太阳能驱动的木基表面水蒸气发生器的制备及性能测试1)

杨林涛 李淑君 张显权 陈志俊

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

据了解，树木是地球上最大的生物工厂，维持着动物和人类的生命，在生态系统中发挥着关键作用。同时木材也是地球上最丰富的可再生资源之一，具有高机械强度、低成本和良好的可加工性[10-13]。这些垂直排列的微通道赋予了木材独特的孔径结构，树木依靠木材这些孔径结构不断地从土壤中吸收水分，从底部向顶部输送，最终通过蒸发释放到大气中。最近报道了由天然、丰富的生物质材料组成的水蒸发装置的相关研究工作：火焰处理木材[14]、CNT/木材复合物[15]、表层炭化木材[16]等。

椴木是一种性能优良的木材，其管孔均匀，极少有侵填体堵塞管孔，通量高，能够保证渗透均匀，导管有螺纹加厚，支撑性能好。根据树木的结构启发，本研究对椴木块进行了水热炭化处理，该方法炭化均匀、温和，降低了对木材的破坏，使其很少发生开裂和变形。通过简单反应过程一步法制取具有较高光学吸收及良好水输送能力的均匀炭化木(Uniform carbonized wood，UCW)，并探索了不同时间、不同温度对样品性能的影响。通过光热和水蒸发性能测试筛选出较优条件，并使用多种方法对原木和较优样品进行表征和分析，从而为均匀炭化木的高效水蒸发提供理论依据。相对于之前报道的研究来说，本研究的原材料丰富、制备过程简单、蒸发效果显著，可以证明均匀炭化木是一种很有前景的水蒸发材料。

1 材料与方法

实验所需椴木块，由杭州阿里巴巴网络技术有限公司提供，面积为4 cm×2 cm，厚度为2 cm。去离子水作为反应溶剂。

均匀炭化木的制备：将面积为4 cm×2 cm，厚度为2 cm的椴木块放到反应釜中，并加入30 mL去离子水，分别在100 ℃和140 ℃下反应8 h，180 ℃下反应3 h、5 h和8 h。反应结束后，将样品取出，并用100 mL去离子水冲洗表面3～5次；然后擦干表面的水，放到冷冻干燥机中冻干，即可获得均匀炭化木(UCW)，分别记作UCW1、UCW2、UCW3、UCW4、UCW5。

样品光热性能测试：将干态样品放入去离子水中充分浸湿后，在1个太阳光照强度下，用Testo869型红外热像仪每分钟记录一次样品表面温度的变化，持续20 min。以时间为横坐标，样品的表面温度为纵坐标作出曲线，并分析样品的光热性能。

样品水蒸发性能测试：将浸湿后的各个样品放入盛有20 mL去离子水的烧杯中，并放置在天平上，在1个太阳光照强度下，记录样品和水的总质量变化，每分钟记录一次，记录60 min。以时间为横坐标，单位面积上的质量变化为纵坐标作出曲线，并求出样品的蒸发速率。

扫描电镜(SEM)分析：将切好的原木和UCW5在荷兰Philips公司生产的FEI Sirion 200扫描电镜下测试微观形貌。

“思辨缺席论”者认为在英语传统教学模式的影响下，英语专业学生大部分时间都在进行记忆、模仿等机械性学习，很少有机会或者有意识进行批判性思考。教师们的正确引导会对学生的写作能力起到很大的作用，而大部分的教师只强调模仿，忽视了学生创新能力、提出疑问、分析问题并解决的培养。一味的模仿虽然学生在写作结构上有了很好的提升，却造成学生自己思辨能力的退化。因此教师要不断更新自己的认知结构和专业素养，采用有效的方法培养学生的思维能力，学生能够养成良好的思维习惯。

紫外-可见-近红外分光光度计(UV-Vis-NIR)分析：将粉末状的原木和UCW5在中国Agilent公司生产的Cary 5000紫外-可见-近红外分光光度计下，测试370～1 400 nm波长范围内的光吸收情况。

X射线光电子能谱(XPS)分析：采用美国Thermo公司生产的PHI5700型X射线光电子能谱分析仪，测量了原木和UCW5的C、O元素。

接触角分析：采用德国Krüss的DSA25液滴形状分析仪，使用5 μL液滴体积，在室温下测量UCW5弦切面的接触角情况。

热重(TG)分析：采用德国Netzsch公司生产的STA449 F3型热重差热综合分析仪，测量原木和UCW5的热稳定性。

2 结果与分析

2.1 均匀炭化木的性能测试

在1个太阳光照强度下照射20 min后，UCW1、UCW2和UCW5的表面温度基本稳定不变，分别由17.9 ℃，17.4 ℃和17.8 ℃的初始温度稳定在29.9 ℃，31.6 ℃和33.7 ℃，分别升高了12 ℃，14.2 ℃和15.9 ℃(如图1a)。同样在1个太阳光照强度下照射20 min后，UCW3从17.5 ℃升高到31.9 ℃，UCW4从17.4 ℃升高到32.6 ℃，UCW5从17.8 ℃升高到33.7 ℃，分别升高了14.4 ℃，15.2 ℃和15.9 ℃(如图1b)。结果表明：与其他反应条件下的样品相比，UCW5的光热转化效果较好。

在1个太阳光照强度下，UCW1、UCW2和UCW5蒸发速率分别为1.15、1.28和1.62 kg·m-2·h-1(如图2a)，与UCW1和UCW2相比，UCW5的蒸发速率分别增长了40.87%和26.56%。UCW3、UCW4和UCW5蒸发速率分别为1.41、1.53和1.62 kg·m-2·h-1(如图2b)，与UCW3和UCW4相比，UCW5的蒸发速率分别增长了14.89%和5.88%。结果表明：与其他反应条件下的样品相比，UCW5的蒸发速率较高，水蒸发性能较好。

2.2 均匀炭化木的结果表征

2.2.1 SEM分析

为了探究原木和UCW5内部形貌和结构的变化，对原木和UCW5的横、弦切面进行了SEM分析。从原木和UCW5的横切面SEM可以看出，木材炭化处理后仍然保留了木材本身的结构，比如一些导管及管胞，这些通道有利于水的输送，并且UCW5的整体形貌保存完好、无碎裂情况发生(图3a、3c)。从原木和UCW5的弦切面SEM可以看出，在UCW5的导管中有一些球状物，可能是高温反应下，木材中的一些糖类被降解(图3b、3d)。

a.原木横切面；b.原木弦切面；c.UCW5横切面；d.UCW5弦切面；刻度尺=40 μm。

图3原木和UCW5的SEM图

2.2.2 UV-Vis-NIR分析

为了探索原木和UCW5的光学性质，由图4中原木和UCW5的UV-Vis-NIR图可以看出，在380～780 nm可见光范围内，原木光吸收率在30%左右。经过水热炭化处理后的UCW5，表面颜色加深，光吸收率明显提高，达到60%左右，是原木的两倍。在780～1 400 nm的近红外光范围内，UCW5的光吸收率也明显高于原木的光吸收率。结果表明：与原木相比，UCW5的光吸收率明显提高、光吸收能力明显增强，为光热转化的进一步实现奠定了基础。

2.2.3 XPS分析

为了明确水热炭化处理对木材化学结构的影响，对原木和UCW5进行了XPS分析。从原木总峰和UCW5总峰的对比可以看出，经过水热炭化处理后，UCW5的C、O元素的比例明显降低，更有利于与水形成氢健，促进水的吸收。这种结果可能归因于，高温水热处理过程使木材中部分组分发生水解，而炭化由于条件较温和、脱水炭化不足(图5a，5d)。

在原木和UCW5的C1s分峰拟合中，一共分出4种类型的C峰，大约分别在284.8、286.3、288和289.1 eV处，对应着—C—H/—C—C、—C—O—C/—C—O—H、—CO/—O—C—O—和—O—CO这4种不同类型的C，分别记为C1、C2、C3、C4[17]。C1的谱峰主要来自于具有木质素的苯基丙烷结构以及脂肪酸、脂肪、蜡等碳氢化合物和萜类化合物等木材抽提物；C2的谱峰主要来源于纤维素、半纤维素,以及木质素等分子中与单个氧相连的碳原子；而纤维素和半纤维素分子中的缩醛结构和木质素中的羰基具有C3结构特征；半纤维素分子中的乙酰基、葡萄糖醛酸基和抽提物树脂酸、脂肪酸等物质具有C4结构特征。比较原木和UCW5的C1s峰可以发现，在原木中C1的数量远远高于C2的含量，而在UCW5中C1的数量只是略高于C2的含量，分析其中原因，可能是水热处理使木材组分发生水解，使得—C—H/—C—C的数量减少，—C—O—C/—C—O—H的数量增加，进一步增加了亲水性基团的比例(图5b、5e)。

在原木和UCW5的O1s分峰拟合中，大约在531.5、532.8和533.4 eV处分出3种不同类型的O峰，分别记为O1、O2和O3，分别对应—CO、—C—O—C/—C—O—H和Ar—O[18]。从原木和UCW5的O峰对比可以看出，原木中O2和O3的数量基本持平，而在UCW5中O2的数量明显增加，与C峰的结果一致(图5c，5f)。

2.2.4 接触角分析

通过接触角分析来探究UCW5的亲水性，结果如图6所示。当5 μL的水滴刚刚滴在UCW5弦切面上时，接触角为40°，4 s之后，水滴被完全吸收了。同样5 μL的水滴刚刚滴在原始椴木弦切面上时，接触角为81°，6 s之后，接触角变为55°[19]。对比发现，经过水热炭化处理的UCW5，比原木具有更好的亲水性，更有利于对水的吸收和输送，进一步为UCW5的水蒸发提供了充足的水源供应。

2.2.5 TG分析

根据原木的TG/DTG曲线可以看出，原木的热解过程基本分为3个阶段。第一阶段为45～240 ℃，该阶段处于部分热降解及水分蒸发状态；在低温时，蒸发游离水及物理吸附水，随着温度的升高开始失去结晶水，进而内部开始发生热解反应。第二阶段为240～350 ℃，主要为原木的加速热解阶段；该阶段纤维素发生降解，同时伴随着半纤维素的大量热降解，于是分解速率随温度的升高而加快，到350 ℃是达到最大值。第三阶段为350～530 ℃，此阶段原木中纤维素已大部分发生降解，只剩下少量的纤维素继续发生热解反应，分解速率随温度的升高而减缓，到530 ℃时分解结束(图7a，7b)。

与原木相比，UCW5的热重曲线与较大的不同，3个阶段的温度分别是45～288 ℃、288～350 ℃和350～598 ℃。第一阶段(45～288 ℃)也是由水分蒸发和部分热降解引起的质量损失，降解过程较为缓慢。第二阶段(288～350 ℃)为UCW5的主热解阶段，UCW5的分解速率随着温度的升高而加快，在350 ℃时达到最大值。第三阶段(350～598 ℃)为UCW5的降速热解阶段，一直到598 ℃时UCW5才降解完全。相比较而言，尽管UCW5最大热解速率较大，但是UCW5的主热解阶段(288～350 ℃)相对于原木(240～350 ℃)来说窄很多。原木在530 ℃时就完全分解，而UCW5最终结束温度可以达到598 ℃。因此，UCW5的整体热解速率偏低，热稳定性相对较好(图7a，7b)。

3 结论

椴木块以去离子水为溶剂，在均相反应釜中，100、140 ℃下反应8 h，180 ℃下反应3、5和8 h，得到5种均匀炭化木，分别记作UCW1、UCW2、UCW3、UCW4、UCW5。通过光热和水蒸发性能测试表明，UCW5的光热和水蒸发性能较好，在1个太阳光照强度下，浸湿的UCW5在20 min之后可以升高15.9 ℃。并且在1个太阳光照强度下，UCW5的水蒸发速率为1.62 kg·m-2·h-1，明显高于其他样品。可以得出：在本研究的条件中，反应温度180 ℃，反应时间8 h的条件较优，样品性能也较好。

SEM、UV-Vis-NIR、XPS、接触角和TG分析结果表明：水热炭化处理得到的样品，保留了原始椴木基本的形貌和结构，但由于高温炭化处理，导致表面颜色变深，内部部分糖类降解，并且反应过程发生水解，而脱水炭化不足，C、O元素比例下降，亲水基团相对含量增加，这使得UCW5的光吸收性能以及亲水性能进一步增强，更有利于UCW5对水分的输送和蒸发。而且UCW5主热解阶段相对较窄，总热解速率相对较低，具有一定的热稳定性。研究结果进一步证明了UCW5可以作为一个很好的光热转化材料，在水蒸发方面有巨大的应用价值。