用于農田灌溉的輕木基水蒸發器的制備和性能研究

褚小龍

（浙江農林大學化學與材料工程學院，浙江 杭州 311300）

0 引言

近年來，隨著全球人口的快速增長和工業的快速發展，淡水資源已經變得愈發短缺[1]。而世界上很多國家以農業為主，迫切需要對豐富的海水資源進行淡化，用于農作物的灌溉[2]。傳統的海水淡化技術存在著能耗大、成本高、污染重等問題，而太陽能作為一種豐富且可再生的資源，逐漸成為人們關注的焦點[3]。利用太陽能對海水進行蒸發除鹽，再收集水蒸氣得到淡水進行農作物灌溉，已經成為一種可行的解決方法[4]。

太陽能蒸發海水的工作原理為：入射光照射到太陽能吸收材料上，可被充分吸收并轉化成熱能，隨后，水分被加熱并轉化為蒸汽，將蒸汽冷凝收集即可獲取所需的淡水[5-6]。太陽能蒸發根據加熱位置的不同一般可分為界面加熱、底部加熱和整體加熱。其中，太陽能界面水蒸發由于選擇性地加熱了蒸汽產生部分的水體，即水-空氣界面，而不是加熱整個水體，避免了加熱位置和蒸發位置的錯位，從而減少了熱量損失，因此也表現出最高的熱量利用率和光-汽轉化效率，成為當下的研究前沿與熱點[5]。

對此，課題組利用植酸水溶液對輕木表面進行改性，成功制備了植酸改性輕木（PA-BW）。該實驗僅需一步即可完成，步驟簡潔、快速且成本較低。其中，輕木是生長速度最快的木材品種之一，在5～8年內就可長到約20 m高，直徑可達75 cm[7]；而植酸是從油籽、豆類、谷物、堅果和花粉中提取并純化的有機磷類化合物，其來源非常豐富，且成分基本不會對環境造成負擔和污染[8]。一個植酸分子中含有六個磷酸基團，可提供多個交聯位點，與輕木中的纖維素發生酯化反應[8]。輕木本身孔道豐富，提供了高速的水分運輸通道，同時，改性木材也展現出優異的光吸收和光熱轉化性能[9]。得益于以上優勢，蒸發器表現出較好的水蒸發速率（1.64 kg·m-2·h-1，1個太陽光照下）和優異的光-汽轉化效率（94.1%，1個太陽光照下），優于同等測試條件下的未處理輕木的蒸發性能（0.84 kg·m-2·h-1和44.4%）。本項工作為太陽能水蒸發器用于農田灌溉方面提供了新的思路。

1 材料與方法

1.1 材料

輕木（BW，密度80 kg/m3～100 kg/m3，切割大小3 cm×3 cm×3 cm），購買自廣州市奇高輕木貿易有限公司；植酸（C6H18O24P6，質量分數70%）購買自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；過氧化氫（H2O2，30%）購買自永華化學股份有限公司。

1.2 植酸改性木材的制備

首先將輕木按照樹木生長的方向（橫截面作為光熱面）切割成3 cm×3 cm×3 cm的塊狀，再將輕木塊用來進行光熱轉化的面在過氧化氫溶液中浸泡一小時，取出后用去離子水清洗，并置于98%的乙醇溶液中抽真空一小時。將質量分數70%的植酸水溶液稀釋成17.5%，用移液槍取150 μL涂抹在輕木塊的光熱面，最后在120 ℃的烘箱中處理三個小時，所得即為植酸改性木材。

1.3 水蒸發性能測試

進行的室內蒸發測試均采用特定的蒸發裝置，在室溫23 ℃±3 ℃和相對濕度53%±3%的環境下進行測試，不排除因為特殊原因導致的溫度和濕度波動。為了更加精準地模擬海水處理的過程，配制了質量分數為3.5%的NaCl溶液進行室內蒸發性能測試。

1.4 分析與表征方法

通過冷場發射掃描電子顯微鏡（SEM，SU8010，HITACHI）和超景深三維顯微鏡（3D OPM，VHS-1000，KEYENCE）對改性木塊表面的基本形貌進行觀察。通過接觸角測試儀（JC2000D1，上海中晨數字技術設備有限公司）研究了樣品的潤濕特質。

2 結果與分析

2.1 PA-BW的形貌與結構表征

圖1中的a、b部分分別展現了輕木（BW）和植酸改性輕木（PA-BW）的宏觀形貌；圖1中的e、f部分分別展現了輕木（BW）和植酸改性輕木（PA-BW）的微觀形貌。經過植酸改性處理后，原本淡黃色的輕木顯著轉變為黑褐色；而由超景深三維照片可以看出，輕木在處理前后平面平整度變化不大。對BW和PA-BW的橫截面進行了掃描電子顯微鏡（SEM）分析，結果分別如圖1中的c、d部分所示，通過SEM圖可以觀察到，未經處理的輕木具有豐富的孔洞，且其內表面光滑；然而，經過植酸改性處理后，表面變得粗糙且孔道結構也被破壞。

圖1 BW和PA-BW的結構與形貌

2.2 PA-BW的光熱、潤濕性能研究

木材因其孔徑豐富而具有出色的水分運輸能力，經過植酸改性后，其光熱響應能力得到了顯著提升，從而進一步提高了光吸收層的溫度。為了探究PA-BW的光熱轉化能力，使用未經處理的輕木作為對照組。將其在1個太陽的光照強度下連續照射1 800 s并記錄其表面溫度變化。為了模仿實際場景，BW和PA-BW先用質量分數3.5%的氯化鈉溶液潤濕，且測試過程中的水體同為質量分數3.5%的氯化鈉溶液。BW和PA-BW在連續照射1 800 s后表面溫度分別上升到38.0 ℃和53.2 ℃，兩者表面溫差為15.2 ℃，如圖2所示。由此可以看出：PA-BW與BW相比較具有更優異的光熱轉換性能。

此外，PA-BW除了具有優異的光熱轉換性能，其潤濕性也較佳。輕木經植酸處理之后，其接觸角由原先的86.3°降低至79.8°，證明其親水性略有增加。說明經過植酸處理之后，改性木材仍可基本保留其原有的潤濕性。

2.3 PA-BW的水蒸發性能

本研究對BW和PA-BW在鹽水中的蒸發性能進行了系統性的研究和比較，結果顯示在1個太陽的光照強度下，PA-BW蒸發器的蒸發速率（1.64 kg·m-2·h-1）明顯優于BW蒸發器的蒸發速率（0.81 kg·m-2·h-1）。通過減去暗態下的蒸發速率，計算出1個太陽的光照強度下，BW和PA-BW蒸發器的光-汽轉化效率分別為44.7%和94.1%。PA-BW蒸發器之所以具有如此高的光-汽轉化效率，是因為其優異的光-熱轉換效率提高了光的利用率，如圖3所示。

圖3 BW和PA-BW在1個太陽光照下的蒸發速率和光-汽轉化效率

樣品在不同太陽光照下的蒸發性能測試結果如圖4所示，從0.5個太陽光照到2個太陽光照，由于光照強度的增加，PA-BW的蒸發速率有所提高，先從0.79 kg·m-2·h-1升高到了1.64 kg·m-2·h-1，繼而又升高到了2.21 kg·m-2·h-1。隨著光照強度的增加，光-汽轉化效率從1個太陽光照下的94.1%降低到了2個太陽光照下的63.75%。推測是由于大量熱量位于蒸汽產生界面，木材的通量難以滿足較高光強條件下的批量蒸汽生成，并且光熱界面與周圍環境的溫差增大，從而加速了熱損失，故而導致轉化效率降低[10]。

圖4 PA-BW在0.5、1、2個太陽光照下的蒸發速率和光-汽轉化效率

3 結論

綜上所述，通過一步法利用植酸對輕木表面進行改性，增強其光熱轉化性能并利用木材天然豐富的孔道結構進行水分的運輸。得益于以上優勢，PA-BW蒸發器在1個太陽光照強度下有著1.64 kg·m-2·h-1的蒸發速率和高達94.1%的光-汽轉化效率。優異的蒸發性能使其可以將海水淡化后的蒸餾水用于農作物灌溉，降低土地鹽堿化的風險，為未來太陽能水蒸發器在農業方面的應用提供了新的思路。