纖維基界面光熱蒸發器表面除鹽的研究進展

潘露琪, 任李培, 肖杏芳, 徐衛林, 張 騫

(武漢紡織大學 省部共建紡織新材料與先進加工技術國家重點實驗室, 湖北 武漢 430200)

隨著工業化進程的發展以及全球人口增長的爆發,淡水資源的短缺成為全球性問題[1-3]。海水作為地球上占比最大的水資源,如何對其進行有效利用受到廣泛關注。然而,海水中鹽濃度約為人體所需的4倍,不能直接用于人類的日常生活,針對這個問題,海水淡化成為一種極具前景的解決方案。傳統的多效閃蒸、反式滲透和電滲透等海水淡化技術[4-6]需要復雜繁瑣的處理工藝,并且需要大量消耗化石能源等不可再生資源,這將對環境造成巨大影響。近年來,太陽能驅動界面蒸發技術可利用太陽能這個天然、無污染的可再生能源,僅對蒸發器件表面水層進行加熱,可以有效地將太陽能輻射轉化為熱能,進而提高蒸汽產量,在解決淡水資源短缺方面有著十分優異的發展前景。本文簡要闡述了太陽能界面光熱蒸發器表面用于海水淡化過程中鹽結晶的危害,分別從主動式和被動式2個角度概括了纖維基界面光熱蒸發器件用于表面除鹽的策略,對纖維材料在界面光熱蒸發器表面除鹽設計中所面臨的挑戰及未來潛在的應用前景進行了總結與展望。

1 太陽能界面光熱鹽水處理

光熱材料上的鹽積累是阻礙太陽能界面光熱蒸發器長期、高效和穩定工作的關鍵難題。水分在蒸發器件表面迅速蒸發,鹽濃度快速升高導致器件表面鹽的結晶,不僅增加吸收體表面的鏡面反射,抑制器件對光的吸收,同時堵塞蒸汽逃逸通道,影響蒸汽的溢出,導致蒸發速率隨時間的推移而顯著降低,縮短器件的使用壽命甚至破壞蒸發器件[7-9]。為滿足海水淡化以及濃鹽廢水處理設施的長期運行,傳統的定期清潔和替換光熱層[10-12]必然會增加生產成本。然而,常見的除垢劑(酸和阻垢劑的混合物(碳酸鹽或硫酸鹽))通常將與濃鹽水一起釋放,會造成排放水域的環境污染和海洋生物滅亡[13-14]。鑒于此,大量研究專注于開發或優化新型結構除鹽設備,以提高太陽能驅動界面蒸發系統的效率或產量[15]。但如何設計開發能夠大面積投入生產,并且可以反復使用的太陽能界面除鹽蒸發器,是該領域所關心的重點,對持續穩定的太陽能界面海水淡化和高濃鹽水處理具有重要的意義。

2 纖維基界面蒸發器表面除鹽設計

纖維材料擁有低成本、高比表面積及高孔隙率、特有的柔韌性和力學強度,以及方便裁剪性等優良特性[16-17],是太陽能界面蒸發器表面除鹽的理想材料,因此,可以利用高效的毛細供水稀釋蒸發器表面鹽濃度,對纖維基蒸發器件進行疏水處理等方法直接抑制鹽分析出;對于已經形成鹽結晶的纖維基蒸發器,可以通過反復清洗或者物理刮除等方式除鹽。

纖維用于太陽能界面蒸發器表面除鹽設計的策略,可大致分為主動式與被動式2大類。其中主動式分為水洗除鹽和區域結晶鹽收集,這2種方式均需要人為外力去除蒸發過程中產生的鹽,無法自行清除蒸發器件表面的鹽沉淀;而被動式除鹽可自行清除蒸發器件表面的鹽分,甚至可以在蒸發過程中直接抑制鹽結晶產生,包括自清潔設計、對流效應、定向流體傳輸與Janus織物設計4種方式,如圖1所示。

圖1 纖維基界面蒸發除鹽策略

2.1 主動式

現有研究利用纖維材料的耐洗性與高孔隙率,設計出了可用于水洗除鹽與區域結晶鹽收集的纖維基界面光熱除鹽器件,均需要通過施加外力作用去除蒸發器件表面鹽結晶,由于纖維自身的柔軟性,這2種簡便的光熱蒸發器設計在長期海水淡化應用中具有一定的發展前景。

2.1.1 水洗除鹽

由于纖維材料特有的柔軟性以及耐洗滌性,研究者們發現在其上產生的鹽結晶可被輕易清洗去除,且反復揉搓也不易改變其結構及性能。受上述特點啟發,開發出了柔性織物基光熱蒸發器。

在洗滌過程中,通過普通涂覆在纖維表面的納米顆粒易脫落甚至損壞。Zhu等[18]基于靜電紡絲技術設計了耐水洗的光熱織物。靜電紡絲技術是將溶解后的聚合物通過高壓電場作用形成納米尺寸的纖維,從而可避免嵌入在納米纖維中的吸光納米材料光學性能的損失。靜電紡絲工藝使納米顆粒在聚合物納米纖維中均勻分散,納米粒子被基底材料包覆不易脫落。此外,納米纖維極小的纖維直徑賦予纖維膜光熱蒸發器所需的柔性,且納米纖維在非織造布中交織并形成三維網絡結構,天然的多孔結構增強了光熱蒸發過程中海水的傳輸,也有助于水蒸氣逃逸,因此,文獻[18]制備的納米纖維膜基蒸發器經過15次清洗后未發現吸光度與蒸發速率的降低。織物中的微尺寸通道為海水淡化過程中海水的輸送提供了路徑,也有助于在洗滌過程中去除其表面的結晶鹽。Jin等[19]利用錦綸6與炭黑通過靜電紡絲制備具有高力學強度的非織造光熱纖維膜,以高性能纖維錦綸6作為基底材料,該蒸發器在強酸、強堿、有機溶劑和鹽水等各種惡劣環境中具有較強的化學穩定性。

2.1.2 區域結晶鹽收集

相較于上述水洗除鹽的方式,研究發現可通過外力剝除的方法將蒸發器件表面的結晶鹽去除,這種剝鹽方法可有效地從鹽水中同時獲得淡水與鹽晶體,對環境的影響最小。Finnerty等[20]報道了將氧化石墨烯(GO)薄膜材料制成合成葉片,該合成葉片在長時間處理高濃度鹽水過程中蒸發面結晶嚴重,其可通過刮除的方法去除,但這種方式不僅影響蒸發效率,也容易對蒸發面造成磨損,因此,如何構建特定區域鹽結晶,實現鹽收集的同時避免大量鹽結晶抑制蒸汽產生速率成為研究的重點。

Shi等[21]利用酚醛樹脂與二氧化硅涂覆玻璃纖維非織造布,并制作成三維杯狀結構的光熱除鹽蒸發器件。由于蒸發器內部高溫高濕導致鹽分難以結晶,使得鹽晶體傾向于在器件的外表面生長,方便剝除與收集。這種三維蒸發器可在25%的高濃度鹽水下連續工作120 h,在120 h循環光熱蒸發鹽水實驗中,鹽的回收率接近100%。這種物理脫鹽方法可以實現蒸發器件的循環利用,并且可以同時獲得副產物鹽,實現了零排放目標。Lei等[22]利用單根棉柱在中心供水,頂端織物圓盤進行蒸發,借助于中心的一維水路,該蒸發器中輸送的鹽溶液從中心到邊緣產生橫向濃度梯度,處理21%的鹽水時,鹽也只會傾向于在器件邊緣結晶,因此可通過外力輕易剝除,從而實現水/溶質的完全分離和鹽的有效收集。

2.2 被動式

盡管主動式除鹽可以有效去除蒸發裝置表面的結晶鹽,但仍需要人為外力加以輔助,不適合長期實際應用。為解決此問題,無需人為干預的被動式除鹽策略應運而生。目前纖維基太陽能蒸發器的被動式除鹽策略可大致分為4類:自清潔設計、對流效應、定向流體傳輸與Janus織物設計。

2.2.1 自清潔設計

針對于已經在蒸發器表面形成的鹽分,可通過打破平衡的方式轉換蒸發面被動除鹽,不借助外力達到鹽分去除的目的。當鹽在蒸發器表面結晶到一定程度時,蒸發器由于頂部重力增大導致傾斜翻滾,將鹽結晶卷入水體再次溶解,從而達到自清潔目的。纖維材料由于其輕薄且耐水洗的特點,適用于此類通過輕微質量變化導致動態平衡的自清潔設計中。

Liu等[23]制備了CsxWO3納米棒,并將其涂覆在棉織物上,通過在聚苯乙烯(PS)泡沫的兩面包裹CsxWO3棉織物,設計并制造了垂直對稱蒸發器。當用于蒸發的一側被鹽結晶覆蓋時,對稱蒸發器可通過手動翻轉到另一側進行蒸發。Xia等[24]利用膨脹聚乙烯泡沫筒與商用聚乙烯醇織物設計了一款桶狀自旋轉太陽能蒸發器,鹽在蒸發器頂部結晶,因而重力與浮力的平衡被打破,導致結晶表面自發的旋轉至水體中,新的光熱表面重新暴露于水面進行進一步蒸發,通過“蒸發-結晶-自再生”周期式的自清潔設計效應,在超高質量濃度(300 g/L)的鹽溶液中實現了持續穩定的高能量轉換效率(約90%)。

2.2.2 對流效應

盡管可以通過主動式去除或自清潔設計被動去除蒸發器表面的鹽結晶,但隨著蒸發時間的延長,鹽分逐漸累積,蒸汽產生效率仍然會降低,因此,當光熱蒸發器件表面鹽濃度逐漸升高時,需要及時補充低濃度鹽水進行稀釋,防止鹽分進一步析出。蒸發器表面由于水分快速流失導致鹽濃度趨于飽和,其光熱層和供液層之間形成鹽濃度梯度,使得鹽離子能自發地從高濃度轉移至低濃度的水體中,這種對流效應能夠有效抑制光熱蒸發過程中器件表面的鹽結晶。纖維材料由于其疏松多孔的結構表現出較強的親水性,能夠滿足為鹽離子的對流提供充足的水供應,被廣泛應用于此類對流效應的設計中。

Ni等[25]利用黑色纖維素織物作為吸光層,白色纖維素織物作為供水層,聚苯乙烯泡沫作為支撐層與隔熱層,制備出具有三明治結構的漂浮式太陽能界面蒸發器,這種設計可通過芯內增強的對流效應自動排出鹽,同時保持良好的局部熱化。將40 g NaCl顆粒放置在蒸發器表面,使表面鹽濃度達到飽和(26%),并將其置于3.5%的鹽水中,在1個太陽光強下脫鹽1 h就能完全去除NaCl顆粒,證明該結構具有優秀的對流效應。Zhang等[26]利用紡織織造技術設計了一種碳纖維和棉紗的混編織物,通過改變棉紗與碳纖維的比例可以實現蒸發器內水分含量的調控,防止鹽分結晶。

廢舊紡織品的回收利用對節約資源、減污降碳具有重要意義。Liu等[27]利用廢棄棉纖維制備聚多巴胺功能化纖維素氣凝膠,氣凝膠的多孔結構有助于光吸收和水傳輸,提高蒸發速率的同時抑制鹽結晶,在光熱蒸發模擬海水8 h過程中,可保持2 kg/(m2·h)左右的蒸發速率,且氣凝膠的表面未發現鹽結晶,表現出良好的耐鹽性能。

2.2.3 定向流體傳輸

不同于簡單的對流效應,研究者們發現定向水流在實際脫鹽中更為有效。在濃鹽水脫鹽過程中,通過定向傳輸,使鹽水被動地向指定方向流動,不同于傳統對流效應,定向流體傳輸設計能夠加劇鹽離子的轉移速率,緩解蒸發過程中結晶鹽的形成,同時還能獲得副產物濃縮鹽水。由于此類裝置需要較寬較長的平臺,傳統聚合物及納米材料難以實現大范圍制備,而纖維紡織品材料易于尺寸化且易于裁剪,是制備定向流體傳輸裝置的理想材料。

Zhang等[28]在商用碳布上用銅摻雜傳統的鋅基金屬有機框架材料(Zn-MOF)作為光熱層,利用親水織物作為單向導水載體,可同時生產清潔水與電能。將高濃度鹽水收集器放置在低地勢區域,將高地勢區域的鹽水通過虹吸效應形成單向鹽水流體進行輸送,受益于纖維材料極強的浸潤性,流體驅動鹽的遷移,這種策略可穩定運行并且防止鹽分析出。Liu等[29]利用聚苯胺納米棒涂覆棉織物設計了一種通過懸掛織物的間接接觸蒸發系統,織物的兩端與海水接觸,利用織物強大的毛細吸力控制引流,高濃度鹽水可從弧形織物的底部滴落,而不會出現固體鹽積聚。盡管這種懸垂蒸發器抑制鹽結晶的特性已被驗證,但其蒸發速率受到高蒸發焓和陽光入射角度的嚴重限制。為解決這些問題,該團隊利用硫化銨水溶液對含銅聚丙烯腈靜電紡絲纖維膜進行硫化處理[30],在該模型中,光熱織物被拉伸,其兩端邊緣固定在2個不同高度的水箱中,較高的水箱中裝滿海水,而較低處為空水箱,因此,在蒸發過程中海水不斷滲入織物,最終在毛細作用和重力作用下到達下方水箱,其在1個太陽光強下的蒸發速率高達2.27 kg/(m2·h),對高濃度鹽水(21%)連續脫鹽12 h也未出現鹽晶體。該蒸發器可以根據太陽在一天的不同時刻、不同入射角度,改變自身傾斜角度與入射光方向形成正交,以達到最高的光熱轉換效率,降低蒸發焓,獲得最大的蒸發速率。

2.2.4 Janus織物設計

對于接近飽和濃度的鹽水,除鹽最有效的策略就是阻隔鹽離子到達蒸發器表面。Janus織物設計多采用疏水與親水纖維經緯交錯編織[31]、靜電紡親疏水纖維分層設計[32]、親水織物表面涂覆疏水材料[33]等方式。纖維材料疏松多孔的結構與易于表面改性的特點,是制備此類Janus結構的理想材料。這種上層疏水下層親水的結構設計僅允許水分子通過,蒸汽在上層疏水層的下方產生,通過織物的孔隙逃逸,而鹽離子無法通過水流抵達疏水層表面,可以有效防止鹽在蒸發器表面結晶。

Xu等[32]利用層級結構與靜電紡絲技術,采用疏水炭黑納米顆粒涂層的聚甲基丙烯酸甲酯作為上層光吸收層,親水性聚丙烯作為下層吸水層。蒸發過程中鹽離子在疏水/親水界面處受阻,并保持在水位以下,以消除蒸發器表面上形成鹽的可能性。由于表面的疏水結構,該蒸發器可以處理濃度為20%的鹽水,并且可以連續海水脫鹽16 d。然而此種除鹽方式很大程度地犧牲了蒸發速率,阻止鹽離子的同時也阻隔了大部分的水分子在蒸發器件內向上傳輸。

Dong等[33]合理利用了Janus織物設計、定向流體傳輸與區域結晶鹽收集等方式,設計了一種除鹽纖維材料蒸發器件,利用可生物降解的醋酸纖維素纖維氈,在其上表面涂覆碳納米管作為光熱層,并對其進行疏水改性以抑制鹽在上層光熱層結晶。再利用聚丙烯腈纖維在纖維氈的另一側進行靜電紡絲,以此作為親水蒸發層,從而制備具有穩定結構的Janus纖維氈。將蒸發器懸掛于水面,通過重力引流將鹽水輸送至光熱層。由于上層光熱層的疏水結構,鹽僅在下表面結晶,不影響兩側的供水通道,對蒸發速率影響較小,達到了1.94 kg/(m2·h)的高蒸發率,且通過手動剝離可以獲得副產物礦物鹽。

近年來,纖維材料由于其成本低廉、功能多樣化、易與其它材料復合、易于裁剪和可反復使用等特點,在太陽能界面蒸汽轉換領域備受關注,一系列基于纖維材料設計的除鹽蒸發器件也應運而生[34-35]。表1示出匯總的近年來纖維材料用于界面光熱除鹽的部分研究,以及主要的除鹽效果及其它特性?？梢钥闯?纖維基蒸發器件普遍具有蒸發效率較高,對于高濃度鹽溶液處理持續性好,具有優異的穩定性與可循環性,可適用于長期脫鹽工作,為太陽能界面蒸發除鹽設計提供了良好的應用前景。

表1 纖維材料用于界面光熱除鹽設計的部分工作總結

3 結束語

盡管纖維材料在界面蒸發除鹽應用中的性能得到顯著提高,然而其在未來發展中依然存在一些挑戰及未解決的問題,需要進一步研究完善。

1)對于飽和濃鹽水以及高光照強度的情況,僅通過親水纖維基蒸發器難以緩解其蒸發界面過高的鹽濃度,結晶問題仍無法避免,而采用Janus織物結構設計犧牲了蒸發速率,因此,迫切需要開發新的活性紡織品,以便在高鹽濃度/光照條件下工作。

2)蒸發器內部水分過多,將導致加熱多余的水造成熱量損失。要想進一步提高蒸汽生成率,需要提高太陽能熱量的有效利用率。對于親水纖維材料來說,含水量的降低往往會使鹽分不能及時溶解在水體中,導致鹽分析出,影響設備的使用壽命,這意味著其無法在控制水分的同時處理高濃度的鹽水,這將嚴重限制其未來的發展。

3)在太陽能光熱脫鹽過程中,除要避免鹽分結晶,還須抑制水體內其它污染物(如脂肪酸、油脂、營養鹽等)堵塞蒸發器。這些污染物不僅會遮光、影響蒸汽溢出,更對環境與人體健康造成威脅。一旦這些沉淀物形成,通過簡單的水洗很難完全去除,可能會導致積聚堵塞蒸汽逃逸通道的問題,因此,尋找減少太陽能光熱脫鹽過程中污染物產生的策略,也將成為未來纖維基蒸發器件新的發展方向。