溫度基本穩定。這說明0～10 min內系統處于加熱狀態,10 min后系統基本達到熱平衡。從圖5(a)還可看出,水蒸氣的溫度隨光照強度的增加有較大幅度的增加,這說明太陽光照強度對水蒸氣的溫度有明顯影響。研究還發現,不同光照強度下水體溫度變化不明顯,這表明系統具有較好的絕熱能力,向水體熱傳導較低,有利于形成局域化高溫區。此外,不同光照強度下水體溫度隨時間的增加基本不變,這表明光熱轉換層對光的吸收能力較強,熱損失較小。

從圖5(b)可看出,在黑暗狀態下太陽能界面水蒸發器的自然蒸發速率僅為0.06 kg/(m2·h),隨著光照強度的增加,其蒸發速率和蒸發效率也隨之大幅提升。當光照強度由1 kW/m2增加到 5 kW/m2時,蒸發速率由1.47 kg/(m2·h)提高至 6.45 kg/(m2·h), 相應地,蒸發效率也由70.6%提高至82.4%。需要注意的是,太陽能界面水蒸發器的蒸發效率在光照強度為2 kW/m2時達到最高,為85.3%;當光照強度由2 kW/m2增加到3 kW/m2時,系統的蒸發效率反而有所下降。其原因可能是當光照強度較低時,太陽能損失較小,能量利用率較高,但隨著光照強度的增加,部分熱能被用來直接加熱涂層上的水分,導致光在涂層上熱能損失較大;隨著光照強度的進一步增加,系統能夠獲得足夠的能量同時加熱涂層和產生蒸汽,因此,蒸發效率繼續提高。

2.5 太陽能界面水蒸發器的穩定性

太陽能界面水蒸發器的穩定性測試結果如圖6所示。可以看出,隨著時間的延長,太陽能界面水蒸發器的蒸發速率和蒸發效率有所降低,但降低幅度不大。經過144 h的蒸發實驗,太陽能界面水蒸發器的蒸發速率和蒸發效率仍分別高達 3.31 kg/(m2·h) 和82.1%,與初始值相比降低幅度分別為4.1%和3.5%,說明本文實驗制備的太陽能界面水蒸發器具有穩定的蒸發性能。

圖6 太陽能界面水蒸發器的穩定性能Fig.6 Stability performance of solar interface water evaporator

為進一步考察太陽能界面水蒸發器的穩定性,以實驗時間為自變量(X),分別以蒸發速率和蒸發效率為因變量(Y)對實驗數據進行數值擬合,結果為:

Y1=-5×10-6X2-0.000 2X+3.453 9

Y2=-0.000 1X2-0.008X+85.798

式中:X為實驗時間,h;Y1為蒸發速率,kg/(m2·h);Y2為蒸發效率,%。

根據上述公式可以計算得到,使用500 h后太陽能界面水蒸發器的蒸發速率和蒸發效率分別為2.09 kg/(m2·h)和56.9%,均保持在初始值的60%以上。這說明使用500 h后,太陽能界面水蒸發器仍具有較好的水蒸發性能。

3 結 論

1)粘膠纖維束集合體內部具有特殊的結構和垂直排列的方式,使其表現出優異的吸濕導水性能,在溫度為25 ℃、相對濕度為60%的環境中,吸水率可達45.5%,達到飽和芯吸的時間為150 s。

2)增加光熱轉換層MXene的涂層數有利于提高太陽能界面水蒸發器的蒸發性能,在1 kW/m2的光照強度下,當MXene涂層數從1層增加至5層時,其蒸發速率和蒸發效率分別從0.78 kg/(m2·h) 和39.4%提高至1.47 kg/(m2·h)和74.4%。

3)增大光照強度可有效提升太陽能界面水蒸發器的蒸發速率和蒸發效率,當光照強度由 1 kW/m2增加到5 kW/m2時,蒸發速率由1.47 kg/(m2·h)提高至6.45 kg/(m2·h),蒸發效率由70.6%提高至82.4%。蒸發效率在光照強度為2 kW/m2時最高,為85.3%。

4)該太陽能界面水蒸發器具有較好的穩定性,在2 kW/m2的光照強度下,使用144 h后其蒸發速率和蒸發效率仍分別高達3.31 kg/(m2·h)和82.1%,降低幅度僅為4.1%和3.5%。數值擬合結果表明,使用500 h后,太陽能界面水蒸發器的蒸發速率和蒸發效率分別為2.09 kg/(m2·h)和56.9%,均保持在初始值的60%以上。