光熱材料-木材太陽能驅動界面蒸發器研究進展

潘 琪,李 靜,閆良國

(濟南大學 水利與環境學院,山東 濟南 250022)

太陽能是地球上最主要的能量來源,每年太陽照射到地球上的總輻射量大約為3.4×106EJ,相當于全球年總能耗的7 500多倍[1]。水是生命之源,盡管地球的總水量相當大,但淡水數量只占2.5%,并且全世界近40億人口每年至少1個月需要面對十分嚴重的水資源短缺情況,因此,充分利用豐富的太陽能,有效開發利用海水補充淡水資源已成為必然趨勢[2]。

太陽能驅動界面蒸發是近年來發展起來的一種十分有前景的低能耗淡水生產技術[3]。該技術是將光能轉化為熱能,在界面處加熱水分子以產生蒸汽,冷凝后產生淡水的技術[4]。太陽能驅動界面蒸發技術可以從海水、咸水或污水中生產清潔的淡水,具有節能環保、低成本以及規?？烧{節等優點,應用前景十分廣闊[5]。

木材作為一種天然的環保多孔材料,具有來源廣泛、種類豐富、導熱系數低等優點,已成為太陽能驅動界面蒸發技術的理想基體材料之一。通過對木材表面涂覆光熱轉換粉體材料或改性,可以制備出性能良好的蒸發器[6]。隨著先進納米技術和材料科學的快速發展,各種光熱材料已被設計成具有高效光吸收能力的功能性納米結構[7]。為了增強蒸發器的光熱轉換和蒸發性能,光熱納米粉體材料可以設計為由單個組分或多個組分組成,并且涉及多種光熱轉化機制。

本文中首先概述了太陽能界面蒸發技術的原理、用于蒸發器的光熱轉換粉體材料和木材基體以及結構設計,然后從木材結合碳基材料、金屬基材料、半導體、有機聚合物等方面綜述了光熱材料-木材蒸發器的研究進展,最后分析了該領域發展面臨的挑戰和未來發展方向。

1 太陽能界面蒸發技術

近年來,隨著納米材料的不斷發展,為了解決傳統太陽能體相蒸發模式的能量利用率低的問題,人們逐漸提出并改進了新型的太陽能驅動界面蒸發技術。置于裝置表面的光熱材料可以有效收集太陽光并轉換為熱量,為水蒸發提供能量,裝置內部的多孔基體材料在傳輸水的同時,依靠自身優異的隔熱性能,極大地減少熱量的損失,從而實現水的高效蒸發。與傳統的海水淡化技術相比,該技術在蒸發效率、清潔能源利用、環境友好等方面具有優勢,因此,太陽能驅動界面蒸發技術是解決淡水資源短缺的一種很有前途的方法[8]。

1.1 工作原理

太陽能驅動界面蒸發的整個工作過程如圖1所示,主要包括:1)入射陽光被蒸發器的吸光層吸收并轉換為熱量; 2)在毛細力作用下,水從蒸發器基體的底端輸送至吸光層; 3)吸光層加熱蒸發表面的水分子并產生蒸汽; 4)蒸汽蒸發冷凝后流向集水槽,實現淡水的收集。

圖1 太陽能驅動界面蒸發的工作原理

典型的太陽能驅動界面蒸發體系通常由吸光材料、基體、水體、入射太陽光、水蒸汽冷凝及收集裝置等部分組成(見圖1),其中由基體和光熱轉換材料組成的蒸發體是最主要的部分。在整個太陽光譜范圍內實現高效光熱轉換是邁向高性能太陽能驅動界面蒸發的第1步,為此需要選擇合適的光熱材料。此外,基體部分主要擔負系統水輸送和隔熱2個關鍵功能,對提高太陽能驅動界面蒸發性能有著十分重要的影響。

1.2 光熱材料

光熱材料是一種可以高效地吸收太陽能,從而將太陽能轉換為熱量的粉末狀物質[9]。置于蒸發裝置表面的光熱材料應擁有良好的光吸收性能,可以高效地吸收太陽能,并釋放出足夠的熱量,從而使裝置表面的溫度急劇升高[10]。目前,研究較多的光熱材料主要有金屬納米材料、半導體、碳基材料和有機聚合物等[11]。

當入射光的振動頻率與金屬電子的振蕩頻率相匹配時,光會引發金屬納米材料中電子的基體振蕩,從而產生熱電子,隨后熱電子又與入射光形成的電磁場產生共振,從而生成熱能[12],典型的金屬納米材料有Au、Cu、Ag[12-14]等。Huang等[12]使用具有納米鉆孔結構的金納米材料設計了一種新型等離子體吸收器,通過在單個納米粒子水平上合理調節其各向異性,使金納米結構在整個太陽光譜上表現出良好的光吸收能力,效率為92.9%。Zhu等[15]制備出包括Ag-Au雙金屬合金和碳納米材料的復合流體,光熱轉化效率分別比單金屬納米流體提高了1.94%和4%。

半導體的光熱轉換是電子-空穴對的形成和弛豫的結果,因種類繁多、成本低廉、易功能化等優點,被廣泛地應用到光熱轉換領域,典型的半導體材料有TiO2、CuS等[16-18]。例如,Zada等[17]研制出具有隨機尺寸分布的黑色TiO2(BTiO2)膜,經過還原處理的BTiO2具有大量的氧空位、表面紊亂和表面缺陷,在波長為250～2 500 nm范圍內具有完美的寬帶吸收能力,且具有優異的光熱效應,使太陽能產生效率達到77.14%。Cao等[19]合成了CuS-多壁碳納米管(CuS-multi walled carbon nanotube,CuS-MWCNT)復合材料,并制備了光熱轉換膜,該膜可以加速水向蒸汽的轉化,使蒸發效率達到95.0%。

碳基材料主要包括活性炭、碳納米管、石墨烯類等,利用分子熱振動將太陽能轉化成熱能[20-23]。該類材料來源廣泛,制作成本較低,對光的吸收率較高,因此被廣泛應用于太陽能驅動界面蒸發領域[24]。例如,Li等[22]采用氧化石墨烯和聚乙烯醇磷酸酯聚合物,通過水熱還原法制備了一種超吸水性的三維氣凝膠。石墨烯高效吸收太陽光,轉化為熱量并將其限制在蒸發層,聚乙烯醇磷酸酯高效地進行水傳輸,從而使該蒸發器的能量利用效率達124.8%,在1倍太陽光照強度(100 mW·cm-2)下的蒸發速率高達4.89 kg·m-2·h-1。Mnoyan等[25]通過使用簡單的過濾和噴涂方法,利用低成本材料活性炭制備了高效的光熱轉換層,光熱轉換效率到達85.66%。

有機聚合物材料的高靈活性、易成型性、生物相容性、穩定性等特征都是無機材料不具備的,是光熱材料的更為優異的選擇之一[26]。不僅如此,該材料的制備方式簡單,價格低廉,光吸收效率高,在光熱利用研究中得到了廣泛的應用。例如,He等[27]在聚合物多孔泡沫表面進行聚吡咯(polypyrrole,PPy)的界面聚合,構建了以Fe3O4-PPy二元光學系統為光吸收層、以聚合物多孔泡沫為多孔基底的蒸發器,在該蒸發器太陽能轉換過程中PPy表現出了優異的光吸收能力,效率為92%。

在上述光熱材料中,金屬納米材料、半導體和有機聚合物通常能夠顯著提高蒸發器表面的光熱轉換性能,但存在著原料成本較高、穩定性一般等缺點。碳基材料雖然光熱轉換性能略低,但具有原料成本較低、光熱性能穩定等優勢,是目前研究最多的吸光材料。

1.3 蒸發器基體

在太陽能驅動界面蒸發系統中,除了光熱材料外,基體材料的選擇也十分重要?；w不僅起到系統內運輸水分的作用,還應具備優異的隔熱能力以防止系統內熱量的散失,因此對材料內部空隙的排列與大小及其自身的親疏水性有嚴格的要求。一般來說,材料的水運輸能力和隔熱能力并不是相對獨立的2種因素,二者會相互影響。具有良好隔熱能力的材料,導熱系數會偏小,且材料的孔隙結構也會對其隔熱性能有一定的影響,因此,需要調控材料的水傳輸能力和隔熱性能,使整個系統發揮最優效果。在蒸發過程中,基體材料應有效控制輸入的水分,使其可以與光熱轉換材料所生成的熱量相匹配,從而使水分和熱量之間形成一種動態平衡,在熱量消耗完全的同時水分也剛好全部蒸發。

目前,已經有許多材料(聚氨酯、聚苯乙烯、纖維素凝膠、木材等[28])被選為基體材料,這類材料均具有親水、隔熱、多孔隙等優點。例如,纖維素泡沫不僅具有優異的水傳輸能力和隔熱能力,還可以促進系統內水分的快速蒸發[29];天然木材也因自身優異的孔徑分布以及隔熱性能用于太陽能界面蒸發的基體材料[30],主要原因包括:1)木材的構造中擁有由天然導管和篩管組成的孔隙結構,具備良好的水輸送能力; 2)通過簡單的表面改性后,木材可以具備優異的光吸收和光熱轉換能力; 3)木材作為一種儲備豐富的可再生資源,自身具有良好的親水性、水輸送能力和導熱系數低等特點。

木細胞由3種主要成分組成,分別為纖維素((C6H10O5)n)、半纖維素(由戊糖和己糖為單元構成的帶有支鏈的聚合物)和木質素(苯基丙烷為單元的聚合物),它們相互交織,提供了必要的機械完整性[31]。木材的親水性表面非常適合通過毛細作用將水輸送到受熱溫度較高的區域,即將水分從蒸發器的低端輸送到頂部熱層。木材中含量豐富的羥基可以與水形成氫鍵,從而降低水分的蒸發焓,但過強的親水性會導致水分在蒸發器頂部堆積,造成不必要的熱損失,導致蒸發效率降低以及鹽積累等問題,因此,通常通過控制木材的高度調控水分的運輸速率和蒸發速率,或通過提升木材表面的疏水性限制水的滲透[32-34]。

天然木材中豐富的孔隙結構有助于提高蒸發器的儲水能力,一般可提升至100%～170%,是一種優良的儲水和水傳輸介質[35]。此外,木材的多孔結構和低密度可以使其漂浮在水面上,使木材基太陽能蒸發器實現自漂浮功能[36]。木材內部的空隙結構主要包括軸向系統和徑向系統兩類,其中軸向系統負責在樹干中上下輸送水分,而徑向系統則負責從樹干到樹皮的水分運輸。這2個系統構成了一個具有許多微通道和納米通道的分級多孔網絡,有利于水分的擴散[37]。在這些孔隙結構的毛細管力驅動下,自由水可以沿著木纖維細胞或管胞在生長方向上移動或在交叉運輸路徑中沿著紋孔和木射線移動,因此,利用上述水輸送系統,可以將大量水連續泵送到木材蒸發器的蒸發表面[38]。

木材是一種隔熱材料,其導熱系數與木材密度呈線性正相關[36],且木材自身的形態結構特征使其具有獨特的各向異性導熱系數[39]。為實現高效的太陽能海水淡化,需要降低整個系統的熱損失。相比于傳統的二維界面蒸發,使用三維木材蒸發器可以將熱量局限在蒸發界面,從而減少向水體中的熱量損失。此外,三維設計的木材蒸發器可以通過構造較冷的蒸發界面,從環境中獲取熱量,減少了自然對流和環境輻射等引起的熱量散失[40],因此,通過木材蒸發器的合理設計,可以充分利用其隔熱性能和環境能量,是一種十分有應用前景的材料。

2 光熱材料-木材蒸發器結構設計

木材具有優異的多孔結構、超親水性、高強度質量比和隔熱性能良好等優點,是太陽能驅動界面蒸發系統的理想基底之一?；谀静牡恼舭l器在太陽能驅動界面蒸發的過程、成本、能源效率和環境可持續性等方面均展現出了巨大的潛力[41]。目前,從木質膜到木塊,從實心木到木顆?；蚰纠w維,各種類型的木材基蒸發器均得到了迅速發展[36]。

圖2所示為典型的光熱材料-木材蒸發器原理示意圖。木材基蒸發器通常由光熱轉換層和基底構成,見圖2(a)。頂層主要是由光熱材料組成的光熱轉換層,起到光吸收和光熱轉換的作用;底層由木塊構成,具有支撐光熱材料、將水輸送到蒸發器表面和防止熱量向水體傳導等作用。木質基底由大量的微納米通道構成,通過毛細力作用輸送水分[36]。在陽光照射下,除小部分光被散射外,大部分光均被光熱材料轉化為熱能。粗糙的蒸發器表面可以減少光散射,從而提升蒸發器的光吸收效率[42]。此外,針對材料和熱結構的設計可以將水傳導、對流和輻射造成的熱損失降至最低[43]。

(a)雙層木材蒸發器[36]

通過結構設計,可以改變木材蒸發器中光熱界面和水蒸汽運輸位置,使其性能發生變化,進而提升蒸發性能[44]。例如,Ghafurian等[45]設計了一種下層木材、中層脫木質素木材和上層鐵-鉛納米顆粒構成的三層木材基蒸發器,在3倍太陽光照強度(300 mW·cm-2)下的蒸發速率達到3.28 kg·m-2·h-1。Gan等[46]在木材基底上涂覆一層納米纖維,再沉積Fe3O4納米顆粒,并通過外部磁鐵的驅動使納米纖維形成一種具有高表面積和光吸收能力的三維花狀結構,該蒸發器在1倍太陽光照強度下的蒸發速率為1.39 kg·m-2·h-1。這些研究為組裝性能優異的木材蒸發器提供了新思路,但其工藝復雜和結構穩定性仍然是應用過程需要解決的主要問題。

蒸發器的2個表面一般都是親水的,能夠產生毛細作用,提高水傳輸效率,然而,過高的親水性會導致上表層形成較厚的水膜,不僅導致熱損失增加,還在生成蒸汽的過程中產生鹽結晶,從而降低蒸發器的蒸發效率。Kuang等[47]為了提高防止鹽結晶性能,開發了一種包含排鹽裝置的新型太陽能界面蒸發器,即在碳化后木材基底上鉆孔,從而得到一種實時自再生蒸發器,見圖2(b)。在太陽能海水淡化過程中,鉆孔孔道和木材孔道之間的鹽濃度梯度作為快速鹽交換的途徑,使得孔道中的鹽分被重新分布,因此,在連續太陽能蒸發海水淡化的過程中,與天然木材孔道相比,鉆孔孔道具有較高水力傳導率,進而產生更高的鹽稀釋速度,這是防止蒸發器中鹽積聚的關鍵。

3 光熱轉換粉體材料結合木材的太陽能界面蒸發器

光熱轉換能力是影響太陽能界面蒸發效率的關鍵因素之一,較高的光熱轉換效率可以促進更多蒸汽的產生[48]。木材自身的光吸收主要依靠木質素,所以其吸光率遠低于其他光熱材料[49]。為提高木材基蒸發器的光熱轉換效率,在其表面涂覆一層光熱轉換材料是一種有效的方法。這些材料一般呈黑色,具有較高的光吸收性,如介孔3D石墨烯[50]、煤瀝青碳點[51]、WO3-x納米棒[42]等光熱材料在木材基蒸發器的實驗中均表現出優異的光轉換效率。除此之外,石墨、蠟燭煙灰納米顆粒、墨汁等材料[52-53],雖然其效果相對較差,但因具有成本低、制備簡單、可擴展的優點,也成為研究熱點。

3.1 碳基材料與木材復合

木材表面炭化是形成光熱轉換層的一種簡單高效的方法,主要包括表面加熱、火焰煅燒和激光處理等[54]。木材表面的炭化程度、炭層結構以及炭化厚度均對炭化木材蒸發器的性能有顯著影響[42]。例如,Zhu等[38]對美國椴木表面進行簡單的表面炭化,形成獨特的雙層結構,在整個太陽光譜上的吸收率高達99%,當處于10倍太陽光強時,蒸發效率達到80.4%。

木材表面負載光熱轉換粉體材料也能夠提升蒸發器的光熱轉換效率。例如,田杰等[55]以三聚氰胺泡沫為3D支撐體,石墨烯-氧化石墨烯復合納米片為前軀體,制得3D石墨烯-還原氧化石墨烯-碳泡沫。該蒸發器在1倍太陽光照強度下的光吸收率可達到96.6%,蒸發速率為1.54 kg·m-2·h-1。

圖3所示為典型的碳基材料-木材蒸發器的制備原理示意圖。Chao等[56]將脫除木質素的木棉科輕木與木質素衍生的碳量子點結合在一起,設計了一種具有生態和經濟優勢的新型光熱蒸發系統,見圖3(a),蒸發速率為1.18 kg·m-2·h-1。該系統利用天然木材中低曲折度的管孔結構與優異的各向異性導熱系數的獨特性質,將脫木素處理后的木材作為太陽能蒸發體系基底; 同時為了實現木質組分的全內循環利用,通過一鍋法將脫除的木質素經過簡單的化學改性進行自組裝,成功制備了具有一定光熱轉換效率的木質素基衍生碳量子點,并原位修飾至脫木素木材內,實現了全木組分的高效循環利用。

(a)木質素衍生碳量子點-輕木蒸發器[56]

Hu等[57]將石蠟火焰不完全燃燒的碳納米顆粒原位沉積在松木表面,制得一種新型雙層太陽能蒸發器,見圖3(b)。該蒸發器在1倍太陽光照強度下的蒸發速率達到2.06 kg·m-2·h-1,光熱轉換效率達到90%,且長期穩定性好,自潔能力強,具有良好的抗酸堿能力。

3.2 金屬納米材料與木材復合

Aziznezhad等[58]將堿土金屬摻雜VO2納米粒子作為高效光熱材料涂覆在楊木上,用于太陽能蒸發,在1倍太陽光照強度下的蒸發效率達到93.45%,且在3倍太陽光照強度下的蒸發速率最高達到5.26 kg·m-2·h-1。

Zhu等[59]將銅基金屬有機框架材料(copper-based metal organic framework,Cu-MOF)涂覆在天然巴爾沙木表面形成木材蒸發器,Cu-MOF層緊密地附著在木材的頂部和底部表面,見圖4。低導熱率的木質基材負責連續輸水,頂面的黑色Cu-MOF提供了寬帶和強光吸收,而水下親水Cu-MOF層則具有高親水性。通過優化木材厚度改善了其蒸發效率,當木材厚度為10 mm時,該蒸發器的蒸發效率達到1.80 kg·m-2·h-1。

圖4 Cu-MOF-木材蒸發器示意圖[59]

3.3 半導體與木材復合

Song等[60]提出了一種上層疏水、下層親水的木材蒸發器,見圖5。首先用NaClO2脫除椴木中的木質素,以提高其潤濕性和熱性能,隨后在木材表面涂覆一層很薄的Fe3O4作為光熱轉換材料;同時為了提高木材和半導體之間的親和力,在吸收層中加入了聚乙烯醇分子(polyvinyl alcohol,PVA)。在20 ℃和60%相對濕度的條件下,該蒸發器在1倍太陽光照強度下的蒸發速率為1.3 kg·m-2·h-1,光熱轉換效率為73%。

圖5 Fe3O4-PVA涂層木材蒸發器的設計示意圖[60]

He等[61]將各種木材浸泡在單寧酸溶液中制得改性木材(Wood-TA),然后再浸入Fe2(SO4)3溶液中制得Wood-TA-Fe3+。該方法所制得的Wood-TA-Fe3+蒸發器在1倍太陽光照強度下的蒸發速率達到1.85 kg·m-2·h-1,且具有優異的穩定性和抗原油污染能力,在海水淡化中具有很好的應用前景。

3.4 有機聚合物與木材復合

Zou等[62]開發了一種精氨酸摻雜聚多巴胺和樟木相結合的復合材料,具有可生物降解和可持續發展的優點,具有十分廣泛的應用前景。該木材蒸發器具有優異的吸水性和透水性,在1倍太陽光照強度下的蒸汽產生效率約為77%,且能夠進行持久的蒸發(100 h)。

Wang等[63]通過吡咯在木材表面的原位聚合,開發了一種具有深色涂層的木材基太陽能界面蒸發裝置,見圖6。黑色PPy的負載顯著提高了木材的光吸收能力,使蒸發器從紫外線到近紅外區域(波長為300～2 500 nm)的寬波長范圍內具有較高的吸收效率(>90%),在1倍太陽光照強度下的蒸汽產生效率約為72.5%。

圖6 PPy涂層木材蒸發器示意圖[63]

將不同的光熱轉換粉體材料負載到木材上,實現了太陽能界面的高效蒸發,為綠色環保、性能優異的木材基蒸發器提供了新思路,但這些蒸發器的穩定性、對微生物的易感性以及簡化制備工藝仍然是后續研究和應用過程中需要解決的主要問題。

4 結論與展望

本文中綜述了太陽能界面蒸發技術及光熱材料-木材蒸發器的研究現狀,分析了不同光熱材料結合木材的蒸發器的結構設計和性能。

1)太陽能驅動的界面蒸發可以充分利用太陽能,通過光熱裝換,對海水、咸水、再生水等進行界面蒸發,是一種替代傳統加熱獲取清潔淡水的很有前途的方法。

2)選擇合適的光熱材料進行高效光熱轉換是高性能太陽能驅動界面蒸發的關鍵之一,碳基材料、金屬納米材料、半導體和有機聚合物是常用的光熱材料。

3)利用木材本身的優異性能進行結構與功能設計,不僅保留了其良好輸水性能和較低導熱系數等優點,還改善了其吸光率低及耐久性差等不足,進一步提升了太陽能界面蒸發器的性能,例如:對木材表面進行改性使其額外具備高效的寬帶光吸收和光熱轉換性能;將木材與各種光熱材料結合,提高了其對太陽光的吸收與轉換效率,進而提升蒸發效率;在木材基底鉆孔可以提高其防鹽結晶能力,有利于穩定長久使用。

4)基于光熱材料-木材的太陽能界面蒸發技術的研究,為生產潔凈水和解決淡水資源匱乏問題提供了新的思路,而且木材的來源廣,獲取成本低,十分適合制造蒸發器,從而節約成本,便于太陽能界面蒸發技術的普及與推廣。

木材基太陽能界面蒸發系統還處于實驗室研究階段,在實際開發和應用中仍存在一些問題。例如,木材表面光熱涂層復雜的制備工藝、高昂的成本以及高能耗問題,均會影響木材基蒸發器推廣與使用;與其他材料的蒸發器相比,目前的木材基蒸發器的蒸發速率和效率仍然較低;木材的某些預處理方法,如水熱處理、脫木素處理等,僅限于小尺寸的木塊,不利于木材基蒸發器的推廣與使用。

在今后的木材功能性研發及應用于太陽能界面蒸發過程中,應通過多種方式進一步改善蒸發器的各項性能。

1)針對木材光吸收效率低、負載吸光材料成本高的問題,應不斷研發新型光熱轉換材料,降低材料的制備成本以及制備難度,以獲得高光熱轉換效率的多功能性木材基太陽能蒸發器。

2)造成蒸發速率低的原因一是相變過程中液態水的等效蒸發焓較高,二是熱輻射和熱傳導造成的熱量損失占用了部分光熱轉化的熱量。為了提高蒸汽產生效率,可以調控木材蒸發器的結構(孔隙率、孔徑分布和曲折度),進一步研究并明確其傳熱和傳質機制,還可以控制木材的多孔網絡以匹配水的相變和蒸汽擴散的速率。

3)針對蒸發器的實用性問題,應嘗試將小木塊組裝成大木板蒸發器,以提高蒸發器的可擴展性。橫向組織(如凹坑和射線薄壁組織)可以通過垂直路徑將水泵送到生長方向,使用木材的橫截面作為蒸發界面,以提高其實用性。

利益沖突聲明(Conflict of Interests)

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻(Author’s Contributions)

潘琪、李靜、閆良國參與了論文的寫作和修改。所有作者均閱讀并同意了最終稿件的提交。

The manuscript was drafted and revised by PAN Qi,LI Jing and YAN Liangguo,all authors have read the last version of paper and consented for submission.