基于花状海绵的太阳能蒸汽发生器的制备与性能研究_眭瑜瑾.pdf

纺织报告|FANGZHI BAOGAO25水资源短缺是当前人类社会面临的主要危机之一，研究廉价高效、便携可靠的清洁水资源获取新方法已经引起国内外学术界和工业界的广泛关注。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，利用太阳能对丰富的海水及其他未净化的水资源进行脱盐或蒸馏作用产生淡水，可为解决当前日益严重的缺水问题提供有益参考。基于花状海绵的太阳能蒸汽发生器的制备与性能研究眭瑜瑾（通州湾现代纺织产业园发展服务办公室，江苏 南通 226300）Preparation and performance study of solar steam generator based on flower-like spongeSui Yujin（Tongzhou Bay Modern Textile Industry Park Service Office,Nantong 226300,China）Abstract The gas-liquid interface solar powered water evaporation is an emerging and promising technology,which has unlimited potential in solar applications such as seawater desalination,purification,sterilization,etc.Commercial polyurethane sponge is a common low-cost commodity in daily life,and its porous structure provides natural channels for water channels and steam escape.Based on this,this paper proposes a solar evaporator based on adjusting the surface morphology of sponge to promote the generation of solar steam,and describes an effective flower-like photothermal steam generation system made of low-cost renewable materials,such as sponge,carbon black(powder),cotton batten and insulating polystyrene(PS)foam.Under sunlight,the evaporation rate at the gas-liquid interface reached a record 2.305 kg/(m2h),which is attributed to the excellent thermal insulation performance of PS foam at the gas-liquid interface.The existence of porous sponge accelerated the dissipation of steam.In addition,the excellent seawater desalination performance of the steam generator has also been confirmed.The ion concentration of wastewater before and after distillation was measured by inductive coupled plasma(ICP)emission spectrometer,which confirmed that the mass concentration of Na+,Mg2+,K+and Ca2+in distilled water decreased significantly,far below the World Health Organization(WHO)drinking water standards.This work provides an efficient alternative method for solar steam generation for the desalination and purification of seawater and industrial wastewater.Key words flower-like photothermal steam generation system;photothermal conversion;printing and dyeing wastewater传统的太阳能蒸馏器由于对整个水体进行加热促进水蒸发，普遍存在光-热-蒸汽转换效率低的问题。近年来，立足于整体材料制作石墨烯气凝胶1-2、复合膜材料3-4、碳布5等光热转化材料，利用太阳能对水/空气界面进行局域加热，进而驱动水迅速蒸发，大大提高了蒸汽产生效率。投稿日期：2023-04-23作者简介：眭瑜瑾（1995），女，江苏丹阳人，工程师，硕士；研究方向：纺织行业管理。摘要气-液界面太阳能驱动水蒸发是一种新兴的、有前途的技术，这种技术在太阳能应用中具有无限的潜力，如海水淡化、净化、杀菌等。商用聚氨酯海绵是一种生活中常见的低成本日用品，其多孔结构为水道和蒸汽逸散提供了天然的通道。基于此，文章提出了以调整海绵表面形态为基础的太阳能蒸发器，以促进太阳能蒸汽的产生，描述了一种由低成本再生材料制成的有效的花状光热蒸汽发生系统，如海绵、炭黑（粉末）、棉条和绝缘聚苯乙烯（PS）泡沫。在太阳光照射下，气-液界面蒸发速率达到了创纪录的2.305 kg/（m2h），这归功于PS泡沫在气-液界面优异的隔热性能，多孔海绵的存在加速了蒸汽的消散。此外，该蒸汽发生器优良的海水淡化性能也得到了证实，通过电感耦合等离子体（ICP）发射光谱仪测定蒸馏前后废水的离子浓度，证实蒸馏水中Na+、Mg2+、K+和Ca2+质量浓度明显降低，远低于世界卫生组织（WHO）饮用水标准。这项工作为海水和工业污水的淡化和净化提供了一种高效太阳能蒸汽产生的替代方法。关键词花状光热蒸汽发生系统；光热转化；印染废水中图分类号：TS190.3文献标志码：ATechnology科技FANGZHI BAOGAO26纺织报告|FANGZHI BAOGAO商用聚氨酯海绵是一种生活中常见的低成本日用品，其多孔结构为水道和蒸汽逸散提供了天然的通道。本研究以聚氨酯海绵为基底，以炭黑（Carbon Black，CB）纳米颗粒作为光热转换材料，将沉积炭黑的海绵与棉条、聚苯乙烯泡沫一起组装成三维太阳能驱动气-液界面局部水蒸发装置，表征了海绵表面形貌，探究了沉积炭黑海绵的润湿性，分析了水蒸发性能及其对盐水、海水和染厂废水的处理成效。1 实验部分1.1 实验材料商用聚氨酯海绵（平均孔径为350 m、孔隙度为93.38%、密度为28.09 mg/cm3）由无锡脱普日用化学品（中国）有限公司提供；聚苯乙烯（Polystyrene，PS）泡沫和棉条源于商业废料。1.2 实验试剂实验所用化学试剂如表1所示。1.3 实验仪器实验中所需设备如表2所示。1.4 太阳能蒸汽发生器的制备与搭建1.4.1 花状海绵的制备与前处理运用电热丝切割机将聚氨酯海绵制品切割成数个半径1.00 cm、高度3.00 cm的柱体，一半柱体的表面运用切割机切有花状纹路，另一半未切纹路作为对照组。将切割好的聚氨酯（Polyurethane，PU）海绵样品置于质量分数为99.00%的乙醇溶液中，保持完全浸没，进行超声处理30 min后取出，继而置于去离子水中清洗。重复此操作3次，将海绵制品置于烘箱中55 烘至恒重，放入密封袋中保存备用。1.4.2 光热转化材料的制备称取3 g聚乙烯吡咯烷酮作为中性分散剂，经搅拌溶于600 mL去离子水中，加入5 mL乙酸调节pH为弱酸性，加入6 g炭黑纳米颗粒，在搅拌的条件下加入4 mL质量浓度为2 g/L的多巴胺盐酸盐（Dopamine，DA）制备分散液（CB-DA）。加入待用的花状海绵与常规柱状海绵，放入超声清洗器中超声20 min，令分散液充分扩散进海绵内部，取出样品，使用去离子水清洗，去除残留在样品表面的炭黑纳米颗粒。重复此操作3次，最后将样品置于55 烘箱中烘干至恒重，将制备好的花状海绵制品命名为炭化花状海绵（Patterned Carbonized Sponge，PCS），没有纹路的常规柱状海绵命名为炭化海绵（Carbonized Sponge，CS），未经处理的样品命名为空白海绵样品（Blank Sponge，BS）。1.4.3 太阳能蒸汽发生器的搭建整个太阳能蒸汽发生器系统由3个部分组成，制备好的PCS与CS作为光热转化材料，PS泡沫作隔热层，长10.00 cm、宽3.00 cm的棉条充当水道。由PCS组成的太表1 实验试剂药品种类规格来源炭黑纳米颗粒2630 nm国药集团化学试剂有限公司多巴胺盐酸盐化学纯国药集团化学试剂有限公司无水乙醇分析纯常熟市杨园化工有限公司乙酸化学纯国药集团化学试剂有限公司聚乙烯吡咯烷酮化学纯国药集团化学试剂有限公司表2 实验设备设备名称型号生产厂家场发射扫描电子显微镜Hitachi S-4800日本 Hitachi 公司电子天平AL104梅特勒-托利多仪器有限公司真空干燥箱DZG-6021上海森信实有限公司紫外可见近红外光谱仪UV3600岛津企业管理有限公司红外热成像仪SEEK Compact Pro美国 Seek Thermal 公司氙灯模拟日光光源PLS-SXE300/300UV北京泊菲莱科技有限公司辐照计FZ-A北京师范大学光电仪器厂电热丝切割机D3苏州荣特机电有限公司超声波清洗器DS-8510DTH上海生析超声仪器有限公司等离子体光谱仪U-3310日本 Hitachi 公司眭瑜瑾：基于花状海绵的太阳能蒸汽发生器的制备与性能研究纺织报告|FANGZHI BAOGAO27阳能蒸汽发生器系统命名为PCS-PS，由CS组成的太阳能蒸汽发生器命名为CS-PS。太阳能蒸发器搭建过程如图1所示。图1 太阳能蒸发器搭建过程1.4.4 附着炭黑的花状海绵光热材料润湿性能测试本实验依据样品被润湿前后温度的不同来测试所制备海绵样品的润湿性能。SEEK Compact Pro红外成像仪可以探测并且记录下光热转化材料表温变化。本实验将太阳能发生器侧切1/2，从侧面观察水流流向情况。1.4.5 太阳能驱动气-液界面水蒸发测试太阳能驱动气-液界面水蒸发测试装置如图2所示，将PCS（半径1.25 cm）与CS（半径1.20 cm）分别置于中间开孔的PS泡沫（半径1.30 cm、厚度3.00 cm）上端，将一条长10.00 cm、宽3.00 cm的棉条由开孔处与PCS接触。将太阳能蒸汽发生器置于装有100 mL水的烧杯中，棉条伸入水面以下。整套装置在进行水蒸发实验时被放置于分析天平上，该天平与电脑相连，在氙灯光源照耀下可以监测和记录实时的水分损失情况。图2 太阳能驱动气-液界面水蒸发的测量装置2 测验与表征方式2.1 场发射扫描电子显微镜（FESEM）本实验运用产自日本Hitachi公司的S-4800型号场发射扫描电子显微镜（Field Emission Scanning Electron Microscope，FESEM），分别对沉积炭黑纳米颗粒前后的海绵样品进行表层微观形貌的探测。探测之前需对样品进行喷金，以改善样品的导电性能。2.2 紫外-可见-近红外光谱（UV-Vis-NIR）本实验使用产自日本岛津公司UV3600型紫外-可见-近红外光谱测试仪探测沉积炭黑纳米颗粒前后的海绵样品透射光谱和反射光谱，根据下式可以计算出沉积炭黑纳米颗粒的海绵样品对阳光的吸收率。A=1RT式中：A是吸收率；R是反射率；T是透射率。2.3 花状海绵的润湿性能测试本实验利用样品被水润湿前后表温不同的特点，使用产自美国Seek Thermal公司的SEEK Compact Pro红外热成像仪记录花状海绵的润湿过程，探测和表征经水润湿前后样品表面温度变化。2.4 蒸发盐水实验进行沉积炭黑纳米颗粒的海绵样品蒸发模拟海水实验及循环稳定性测试。2.5 真实海水和印染厂、助剂厂废水测试本实验使用产自美国利曼公司的电感耦合等离子体发射光谱仪（Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer，ICP-OES）对真实海水以及印染厂、助剂厂废水蒸发实验前后水体中各项离子质量浓度进行了测量与表征。3 结果与剖析3.1 附着炭黑纳米颗粒花状海绵的FESEM分析CB沉积在PU海绵上的过程如图3（a）所示，在此过程中，将一块未经任何处理的空白海绵制品直接浸入CB-DA分散液中，在pH为3的条件下进行超声处理，此时，DA的部分氧化物能有效将CB粘结在PU海绵骨架上6。图3（b）和（e）展示了空白PU海绵（BS）和沉积CB后的海绵（CS）的数码照片。CS在视觉上变黑是由于CB纳米颗粒被粘结在BS的表面。图3（c）和（f）显示了PU海绵在被处理前后有相似的宏观网络结构。这些网络结构能作为蒸汽逸散通道保证产生的蒸汽快速逸散。当FESEM图像被拉大时，由图3（g）可以看出，PU海绵表面均匀致密地沉积一层CB纳米颗粒。相反，BS样品呈现出更为平整光滑的表面，如图3（d）所示。眭瑜瑾：基于花状海绵的太阳能蒸汽发生器的制备与性能研究28纺织报告|FANGZHI BAOGAO3.2 附着炭黑纳米颗粒花状海绵的UV-Vis-NIR分析本实验运用产自日本岛津公司的UV3600型紫外-可见-近红外光谱测试仪探测沉积炭黑纳米颗粒前后海绵样品的透射光谱和反射光谱。由图4可见BS和CS的反射光谱（a）、透射光谱（b）和吸收光谱（c）曲线。和BS相比，CS在全光谱范围（1902 600 nm）展现出出色的光吸收能力，透射率（0.50%）几乎可以忽略，反射率也极低（3.00%）。吸收率计算公式见2.2。CB纳米颗粒是高效吸收阳光的主要因素，同时，PCS中表面花状纹样以及海绵自身网状骨架进一步增强了阳光在材料中的漫反射，提高了对阳光的吸收率。（a）炭黑纳米颗粒沉积在聚氨酯海绵表面；（b）未沉积海绵数码照片；（c）（d）未沉积海绵SEM图像；（e）沉积后海绵数码照片；（f）（g）沉积后海绵SEM图像图3 CB沉积在PU海绵上的过程示意图4 沉积前后海绵样品对光的反射率（a）、透射率（b）和吸收率（c）眭瑜瑾：基于花状海绵的太阳能蒸汽发生器的制备与性能研究纺织报告|FANGZHI BAOGAO293.3 沉积炭黑纳米颗粒花状海绵的润湿性能测试为了更好地评估PCS的可润湿性能，本实验使用一台红外照相机记录蒸发过程中的水流流向来表征PCS的可润湿性能。由图5可知，热水由于棉条的毛细效应沿着棉条往上传输，PCS整体也逐渐被加热成黄绿色，表示在3 min内水分完全进入PCS中，表明PCS-CS水分蒸发系统具备优良的水分传输通道，保证高效的水分蒸发。因此，当PCS被照射加热时，水分一旦被传输上来就能快速被蒸发进入空气中。3.4 太阳能驱动气-液界面水蒸发系统循环稳定性能测试为了更好地表征盐水脱盐性能以及PCS-PS的耐久性和稳定性，制备了含3.50%NaCl的盐水来模拟海水，以重复进行太阳蒸汽产生实验。一个PCS-PS和一个CS-PS系统被放置在盐水表面，同时，另一个PCS-CS系统被放置在纯水表面。所有样品在一个太阳照度下被照耀1 h后马上烘干以备下一次循环。3种不同条件下样品的蒸发速率经过20次循环后保持稳定，表明了PCS-PS和CS-PS不论是在盐水还是在纯水中都具有很强的耐用性，如图6（a）所示。为了进一步测试两种系统的蒸发性能，本实验对置于盐水表面的PCS-PS和CS-PS进行了连续8 h的照射，维持在一个太阳照度，蒸发速率维持恒定进一步表明了这些太阳能蒸汽发生器具有良好的耐用性。3.5 真实海水和印染厂、助剂厂废水实验为了处理印染的废水，4种助剂厂和染厂废水（助剂厂处理前后废水、染厂处理前后废水）被用来进行净化实验。在活性染料的染色过程中，需要向染料溶液中加入大量的盐以促进染色，会排除大量含盐废水7。助剂工厂生产大量的整理剂，这些整理剂也会产生大量的盐水来排放。本实验主要追踪净化前后Na+质量浓度，以探究系统净化水的性能。4种样品净化前后Na+质量浓度标注在图7（a）中，处理后的Na+离子浓度明显下降到远低于WHO和EPA设定的标准质量浓度。为了探究PCS-PS太阳能蒸汽发生系统的真实脱盐能力，一种真实海水样品（黄海，中国）被用来测试。脱盐前后海水中4种基本离子（Na+、Mg2+、K+、Ca2+）质量浓度通过ICP-OES被测试出来，如图7（b）所示，经过PCS-PS（a）在一个太阳照度下，PCS-PS和CS-PS系统连续进行20次实验，以探究其循环稳定性；（b）在一个太阳照度下，PCS-PS和CS-PS系统连续8 h蒸发盐水，以探究其可重复使用性能图5 在蒸发过程中水传输路径的示意图（a）和随时间变化的红外图片（b）图6 太阳能驱动气-液界面水蒸发系统循环稳定性能测试眭瑜瑾：基于花状海绵的太阳能蒸汽发生器的制备与性能研究30纺织报告|FANGZHI BAOGAO脱盐后，海水中4种基本离子质量浓度大幅度降到一个很低的水平。4 结论本实验利用沉积炭黑纳米颗粒的花状廉价聚氨酯海绵作为光热转化材料，与棉条和聚苯乙烯泡沫搭建成为太阳能气-液界面蒸发系统。通过一系列实验研究了该系统局部水蒸发效果和耐用性，得出以下结论。（1）根据多巴胺的黏附性能，将CB沉积在聚氨酯海绵骨架上并用热丝切割机将海绵表面切成花状，制备了沉积炭黑的花状海绵（PCS）。通过FESEM可以看出CB颗粒致密而均匀地附着在海绵骨架表面。（2）本实验制备的PCS具有优良的牢度、96.50%的全光谱光吸收能力和极佳的润湿性能。亲水性棉条保证水分通过毛细作用力快速地自下而上流过微通道。一维水路（棉条）大大降低了水体与PCS直接接触的可能性，并减少了传导热损失，充分利用了热量。（3）本研究制备的PCS-CS系统太阳能蒸汽发生器在一个太阳照度下呈现出较高的蒸发速率，即2.26 kg/（m2h），即使经过20次循环，性能也没有发生太大改变。（4）PCS-CS系统也具备出色的脱盐性能。经净化后，海水中的Na+、Mg2+、K+、Ca2+质量浓度显著低于WHO设定的饮用水标准。这项工作提供了一种替代方法，可用于生产高效的太阳能蒸汽，以进行海水和工业污水的脱盐和净化。参考文献1 FU Y，WANG G，MEI T，et al.Accessible graphene aerogel（a）分别来自印染厂、助剂厂处理前后的废水经冷凝收集后水体中Na+质量浓度变化；（b）蒸发冷凝前后海水中4种离子质量浓度变化图7 真实海水和印染厂、助剂厂废水测试for efficient harvesting solar energyJ.ACS Sustainable Chemistry&Engineering，2017（6）：4665-4671.2 HU X Z，XU W C，ZHOU L，et al.Tailoring graphene oxide-based aerogels for efficient solar steam generation under one sunEB/OL.（2016-11-25）2023-05-20.https:/ BAE K，KANG G，CHO S K，et al.Flexible thin-film black gold membranes with ultrabroadband plasmonic nanofocusing for efficient solar vapour generationEB/OL.（2015-12-14）2023-05-20.https:/ CHEN M，WU Y，SONG W，et al.Plasmonic nanoparticle-embedded Poly(p-phenylene benzobisoxazole)nanofibrous composite films for solar steam generationJ.Nanoscale，2018（13）：6186-6193.5 LI H，HE Y，HU Y，et al.Commercially available activated carbon fiber felt enables efficient solar steam 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