纖維式太陽能界面蒸發器的構建及其水通道對熱量損失影響規律

摘要：淡水資源短缺的問題是全世界面臨的巨大挑戰。太陽能驅動的海水淡化技術利用了自然界中極為豐富的太陽能和海水資源作為動力和處理源，是解決淡水短缺問題的可持續方案，而且能夠最大程度地降低化石能源的消耗和碳足跡的產生，但高效、低成本的太陽能界面蒸發器仍然十分短缺。通過對聚丙烯腈纖維親水化改性并沉積聚吡咯，得到了具有良好光熱升溫效果與高效水傳遞功能的光熱纖維。利用其靈活的加工性能，將纖維在低成本絕熱材料——發泡聚苯乙烯上纏繞包覆制備出了經濟、高效的界面蒸發器。構建不同數量水傳輸通道的界面蒸發器研究其熱質傳輸規律，為太陽能界面蒸發器的發展提供了新的思路和理論基礎。

關鍵詞：太陽能界面蒸發；光熱纖維；海水淡化；熱量傳遞

中圖分類號：TK519；P747文獻標志碼：A文章編號：1002-4026（2024）05-0035-07

開放科學（資源服務）標志碼（OSID）：

Construction of fiber-type solar interfacial evaporator and the

influence of water channels on heat loss

YUAN Zhipeng1， TIAN Shuo2

（1.Shandong Provincial Key Laboratory of Special Silicone-Containing Materials，Advanced Materials Institute，

Qilu University of Technology （Shandong Academy of Sciences）， Jinan 250014， China;

2. Agricultural Products Quality and Safety Center of Jinan， Jinan 250100， China）

Abstract∶The shortage of freshwater resources is a major global challenge. Solar-powered seawater desalination technology utilizes the naturally abundant resources of solar power and seawater as power and treatment sources， respectively. It is a sustainable solution to the problem of freshwater shortage and can minimize the consumption of fossil fuels and reduce carbon footprint. However， efficient and low-cost solar interfacial evaporators are still in short supply. In this study， we obtained photothermal fibers with optimal photothermal effects and efficient water transfer abilities through the hydrophilic modification of polyacrylonitrile fibers and the deposition of polypyrrole. Taking advantage of its flexible processing properties， an economical and efficient interfacial evaporator was

prepared by wrapping fibers onto low-cost insulation material-expandable polystyrene.The heat and mass transfer law of interfacial evaporators with different numbers of water transfer channels was studied. This study provides a theoretical basis and new insights into the development of solar interfacial evaporators.

Key words∶solar interfacial evaporator；photothermal fiber；seawater desalination；heat transfer

隨著人口的持續增長、經濟的快速發展以及全球氣候變化的加劇，世界范圍內的淡水資源短缺已經對人類社會的可持續發展構成威脅。雖然基礎設施與政策戰略對于應對這一挑戰十分重要，但這并不能增加淡水資源的總量。廣泛開展海水淡化與污水回用等淡水增量技術的研究已經在全球范圍內達成共識。目前以反滲透、多級閃蒸、多效蒸餾為代表的傳統海水淡化和污水處理技術，在一定程度上增加了淡水的供應，但其不僅需要高昂的成本與復雜的設備，還需要消耗大量的化石能源，由此帶來的溫室氣體和污染物排放對氣候變化和近海生態系統具有潛在威脅［1-2］。開發以太陽能等可再生能源為動力的綠色零排放淡水制備技術已成為解決日益嚴重的水資源短缺問題最具潛力的方法之一。太陽能驅動的海水淡化技術利用了自然界中極為豐富的太陽能和海水資源，是解決淡水短缺問題的可持續方案，而且能夠最大程度降低化石能源的消耗和碳足跡的產生。

太陽能驅動的水蒸發通過模擬自然界水文循環中陸地淡水補充過程，利用太陽能產生熱量加速水的蒸發，將水從鹽分與污染物中分離［3-4］。因此，過程中太陽能的利用與熱量管理是提高蒸發效率的關鍵。陳剛教授課題組［5］于2014年提出了太陽能界面蒸發的概念，他們利用雙層碳基材料對界面處的水進行局部加熱促進蒸汽生成。界面式加熱大幅降低了蒸發過程中的熱量損失，顯著提高了能量利用效率。相較于傳統的底部加熱與整體加熱的方法，界面式加熱將太陽能的利用效率從30%～45%提高至90%以上［6］。自此，界面式的太陽能蒸發器的設計與研究成為了太陽能淡水制備領域的研究熱點。

太陽能吸收轉化材料是影響太陽能利用率的決定性因素，光熱材料應在盡可能寬的波譜范圍內具有高效的光能吸收和光熱轉化能力。目前，在太陽能界面蒸發系統中常用的光熱材料主要包括金屬基等離子體［7-8］、無機半導體［9-10］、共軛聚合物［11-12］及各種碳基材料［13］。其中，金屬基納米材料和半導體納米材料，有較好的光吸收效率和光熱轉化效率，但其固有的高成本和制備的復雜程度都是實際應用中的重要障礙。無機碳基光熱材料（石墨烯、氧化石墨烯、碳納米管等）具有良好吸光性和疏水性，但在界面的反射率較高，需要進行進一步的優化制備。以聚苯胺和聚吡咯為代表的共軛高分子聚合物，具有無機材料不能提供的靈活性、易制模性、良好的生物相容性，但僅在近紅外區有較強的吸收特性。因此，廣譜高效的光熱材料的設計與制備工作還需深入的研究。降低蒸發器對外的熱量損失（包括熱傳導、熱輻射和熱對流）是提高太陽能利用率的另一有效手段。在各種散熱機制中，熱量由界面向主體水中的擴散是最為嚴重的能量損耗。目前最常見的解決方案有兩類：其一為內源性策略，通過對材料的微納結構進行設計，降低其熱導系數；其二為外源性策略，在光熱材料外部添加隔熱層，降低熱量傳導損失。構建多孔結構是常用的內源性策略，通過在材料中引入空氣降低導熱系數，簡化蒸發器的結構，但由于蒸發過程中材料始終處于濕潤狀態，濕潤狀態下的多孔結構對導熱系數的降低程度十分有限。使用外源性絕熱材料雖然會使蒸發器結構相對復雜，但是絕熱效果更佳。通過選擇價格低廉的絕熱材料，還能夠有效降低界面蒸發器的制作成本。

目前，關于太陽能界面蒸發器的研究多集中在新型光熱材料研發和系統設計，關于水通道對界面蒸發影響的研究較少。在本文中，通過對PAN（polyacrylonitrile，聚丙烯腈）纖維親水化改性并沉積聚吡咯制備出了具有良好光熱升溫效果與高效水傳遞功能的光熱纖維，并利用其靈活的加工性能，在低成本絕熱材料EPE（expandable polyethylene，發泡聚苯乙烯）泡沫上纏繞制備出經濟、高效的界面蒸發器，同時構建不同數量水傳輸通道的界面蒸發器研究其熱質傳輸規律。提高水通道的面積能夠提高界面處的水供應，在界面供水充足的條件下，增加水傳輸通道的數量也會增加與主體水的接觸面積（即熱傳導的面積），從而增加界面能量的損失，導致蒸發效率的降低。因此，在界面蒸發器的設計與制備過程中需要綜合考慮傳質與傳熱的過程。本研究為高效低成本界面蒸發器的設計與制備提供了新的思路，也為界面蒸發器熱質傳遞機制的理論研究提供基礎。

1材料與方法

1.1材料

聚丙烯腈纖維， 鹽酸（HCl質量分數37%），氫氧化鈉（NaOH質量分數 96%），六水合氯化鐵（FeCl3·6H2O 質量分數99% ），吡咯（C4H5N質量分數99.7%）均從上海阿拉丁生化科技股份有限公司購買；聚乙烯發泡棉（EPE）由聊城巾幗包裝有限公司提供。

1.2光熱PAN纖維的制備

光熱PAN纖維的制備過程如圖1所示，首先對PAN纖維親水化改性。將其浸入溫度為50 ℃質量分數為20%的NaOH溶液中反應4 h，纖維表面的—CN反應為—COONa，以去離子水清洗干凈后，室溫放入質量分數4%鹽酸溶液中反應，形成—COOH，以去離子水洗凈后，60 ℃烘干。

將親水改性纖維在濃度0.02 mmol/L的FeCl3溶液中浸泡1 h，取出后冷凍干燥。之后將纖維放入充滿吡咯蒸汽的密閉容器中，吡咯在纖維表面被FeCl3氧化生成聚吡咯（PPy）轉化膜。洗去多余FeCl3即得到光熱PAN纖維。

1.3表征

光熱纖維的微觀形貌采用掃描電子顯微鏡（SEM，日立，SU-8010）表征。纖維表面PPy轉化膜的晶體結構通過X射線衍射（XRD，Bruker，D8 Advance）表征。使用傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR，Thermo Scientific，Nicolet 6700）測試膜的官能團驗證纖維的改性過程。通過UV-Vis-NIR分光光度計（PerkinElmer LAMBDA 950）測量纖維在太陽光全波長范圍內的吸收光譜。紅外熱像照片采用FLIRE98紅外熱像儀拍攝。

1.4不同數量水通道界面蒸發器的構建

為了構建如圖2（a）所示的具有不同數量水通道的界面蒸發器，取相同厚度的EPE泡棉切成不同的尺寸，其中4.0 cm×4.0 cm的1塊，1.0 cm×4.0 cm的4塊，0.5 cm×4.0 cm的8塊，將所有的EPE泡棉用PAN光熱纖維完全纏繞包裹。這樣4.0 cm×4.0 cm的纖維纏繞的泡棉即為2條水通道的界面蒸發器，實物如圖2（b）所示。將4塊1.0 cm×4.0 cm的纖維纏繞泡棉并排粘接即為5條水通道的界面蒸發器，實物如圖2（c）所示。8塊0.5 cm×4.0 cm的纖維包裹的泡棉并排粘接即為9條水通道的界面蒸發器，實物如圖2（d）所示。

1.5太陽能驅動的界面蒸發

界面蒸發實驗在實驗室環境中進行，溫度為22 ℃，相對濕度為50%～60%，以帶有AM 1.5G濾光器的氙燈光源（PLS-SXE300UV）模擬陽光，并使用太陽光輻照計來確定光照強度。使用3.5%的NaCl水溶液來模擬海水，測定具有不同數量水通道界面蒸發器的蒸發率。高精度電子天平實時記錄鹽水的質量變化，并通過數字溫度計監測蒸發過程中界面溫度的變化。測試過程中以紅外熱成像儀拍攝紅外熱成像圖片記錄蒸發器表面溫度變化。配置質量分數為0、1%、2%、3%、4%的NaCl溶液，測試兩條水通道界面蒸發器的蒸發率以確定鹽濃度對蒸發率的影響規律。為了降低誤差，以上蒸發率均在相同條件測試3次，并在結果中加入了誤差條。

2結果與討論

2.1PAN光熱纖維的形貌表征

圖3（a）為原始的PAN纖維的宏觀照片，其原始狀態為白色的連續長絲。圖3（b）為將單根長絲放大后的結構圖，看以看到PAN纖維是由纖維束螺旋纏繞形成的多級結構，這種多級結構形成的粗糙形貌有助于太陽光的吸收。從圖3（c）、（d）中可以看到纖維的尺寸均勻，直徑約為21.0 μm左右。對PAN纖維親水改性后，纖維變為淡黃色（圖3（e）），長絲直徑變小（圖3（f）），從圖3（g）、（h）中還能看到纖維直徑也有所減小，大約16.0 μm左右，纖維表面也變得粗糙。在圖3（i）中，表面沉積PPy的PAN纖維，變成了黑色。但仍能保持螺旋纏繞形貌（圖3（j））。如圖3（k）、（l）所示，纖維的直徑有所增長，約23.0 μm左右，但仍保持均勻。

2.2PAN纖維改性過程的紅外與XRD表征

PAN纖維的改性和聚吡咯的沉積過程通過紅外光譜驗證。如圖4（a）所示，在3條曲線上都可以觀察到2 243 cm-1處的吸收峰，它對應于—CN的伸縮振動。羧基改性PAN纖維曲線上的3 356cm-1處的寬吸收峰和1 728 cm-1處的吸收峰分別歸因于—COOH的—OH和—CO伸縮振動，證實了—CN已成功地改性為—COOH。與羧基改性PAN纖維曲線相比，沉積PPy的纖維曲線在1 038 cm-1處可以發現一個新的峰，這是由于N—H平面內變形引起的，并且在1 560 cm-1處的峰顯著增強，這是由吡咯環的CC拉伸形成的，這兩個峰為PPy的特征峰，這表明PPy已經成功地在纖維表面聚合。圖4（b）中的XRD結果也證明了這一點。與PAN纖維的曲線相比，沉積PPy的纖維曲線在2θ值為26°附近有一個明顯的寬吸收峰，對應于PPy的（104）面的反射。

2.3PAN光熱纖維在太陽光全波長范圍內的吸收光譜

太陽光的吸收效率是影響界面溫度的重要因素。由于纖維對太陽光的吸收比例無法直接測量，因此由入射光（100%）減去反射比例與透過比例計算得到吸收66例。計算后的結果如圖5所示，其吸收比例在紫外與可見光波段的吸收比例超過95%，在近紅外波段的吸收比例隨著波長的增大有所降低，這可能是由于隨著波長的增加，光的穿透性更強。總體來看，PAN光熱纖維在全太陽光譜范圍內的吸收比例均高于90%。這不僅歸功于PPy良好的光吸收性能，還因為PAN光熱纖維本身的多級纖維結構，具有粗糙的形貌，光線在纖維間的孔隙中通過多次折射和散射提高光吸收效率。

2.4不同數量水通道界面蒸發器的蒸發性能表征

為了驗證不同數量水通道的界面蒸發器的蒸發效果，測定了具有2條、5條與9條水通道界面蒸發器的蒸發率與界面溫度變化。從圖6（a）中可以看出，3種蒸發器的蒸發速度十分穩定，基本隨時間穩定上升，但明顯看出，2條水通道的界面蒸發器的蒸發率最高，隨著水通道的數量增多蒸發率逐漸下降，3種蒸發器的蒸發率分別為1.38、1.15、1.06 kg/（m2·h）。從圖6（b）中也可以看到，3種界面蒸發器相應的平衡界面溫度為36.5、35.3、31.6 ℃。這說明在界面處供水充足的情況下，水通道數量越多，界面處向主體水的傳熱面積越大，由熱傳導導致的熱量散失越大，導致界面溫度的降低與蒸發率的下降。經過計算，3個界面蒸發器的太陽能效率分別為70.48%、46.53%、40.92%，2條水通道的界面蒸發器太陽能效率最高。海水中的鹽濃度也是影響蒸發率的重要因素，如圖6（c）所示，2條水通道的界面蒸發器在NaCl質量分數分別為0、1%、2%、3%、4%的溶液中的蒸發率分別為1.53、1.47、1.41、1.35 、1.27 kg/（m2·h），蒸發率隨NaCl質量分數的提高而降低。進一步測試2條水通道界面蒸發器在不同太陽光強度下溫度變化，如圖6（d）所示。太陽光照射強度越高，界面溫度越高，但太陽光利用效率隨著強度的增加而有所下降，這可能是由于界面溫度越高，通過熱傳導和熱輻射散失的熱量也越高，使能源效率有所下降。

界面蒸發過程中界面溫度的變化紅外熱成像照片如圖7所示，2條水通道界面蒸發器在升溫過程中整個界面的溫度基本保持均勻，在400 s時達到平衡溫度。在5條水通道界面蒸發器升溫過程中，明顯可以看到界面溫度分布不均勻，中間3條水通道處的溫度明顯低于周圍，直到整個界面溫度基本穩定后，水通道痕跡逐漸減輕，但整體溫度低于2條水通道的界面蒸發器。對于9條水通道界面蒸發器而言，升溫過程整個界面溫度呈現條紋狀。界面溫度平衡后，整體溫度最低。

3結論

PAN纖維羧基化親水改性后在表面沉積PPy可以得到性能穩定的光熱纖維，纖維在太陽光全波長范圍內的吸收率超過90%。纖維良好的加工性能可以在絕熱的EPE泡沫上纏繞包覆得到低成本高效率的界面蒸發器。通過制備具有不同數量水傳輸通道的界面蒸發器并研究其蒸發與升溫性能發現，具有2條水通道的界面蒸發器界面溫度可升至36.5 ℃，蒸發率達到1.38 kg/（m2·h），太陽能效率70.48%。當水通道數量增加至5條和9條的時候，太陽效率會分別降至46.53%和40.92%，部分熱量會通過水通道熱傳導至主體水中。所以，在界面供水充足的條件下，增加水傳輸通道的數量會增加界面能量的損失，導致蒸發效率的降低。在太陽能界面蒸發器的設計與制備過程中要綜合考慮界面蒸發器的傳質與傳熱過程，提高能量利用效率。

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