太阳能驱动多级海水淡化器件的设计及其集水率探究

蒋逸飞, 田焰宽, 戴 俊, 王学利,3, 李发学,3, 俞建勇,3, 高婷婷,3

(1. 东华大学 纺织学院, 上海 201620; 2. 江苏悦达棉纺有限公司, 江苏 盐城 224008;3. 东华大学 纺织科技创新中心, 上海 201620)

地球上水资源丰富,其中海洋是地球上最大的水库,占世界水总储量的96.5%[1-2],然而,海水资源难以直接被利用,所以多数地区匮乏的淡水资源一直制约着人类的生产和生活。如何将丰富的海水资源淡化值得深入研究,最常见的海水淡化技术有多级闪蒸、多效蒸馏和反渗透[3]。然而,传统方法一般能耗高,成本高,占地面积大,技术要求高[4],尤其在偏远落后地区难以实现良好的普及。近几年,太阳能界面光蒸汽转化技术逐渐兴起,其能源清洁无害,且能量利用率高,是迄今为止最环保高效的海水淡化方式之一[5]。尤其以该技术为基础研究制备的太阳能驱动海水淡化器件不仅结构简单,占地空间小,能量利用率高,而且对运行环境要求低[6],进一步推进了该技术的快速发展。

太阳能驱动界面光蒸汽转换技术是经过不断完善和发展而来的,与传统的太阳能驱动水处理技术相比,太阳能驱动界面蒸发技术可显著缩短蒸汽产生的响应时间,提高太阳能-蒸汽转化效率[7-9]。然而,虽然界面蒸发器具有了较高的蒸发速率[10],但这些蒸发器产生蒸汽的方向与太阳光吸收方向一般位于同一侧,这种配置不仅会使产生的蒸汽干扰光热层对太阳能的吸收,造成光热层表面的热量损失,而且当对蒸汽进行冷凝回收时,搭建的冷凝罩也会减少大量的入射光吸收,不利于水收集[11-13]。为解决这些问题,可将蒸发器配置改进为蒸汽产生方向与光热层吸收太阳能方向相反,该配置可有效消除输入太阳能的损失,同时减少热损耗;但是,由于单级器件对于能量的利用率有限,造成大量潜热的浪费,导致集水率不高,因此,通过多级设计回收潜热以提高产水量是目前界面蒸发技术的重要研究方向之一[14]。例如:Xue等[15]通过隔热和对太阳光进行选择性吸收来产生高温蒸汽,实现了高度局域化的界面加热,在一个模拟太阳光照下,二级装置实现了1.02 kg/(m2·h)的水收集率;Huang等[16]通过结合热集中设计和多级潜热回收结构,在一个模拟太阳光照下,最终通过潜热回收,设计的六级装置可有效提高产水量至1.84 kg/(m2·h)。产水量的提高主要是由于在热集中条件下各阶段的热效率更高,整个系统结构紧凑,能够以太阳能为热源,毛细管力供水,重力集水的高效被动运行。尽管目前的多级器件能高效回收利用潜热,但器件所用的材料昂贵且制备方法和结构复杂,最终的水收集率有待进一步提高。

本文以用紫铜板、碳纤维和亲水性粘胶基非织造布作为多级器件各级基材,制备光热性能优异、温度响应快的光热层,水运输和扩散能力优异的水运输通道和蒸发层,以期实现快速的水滴凝结和收集的冷凝层,为高效太阳能驱动界面蒸发器件的设计提供了一种新的思路。

1 实验部分

1.1 材料与试剂

聚丙烯板,东莞市信佳塑胶材料有限公司;紫铜板(纯度>99.9%),深圳市永圣五金模具有限公司;碳纤维(长度为1 mm), 沧州中丽新材料科技有限公司;商业用植绒聚酰胺绒毛纤维(长度为1 mm), 中山市沙溪镇佳华工艺印花材料行;可喷涂碳黑,希安斯贸易有限公司;棉基非织造布、粘胶基非织造布,浙江真邦实业有限公司;盐酸(36%～38%)、无水乙醇,分析纯,国药集团化学试剂有限公司;月桂酸,分析纯,上海泰坦科技股份有限公司。

1.2 太阳能驱动界面器件的设计思路

为解决目前的多级器件所用材料昂贵且制备方法和结构复杂、水收集率低的问题,本研究利用价格便宜且导热性能优异的紫铜板、光热效应优异的碳纤维和水运输性能优异的亲水性粘胶基非织造布构筑了如图1所示的多级界面蒸发器件。其工作原理如下:首先,在水运输通道的作用下,海水被运输到蒸发层的粘胶基非织造布区域;然后利用光热层优异的光热性能对贴附在光热层上薄蒸发层中的水分进行加热,产生水蒸气;接着水蒸汽遇疏水铜板冷凝层形成液滴,同时释放潜热,继续加热贴附于紫铜板冷凝层上的粘胶基非织造布蒸发层中的水,进行下一步的蒸发冷凝;最后收集各冷凝层中的纯净水,完成淡水收集的整个过程。因此,为实现高效的水收集,各部分的材料选择、多级冷凝层间距和蒸发器级数的优化至关重要。

图1 太阳能驱动多级海水淡化器件实物图及光蒸汽转化工作示意图Fig. 1 Demonstration of solar-driven multistage desalination device and schematic diagram of multistate steam generation and collection

1.3 多级蒸发器件光热层的设计与制备

拥有良好光热转换能力的光热层对获得高界面蒸发性能具有重要的决定作用[17]。碳纤维本身具有优异的光热效应[18],本实验中通过静电植绒技术(见图2)将其植绒在紫铜板表面以完成光热层的三维结构设计(碳纤维-静电植绒)。静电植绒装置的下级板和上极板分别接通高压和地线,利用电荷同性相斥、异性相吸的物理特性,使放置在下电极板上的碳纤维带上电荷,在静电电压的吸引下使碳纤维“飞”向上极板的涂有静电植绒胶的紫铜板表面,并形成高度定向的阵列结构,形成的三维取向结构可减少光反射,增加光程[19],从而增大太阳光吸收以实现更高效的光热转化,便于高效的水蒸发。本工作的相关植绒工艺参数为:静电电压45 kV,上、下极板距离7 cm,植绒时间15 s,植绒密度0.025 g/cm2, 通过该制备工艺得到碳纤维阵列结构(即碳纤维与基材的夹角接近90°,近乎垂直),其光热性能优异。对植绒后的样品,在一个模拟太阳光照下进行温度测试,测试时长为30 min,通过热电耦实时记录样品上、下表面的温度变化。另外,为验证碳纤维阵列结构的优势,本文还制备了碳黑涂层紫铜板和锦纶植绒紫铜板(聚酰胺纤维-静电植绒)作为对比。图3示出紫铜板处理后的实物样。

图2 静电植绒原理示意图Fig. 2 Schematic diagram of principle of electrostatic flocking

图3 紫铜板处理后的实物样Fig. 3 Purple copper plates after treatment. (a) Carbon black-spraying; (b) Polyamide fiber-electrostatic flocking; (c) Carbon fiber-electrostatic flocking

1.4 多级蒸发器件水运输通道与蒸发层选择

选用棉基和粘胶基非织造布进行芯吸高度测试,选用面密度分别是40、60、80、100 g/m2的非织造布进行测试,将非织造布裁剪为长21 cm,宽2 cm的试样进行实验,将试样夹持住使其在自然状态下与水平方向垂直,试样底部放置于盛满水的容器内,将试样最下端1 cm浸入水中进行30 min的测试,并用红外相机记录0、1、5、10、20、30 min时非织造布的芯吸高度。作为水运输层的非织造布需要有良好的芯吸能力,确保将水分均匀、快速运输。完成芯吸高度测试后选择芯吸能力最佳的非织造布进行水扩散测试。取1 mL水滴在圆形非织造布中心位置,用红外相机记录滴水后1、2、3 min时水扩散的范围。

1.5 多级蒸发器件冷凝层的疏水处理

在以前的工作中,水蒸汽在冷凝层一般以水膜的形式存在,这不仅会造成潜热的大量损耗,而且不利于水收集。冷凝层的疏水处理可使水蒸汽在冷凝层以液滴的形式存在,可在重力的作用下快速滑落,减少热损耗。为使紫铜板冷凝层具有较好的疏水性,首先用盐酸超声清洗紫铜板以除去其表面杂质,然后,用5%月桂酸乙醇溶液对其进行疏水处理,通过调控疏水的时长以确定紫铜板能获得最佳疏水性的时间。研究不同改性时长下紫铜板的表面状态,再用水接触角测量仪测量其水接触角,并进行疏水性对比。

2 结果与讨论

2.1 不同光热层的光热效应探究

在一个模拟太阳光照下,通过热电耦对各种光热层上下表面进行实时温度测量,结果如图4所示。由图可知,碳黑-喷涂的上表面温度最高为68.3 ℃,对应下表面温度为66.7 ℃;聚酰胺纤维-静电植绒的上表面温度最高可达76.4 ℃,相对应的下表面温度为71.8 ℃; 碳纤维-静电植绒的上表面温度高达78.4 ℃,相对应的下表面温度为73.7 ℃。由实验结果可知:无论是与制备相对简便的碳黑-喷涂相对比,还是与同样利用静电植绒技术的锦纶相比,碳纤维-静电植绒蒸发层都表现出了更加优异的光热转化性能。这是由碳纤维优异的光热转换能力和静电植绒所形成的高度取向阵列结构协同作用的结果。另外,由于紫铜板优异的导热性能,上下表面温度差异小,保证了热量的高效传递,用于蒸发层的快速水蒸发,因此最终选择碳纤维-静电植绒作为器件的光热层。

图4 在紫铜板上进行喷涂或植绒处理后在一个模拟太阳光照下的温度变化Fig. 4 Temperature change under one sun illumination after coating or flocking on a purple copper plate.(a) Carbon black-spraying; (b) Nylon fiber-electrostatic flocking; (c) Carbon fiber-electrostatic flocking

2.2 非织造布面密度和基材对水运输的影响

太阳能驱动多级界面蒸发器件水运输层的特性对最终界面蒸汽转化性能有着重要的影响。经过30 min的测试,其中40、60、80、100 g/m2的棉基非织造布芯吸高度依次为8.0、9.0、11.0、11.5 cm;40、60、80、100 g/m2的粘胶基非织造布芯吸高度分别为16.1、17.0、18.1、18.2 cm(见图5)。

注:各小图中4个试样的面密度从左到右依次为40、60、80、100 g/m2。图5 不同面密度的棉基、粘胶基非织造布芯吸高度红外照片Fig. 5 Grams of wicking height of cotton-based(a), viscose-based nonwoven(b) fabric with different fabric density core absorb height infrared camera diagram

相对于棉,粘胶具有更好的导湿能力,因此同面密度的粘胶基非织造布具有更好的芯吸高度。另外,实验结果表明,对于棉基和粘胶基的非织造布而言,同种类的非织造布芯吸能力会随着其面密度的增加有一定的提高(见图6),这是由于非织造布在一定范围内随着其面密度的增加,单位面积内的纤维也会随之增多,导致毛细作用增强,从而提高了非织造布的芯吸高度。然而,当面密度达到一定数值时,非织造布的芯吸高度变化不大,其原因主要是:对于多孔性的非织造布而言,其芯吸效应是一种动态浸润现象,它不仅依赖非织造布本身的材料特性及相关参数,还取决于非织造布的几何特征。面密度的增加意味着非织造布孔隙率的下降,而织物中不同大小和形状的孔隙可以产生差动毛细效应,从而促进织物的导湿能力。因此,当面密度达到80 g/m2时,非织造布达到了面密度和孔隙率实现最大芯吸能力的最佳状态。

图6 不同面密度的棉基、粘胶基非织造布的芯吸高度对比图Fig. 6 Comparison of wicking height of cotton-based (a) and viscose-based(b) nonwoven fabrics with different fabric density

由于2种类型的非织造布面密度从80 g/m2增加至100 g/m2时,其最终芯吸高度无明显变化。为节省成本,选择面密度为80 g/m2的非织造布进行水扩散能力测试,如果如图7所示。经过3 min的测试,水在80 g/m2的棉基、粘胶基非织造布上扩散半径都为5～6 cm,即80 g/m2的棉基、粘胶基非织造布呈现出了相同的水扩散趋势。

图7 80 g/m2的棉基、粘胶基非织造布水扩散随时间变化的红外照片Fig. 7 Infrared camera diagram of water diffusion of cotton-based(a) and viscose-based(b) nonwoven fabrics at 80 g/m2 with time

因此,综合2种非织造布的芯吸能力和水在非织造布上的扩散能力,最终选择80 g/m2的粘胶基非织造布作为器件的水运输层材料。

2.3 紫铜板疏水冷凝层的优化

对疏水处理时长分别为0、1、2、3、4、5 h的紫铜板表面和水接触角进行研究发现,未经疏水处理的紫铜板水接触角为96°,改性时长为1、2、3、4、5 h后相对应的水接触角依次为100°、110°、121°、130°、133°(见图8),实验表明在一定范围内紫铜板的疏水性会随着疏水处理时长的延长有所增加,但经过4 h的疏水处理后,其疏水性变化不大。所以,为减少实验时间,最终以4 h作为冷凝层的疏水处理时长。

图8 不同疏水时长下紫铜板的表面形貌及其水接触角Fig. 8 Surface of purple copper plate and its water contact angle under different hydrophobic treatment times

为进一步观察月桂酸乙醇溶液对紫铜板的疏水处理情况,通过扫描电子显微镜(SEM)对未经疏水处理的紫铜板和疏水处理4 h后的铜板进行了表征,结果如图9所示。未经疏水处理的紫铜板表面较光滑,经过4 h疏水处理的紫铜板表面呈分级多孔的花瓣状。花瓣状纳米结构沉淀结晶在紫铜板表面, 紧密堆积的花瓣状结构增大了紫铜板的表面粗糙度,降低了其表面能,提高了紫铜板表面的疏水性。

图9 疏水处理前后紫铜板表面SEM照片Fig. 9 SEM images of purple copper sheet surface before and after hydrophobic treatment(×20 000). (a) Before hydrophobic treatment; (b) After hydrophobic treatment for 4 h

2.4 太阳能驱动多级界面蒸发器件水收集率优化

在确定各主要部分的材料后,为使器件水收集率最大化,需要优化结构设计让冷凝的水尽可能快地被收集。如果各单元层都是原始状态下与水平面平行排列,那冷凝得到的水无法自行滚落被收集。因此,在冷凝层进行疏水处理使其具有超疏水性后,沿着中间轴进行一定角度的倾斜,使得冷凝的水滴在重力作用下自行滑落进行收集,从而有效降低热量损耗,提高器件的集水率。

首先,组装一级太阳能驱动界面蒸发器件以探究在一个太阳光照下不同间距的水收集率。在确定最优间距后,组装太阳能驱动多级界面蒸发器件,并进行多级器件水收集率的探究。随着间距的增大,水收集率先增加后减小,最终在一个模拟太阳光照下,当间距为3 mm时,一级太阳能驱动界面蒸发器件水收集率最高为0.39 kg/(m-2·h)。单级水收集率与能量的利用率息息相关,当间距过小时,会造成更多的潜热损耗,然而当气隙距离过大时,会增大蒸汽扩散阻力,并且降低冷凝速率,也会造成水收集率的下降[20],如图10所示。

图10 一级器件在不同间距下的集水率Fig. 10 Water collection rate of single devices at different separation distance

在确定单级界面蒸发器件的最佳间距为3 mm的情况下,再通过逐级增加级数以探究器件的水收集率,随着器件级数的不断增加,由于可回收利用的潜热是逐级递减的,在运行过程中,前一级释放的潜热用于驱动下一阶段的蒸发[21],从而产生更多的蒸汽和水,最终将器件级数累积到十级时,其集水率达到了2.05 kg/(m2·h),如图11所示。进一步增加级数至十二级和十五级发现,水收集率增加不明显,基本趋于稳定,因此,为减少制造成本和复杂性,最终选择了十级界面蒸发器件的构筑。

图11 太阳能驱动界面蒸发器件不同级数的集水率Fig. 11 Water collection rate of solar driven interfacial evaporation devices at different stages

该工作制备得到的淡水收集器件不仅性能优异,而且材料便宜易得,搭建方法和器件结构也相对简单,相比较于目前报道的多级器件(见表1)具有一定的优势,在未来的工业化生产中具有较大的前景。

表1 不同多级器件工作的对比Tab. 1 Comparison of different multistage devices

3 结 论

本文工作通过材料设计和结构优化,开发了一种十级太阳能驱动界面蒸发器件用于高效水收集,具体结论如下:

1)本工作设计的器件光热层通过在紫铜板上植绒碳纤维获得,在一个模拟太阳光照下,其上表面温度高达78.4 ℃,相对应的下表面温度为73.7 ℃,确保为蒸发层提供足够的能量。

2)器件选择粘胶基非织造布同时作为水运输通道和蒸发层,作为水运输通道时,其垂直芯吸高度高达18 cm,水在非织造布上的扩散范围为5～6 cm, 确保与光热层协同作用下产生水蒸气。

3)器件的冷凝层通过对紫铜板进行时长为 4 h 的疏水处理获得,疏水处理后其水接触角为130°,确保冷凝得到的净水可以快速滑落被收集,避免热量损耗。

4)在一个模拟太阳光照下,十级器件最终实现了2.05 kg/(m2·h)集水率,且其成本较低,有望成为偏远落后地区获取淡水的有效工具,这也为以后的光热蒸汽转换器件设计提供了一种新的思路。