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2D+3D供水的木基光热蒸发器及其性能评价

孙乐汀, 刘会娥, 陈爽, 于洁, 李婷

孙乐汀, 刘会娥, 陈爽, 等. 2D+3D供水的木基光热蒸发器及其性能评价[J]. 复合材料学报, 2025, 42(2): 854-862. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240416.002
引用本文: 孙乐汀, 刘会娥, 陈爽, 等. 2D+3D供水的木基光热蒸发器及其性能评价[J]. 复合材料学报, 2025, 42(2): 854-862. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240416.002
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SUN Leting, LIU Hui'e, CHEN Shuang, et al. Property assessment of wood-based photothermal evaporator with 2D+3D water supplying[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2025, 42(2): 854-862. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240416.002
Citation: SUN Leting, LIU Hui'e, CHEN Shuang, et al. Property assessment of wood-based photothermal evaporator with 2D+3D water supplying[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2025, 42(2): 854-862. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240416.002
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2D+3D供水的木基光热蒸发器及其性能评价

  • 中国石油大学(华东)　化学化工学院，青岛 266580

基金项目: 国家自然科学基金 (22078366)
详细信息
    通讯作者:

    刘会娥，博士，教授，研究方向为新型碳材料制备　E-mail: liuhuie@upc.edu.cn

  • 中图分类号: X703；TB332

Property assessment of wood-based photothermal evaporator with 2D+3D water supplying

  • College of Chemistry and Chemical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China

Funds: National Natural Science Foundation of China (22078366)

施引文献

    摘要
  • 摘要:

    近年来，随着经济和社会快速发展，全球淡水资源需求量不断增加，导致全球淡水资源愈加紧缺。海水淡化是目前解决淡水短缺问题最好的方式之一。为实现海水的快速蒸发，本文制备了高度为20 mm、碳化层厚度为3 mm的脱木素轻木木基光热材料(CDW)，通过SEM、FTIR、Raman光谱、UV-Vis-NIR吸收光谱等表征实验证实所制备的材料具有丰富的孔道和良好的吸光性能，有利于水的光热蒸发。构建2D+3D供水的小型光热蒸发器，采用吸水纸向光热材料供水，对所制备的CDW材料进行了光热水蒸发性能评价，所获得的平均蒸发速率为1.5310 kg/(m2·h)，较碳化原木有明显提升。通过与无供水情况下的光热实验对比，证实吸水纸能够稳定给材料提供水源；通过与材料直接接触水面的3D供水情况作对比，证实了2D+3D供水结构的优越性。

     

    Abstract:

    In recent years, with the rapid development of the economy and society, the global demand for freshwater resources has been continuously increasing, leading to an increasing shortage of freshwater resources worldwide. Desalination of seawater is one of the best ways to solve the problem of freshwater shortage recently. In order to achieve rapid evaporation of seawater, a photothermal material based on a delignified balsa wood (CDW) was prepared, which had a height of 20 mm and a carbonization layer with thickness of 3 mm. Characterization experiments such as SEM, FTIR, Raman, and UV-Vis-NIR absorption spectrum have confirmed that the prepared material has abundant pores and high solar absorbance, which is beneficial for photothermal evaporation. A small photothermal evaporator with 2D+3D water supplying paths, transferring water to the photothermal material using absorbent paper, was used to evaluate the evaporation performance of CDW. The average evaporation rate of the prepared CDW material is 1.5310 kg/(m2·h). The evaporation rate is higher than the directly carbonized balsa wood. The comparison between the above results and that without water supply confirmed that the absorbent paper can steadily supply water to the material. The advantages of the 2D+3D water supplying structure are also observed when compared with the 3D water supplying structure.

     

    • HTML全文

  • 近年来，随着经济和社会快速发展，全球淡水资源需求量不断增加，导致全球淡水资源愈加紧缺[1]。海水淡化是目前解决淡水短缺问题最好的方式之一。太阳能储量丰富、清洁无污染，是海水淡化所采用的能源首选。太阳能光热蒸发技术中利用光热材料加热界面水的方式可使热量局域化，减少热损失的同时提高光热效率[2-4]，因而备受关注。但该技术尚未实现推广应用，需要进一步深入研究。木材有多尺寸的孔隙[5]，且具有良好的亲水性、轻质的结构、用于水传输的固有通道及优异的隔热性等特点[6]。借助脱木素处理，可增强木材的亲水性，有利于水分的输送；借助高温碳化处理，可使木材表面颜色加深，吸光性增强，还可使其内部糖类降解导致部分孔径收缩[7]，加强毛细管作用，为表面蒸发提供充足的水分。由此可见，木材可以作为海水淡化的理想光热材料之一。

    轻木是硬木散孔材，管胞大小相差不大、年轮分布均匀，且密度较轻[8]。本文采取轻木作为基底材料，对其进行脱木素和上表面高温碳化处理，得到碳化脱木素轻木木基光热材料(CDW)。

    传统的蒸发器供水通道按维度可分为1D、2D、3D供水通道3种，并可将不同维度的供水通道进行组合[9]。1D供水通道因其水只能通过一条通路向上输送从而避免对流、辐射、传导造成的热损失，例如水母状蒸发器[10]和玫瑰状蒸发器[11]。2D供水通道将隔热层与水体分离来减少传导散热，例如用亲水纤维吸水[12]。3D供水通道能保持水流不断输送，但更多的孔隙与大量水接触会造成较大的热损耗[13-15]，且会导致材料的耐腐蚀性下降。本文依托CDW，构建了具有2D+3D供水通道的小型光热蒸发器，水体与光热材料之间有约10 mm高度的空气和约5 mm厚度的聚苯乙烯(PS)泡沫作为保温层，采用吸水纸作为供水通道向上为光热材料输水，吸水纸向上输水构成2D供水通道，而光热材料中未碳化部分作为3D供水通道。该供水方式既保留了2D供水通道的优点，将隔热层与水体分开来减少传导热损；又保留了3D供水通道互联多孔结构的特点，保持充足的水分输送，这些特点使CDW的蒸发速率得到提升。

    1.   实验材料及方法

    1.1   原材料

    轻木木块(20 mm×20 mm×20 mm)购置于淘宝平台；乙酸(分析纯)、乙醇(分析纯)均购自国药集团化学试剂有限公司；NaClO2 (80%)购自西亚试剂；去离子水为实验室自制。

    1.2   碳化脱木素轻木木基光热材料的制备

    1.2.1   脱木质素

    称取NaClO2固体，放置于烧杯中，向烧杯中加入一定量去离子水，得到质量分数为1.6wt%的NaClO2水溶液，并用乙酸调节溶液的pH值至4.6左右作为脱木素溶液。准备好规格为20 mm×20 mm×20 mm的轻木木块，将木块放入锥形瓶中，并向其中倒入所配制的脱木素溶液。锥形瓶瓶口处用保鲜膜包裹好，保鲜膜上扎有小孔，然后将锥形瓶放入预热好的90℃油浴锅中加热1 h，脱除木块中木质素。脱木质素后的木块用乙醇和去离子水多次洗涤，去除残留的化学物质。然后在智能型恒温鼓风干燥箱(FCD-3000，上海琅玕实验设备有限公司)中于40℃条件下干燥48 h，干燥后取出脱木素木块。

    1.2.2   碳化

    脱木素木块预留出距顶面3 mm的高度，侧面其余部分和木块底面用铝箔包好，在良好的通风环境下将其顶面朝下放在预热好(500℃)的电加热板上。等待碳化高度到达铝箔包裹处(约0.5 min)时，停止加热，取下木块，待木块完全冷却后即得顶面碳化的脱木素轻木木基光热材料(CDW)。作为对比，采用相同的方法对原木进行碳化处理。

    1.3   小型光热蒸发器的构建

    本文中所采用的小型光热蒸发器有以下几个组成部分：氙灯光源(CEL-HXF300，北京中教金源科技有限公司)、电子天平(AL204，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司)、小烧杯、红外摄像机(H16，海康威视)、光热材料、吸水纸及用于隔热的PS泡沫，如图1所示。

    图  1  光热实验示意图：(a)装置整体；(b) 2D+3D供水通道示意图
    i—Xenon lamp; ii—Small evaporator, iii—Electronic balance; 1—Carbonization layer; 2, 4, 9—Polystyrene (PS) insulated foam; 3—Material water transport layer; 5—Air; 6—Absorbent paper; 7—Water; 8—Beaker
    Figure  1.  Schematic diagram of photothermal experiment: (a) Apparatus; (b) Schematic diagram of 2D+3D water supply channel
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    本实验采用氙灯太阳光模拟器，在AM1.5滤光片的加持下，稳定输出1.0 kW/m2的全光谱模拟太阳光。将所制备的光热材料由PS泡沫包裹住四周，仅留出上表面、下表面，其中上表面用于吸收模拟太阳光，下表面用于从吸水纸中吸水。规格为100 mL的小烧杯中盛有40 mL去离子水，在水面上方10 mm处放入约5 mm厚的PS泡沫隔热板。将两张80 mm长、20 mm宽的吸水纸分别沿杯壁插入小烧杯的水中作为2D供水通道(二者直线距离为小烧杯的直径)，高出烧杯中隔热板的部分向隔热板中心弯折，水平重叠搭接。将用PS泡沫保温好的材料放入小烧杯中隔热板表面的两张吸水纸重叠搭接处。隔热板下方的空气层和隔热板共同组成蒸发器内的隔热层，材料被PS泡沫包裹住的非碳化部分作为3D供水通道，材料表面碳化部分为吸光层。将烧杯放置于电子天平上，烧杯外部由PS泡沫进行隔热，防止热量损失到周围环境中。

    光热实验过程中，实时记录小烧杯中水的质量变化，同时用红外摄像机实时记录材料表面的温度。

    1.4   蒸发速率及光热水蒸发效率的计算

    1.4.1   蒸发速率的计算

    水蒸发速率(v)可由下式计算：

    v=mSt (1)

    式中：v为水的蒸发速率(kg/(m2·h))；m为水蒸发损失的质量(kg)；S为光热材料接受光照的面积(m2)；t为光热材料接受光照的时间(h)。

    1.4.2   光热蒸发效率的计算

    光热转换效率(η)可由下式计算[16-17]：

    η=v(HLV+Q)Ein (2)
    Q=c(T1−T0) (3)
    H0=1.91846×106(T1T1−33.91)2 (4)
    Uin=H0v0=HLVvg (5)

    式中：HLV为T1下水蒸发所需潜热(J/kg)，由式(4)和式(5)计算；T1为水的蒸发温度(K)；Q为加热水所需要的能量(J/kg)；c为水的比热容，近似取定值4.2×103 J/(kg·K)；T0为水的初始温度(K)；Ein为入射光的能量输入，取定值为3.6×106 J/(m2·h)；Uin为暗条件下的能量输入(J/(m2·h))；H0为T1、暗条件、不含光热材料时水的蒸发焓(J/kg)；v0为暗条件下、不含光热材料时水的蒸发速率(kg/(m2·h))；vg为暗条件下、含光热材料时水的蒸发速率(kg/(m2·h))。

    2.   结果与讨论

    2.1   原木、脱木素木和CDW的形貌及结构特征

    2.1.1   原木、脱木素木和CDW的微观形貌分析

    轻木原木、脱木素木的SEM图像如图2、图3所示，从SEM图像可以看出脱木素后，木材的孔道及生长方向的管道由粗糙变得光滑，且孔隙结构有所改变，孔道数量增多，孔隙率增加[18]。疏水的木质素被脱除后，光滑的孔道、管道及孔隙率的增加使木材的亲水性增强[19]，有利于水分输送，证实了脱木素的必要性。

    图  2  轻木原木(a)和脱木素木(b)横切面的SEM图像
    Figure  2.  SEM images of cross section for balsa (a) and delignified wood (b)
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    图  3  轻木原木(a)和脱木素木(b)纵切面的 SEM图像
    Figure  3.  SEM images of longitudinal section for balsa (a) and delignified wood (b)
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    CDW的碳化层横切面SEM图像如图4所示，纵切面如图5所示。由横切面SEM图像统计可得CDW中大孔孔径约为297 μm，由薄壁细胞组成的孔道孔径约为62.5 μm，该结构为水蒸发提供了良好的输水通道。碳化层纵切面SEM图像中可以看出，所制备的CDW仍保持了轻木木材本身的一些结构，例如部分导管及管胞、大孔与小孔同时存在且小孔居多等结构。碳化层横切面的SEM图像可看出孔道相较于原始木材和脱木素木材变得更加光滑，且在高温条件下，木材中的一些糖类会产生降解[20-24]，导致部分孔径收缩，毛细管作用增强，这有利于水分的输送。

    图  4  碳化脱木素轻木木基光热材料(CDW)碳化层的横切面SEM图像
    Figure  4.  SEM images of photothermal material based on a delignified balsa wood (CDW) carbonized layer's cross section
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    图  5  CDW碳化层的纵切面SEM图像
    Figure  5.  SEM image of CDW carbonized layer's longitudinal section
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    综上所述，SEM表征结果表明：脱木素后光滑的孔道及增加的孔隙率有利于增强木材亲水性；制备的CDW材料仍保留轻木本身的部分导管及大小孔结构；碳化后毛细管作用增强，这些均有利于增强材料的输水能力。

    2.1.2   原木和CDW的吸光性能分析

    对CDW的碳化层和轻木原木(Balsa)的UV-Vis-NIR吸收光谱进行分析，如图6所示。在380~780 nm的可见光范围内，轻木原木的光吸收率仅为36%左右，而CDW的光吸收率可达到95%，是轻木原木的2.6倍。在780~2500 nm的近红外光谱范围内，虽然CDW的光吸收率有所下降，但仍明显高于轻木原木的光吸收率，约为原木的4倍左右。在200~2500 nm的全光谱中范围内CDW的光吸收率明显提高，平均吸光度约为85%，说明CDW在全光谱范围内具有较优的吸光性能。原因有以下几点：高温碳化使材料表面颜色加深，增强了表面吸光性；材料本身具有丰富的孔道，使入射光进入材料后不能直接反射回环境中，而是在材料内部孔道中多次折射、反射直至完全吸收，这增加了有效光的路径长度[25-26]，从而增强了CDW的吸光性能。

    图  6  CDW和轻木原木的UV-Vis-NIR吸收光谱
    Figure  6.  UV-Vis-NIR absorption spectra of CDW and balsa
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    综上所述，UV-Vis-NIR的表征结果表明：与轻木原木相比，CDW的光吸收率显著提高，有利于光热转化。

    2.1.3   原木和CDW的结构特征分析

    对轻木原木(Balsa)、脱木素木(Delignified balsa wood)和CDW的碳化层进行了FTIR图谱分析，如图7所示。CDW与原木在3335、2913、1731、1595、1238、896、662 cm−1附近均出现吸收峰，表明碳化脱木素处理后CDW仍保留一些木材原有的组成结构。其中， 2913 cm−1附近的弱峰是由—CH振动引起的，这源于木材成分中的—CH3和—CH2基团，表明木材中存在烷基[27]， CDW在2918 cm−1处仍存在该吸收峰，说明碳化后烷基仍存在。

    图  7  CDW、脱木素木和轻木原木的FTIR图谱
    Figure  7.  FTIR spectras of CDW, delignified balsa wood and balsa
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    木质素是由聚合芳香醇构成的混合物，在FTIR光谱上主要表现为位于指纹区域(1800~400 cm−1之间[28-29])中的苯环结构吸收峰。轻木原木和脱木素木在1731、1595、1505、1238、1157、1105、1033、896、662 cm−1处出现了归属于C=O、C=C及苯环等官能团的伸缩振动峰，且相比于原木，脱木素木在1505 cm−1处[30]的苯环结构吸收峰峰值强度减弱，表明木质素被脱除。

    CDW在3335、1703、1593、1434、1260 cm−1处分别出现了归属于—OH、C=O、C=C、C—O、C—O—C官能团的伸缩振动峰[28-29, 31]，表明CDW的碳化层中含有丰富的含氧官能团，说明木材顶面成功碳化。碳化层的羟基含量减少[32]，吸水性相较于下层未碳化的脱木素部分来说有所减弱，形成一层疏水表面，吸光性能得到增强。

    综上所述，FTIR的表征结果表明： CDW仍保留一些木材原有的组成；CDW中的木质素被成功脱除；CDW的顶面出现丰富的含氧官能团，表明木材顶面碳化成功；碳化层具有疏水性，吸光性增强。

    2.1.4   原木和CDW的碳化程度分析

    图8是CDW的碳化层及轻木原木(Balsa)的拉曼光谱图。拉曼光谱尚未用于碳化过程的系统化研究[33]，仅能进行简单的分析。图中可看出高温碳化处理对木材中各种基团的峰值有影响[34]。2924 cm−1附近的峰源于C—H的伸缩振动，1586、1600 cm−1附近的特征峰源于芳香族骨架振动，1353、1374 cm−1附近的峰归属于酚羟基弯曲振动的峰，而1117 cm−1附近的特征峰则是由甲氧基振动和芳香环C—H振动产生[35]。由图可看出，轻木原木的拉曼特征峰不明显，出现在1353、1600 cm−1附近；而CDW的拉曼特征峰出现在1374 cm−1和1586 cm−1附近，分别归属于碳材料的D带和G带。通过计算比较各材料的D带与G带处峰强度的比值ID/IG，原木的ID/IG约为0.5842，CDW的ID/IG约为0.7089，相较于原木，CDW的ID/IG值明显升高，说明CDW的碳原子晶体缺陷比较多。

    图  8  CDW和轻木原木的拉曼图谱
    Figure  8.  Raman spectras of CDW and balsa
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    综上所述，Raman光谱的表征结果表明：CDW得到充分的碳化，且碳化后材料顶面产生缺陷结构，导致材料顶面不均匀，有利于吸光。

    2.2   光热性能评价

    采用氙灯光源模拟太阳光，光强度控制在1 kW/m2，采用CDW分别进行有吸水纸供水和无吸水纸供水的光热水蒸发实验，并将实验结果进行对比。为保证供水的连续性，实验前将材料浸满水。图9(a)与图9(b)分别展示了在有、无吸水纸供水情况下CDW的水蒸发量变化及顶面温度变化，实验时环境中空气的相对湿度分别为65%、51%。由图可看出，两者在前100 min内基本重合，蒸发的水分应为木块实验前吸收的水分，100 min后两种情况的蒸发速率开始出现明显差别，温度也出现明显差异，说明开始蒸发吸水纸输送的水，而没有吸水纸供水的一组材料表面几乎被蒸干，导致温度急剧上升、蒸发速率明显降低。

    图  9  CDW在3 h内的有无供水情况：(a)水蒸发量曲线；(b)材料顶面温度曲线
    Figure  9.  CDW with or without water supply within 3 h: (a) Weightlessness curves of water; (b) Temperature curves of materials' surface
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    分别采用原木(Balsa)、脱木素木(Delignified balsa wood)、碳化原木(Carbonized balsa wood)和CDW，利用1.3节所述的2D+3D输水的蒸发器结构，进行光热水蒸发实验，实验时长均为4 h，实验时环境中空气的相对湿度均在60%~65%的范围。由图10可看出，前100 min内两种未碳化材料的蒸发速率差别不大，两种碳化过的材料蒸发速率也彼此接近，但因碳化使其吸光能力增强，水蒸发速率略高于前两种材料。这些结果再次证明前100 min内蒸发的是材料中原本吸收的水分，之后才开始蒸发吸水纸供上来的水分。故接下来只探讨100 min后的光热水蒸发速率。

    图  10  CDW、原木、脱木素木、碳化原木在 4 h 内水蒸发量曲线(a)及材料顶面温度曲线(b)
    Figure  10.  Weightlessness curves of water (a) and temperature curves of materials' surface (b) of CDW, balsa, delignified balsa wood, carbonized balsa wood within 4 h
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    计算得出，100 min之后的蒸发时间内原木、脱木素木、碳化原木和CDW的平均蒸发速率分别为1.1207 kg/(m2·h)、1.1172 kg/(m2·h)、1.3450 kg/(m2·h)和1.5310 kg/(m2·h)。其中，脱木素木与原木相比，亲水性增强，有利于及时向材料顶面输送水分，但脱除木质素导致木块颜色变白，吸光性能下降，蒸发速率略低于原木的蒸发速率；碳化原木与原木相比，由于表面碳化加强了吸光性，蒸发速率增加；CDW的蒸发速率则明显高于原木、脱木素木和碳化原木的蒸发速率，是原木的1.36倍，是脱木素木的1.37倍，是碳化原木的1.14倍。采用1.4节的公式可计算出黑暗中自由水的蒸发焓为2410.8 kJ/kg，一个太阳光下采用CDW作为光热材料时水蒸发需要的蒸发潜热为2100.3 kJ/kg，采用碳化原木作为光热材料时的水蒸发需要的蒸发潜热为2370.6 kJ/kg。可看出，用CDW做光热材料时所需水蒸发潜热较低。此外，还可计算出CDW做光热材料时的光热转换效率为91.5%。

    由图10(b)材料顶面温度曲线图可看出，10 min内4种材料均迅速升温，20 min后原木、脱木素木和CDW的表面温度达到平衡，4 h内材料顶面温度平衡后的平均温度分别为36℃左右、31℃左右和38℃左右，且CDW材料的顶面最高温度(40.0℃)明显高于原木(37.9℃)、脱木素木(31.2℃)；但是碳化原木的材料顶面最高温度一直在35~38℃之间浮动，推测是原木的输水速率无法稳定满足木块表面的蒸发速率需求引起的，有待进一步验证。

    作为对比，将CDW直接漂浮于水面上并用PS泡沫固定在小烧杯中央，小烧杯和材料侧面做好保温措施，采取3D供水的方式，在1 kW/m2的模拟太阳光下进行光热性能实验。实验所得蒸发速率为1.4588 kg/(m2·h)，低于上文中采用吸水纸供水情况下的1.5310 kg/(m2·h)，表明2D+3D供水结构显示出一定的优越性，但仍需继续优化结构参数。

    最后，将所制备的CDW材料与其他文献工作报道的材料进行对比[36-43]可知， CDW的表面未进行特殊光热物质的负载，较文献中的制备方法简单，成本较低。将蒸发速率和蒸发效率汇总作对比，如表1所示，发现CDW具有一定优势。

    表  1  CDW与其他文献工作报道的材料对比
    Table  1.  Comparison of materials reported by CDW and other literatures
    Material Evaporation
    rate/
    (kg·(m2·h)−1)    		 Evaporation
    efficiency/%    		 Ref.
    APDA-Wood 0.91 77.0 Zou et al. (2021)[37]
    CS-Wood 0.95 67.9 Wang et al. (2019)[39]
    F-Wood 1.05 72.0 Xue et al. (2020)[42]
    CPS 1.20 82.2 Lu et al. (2020)[41]
    Fe-D-Wood 1.30 73.0 Song et al. (2021)[36]
    ALD/
    Chinese Ink-
    coated Wood    		 1.31 82.2 Yang et al. (2019)[40]
    PPy-Wood 1.33 83.0 Huang et al. (2019)[38]
    Wood@ATP 1.42 90.8 Chen et al. (2017)[43]
    CDW 1.53 91.5 This work
    Notes：APDA-Wood—Wood-based material modified with arginine polydopamine; CS-Wood—Candle soot-decorated wood; F-Wood—Wood treated with alcohol flame; CPS—Carbonized pencil shaving; Fe-D-Wood—Fe3O4/polyvinyl alcohol decorated delignified wood; ALD/Chinese Ink-coated Wood—Wood-based material loaded with Chinese ink; PPy-Wood—Wood loaded with polypyrrole; Wood@ATP—Aluminophosphate-treated wood.
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    3.   结 论

    本文制备了一种碳化脱木素轻木木基光热材料(CDW)，并采用具有2D+3D供水结构的光热蒸发器进行了太阳能光热水蒸发实验。

    脱木素后木材的亲水性增强，CDW仍保留轻木本身的部分导管及大小孔结构，碳化后材料的毛细管作用增强，这些特征均有利于输水；CDW的碳化层具有缺陷结构，且碳化层具有疏水性，这些特征均有利于吸光。

    以CDW作为光热材料，采用2D+3D供水结构时，水蒸发所需的潜热较低，所得光热蒸发速率较高，达1.5310 kg/(m2·h)，光热转换效率达91.5%。与3D供水方式的情况作对比，2D+3D供水结构达到的蒸发速率更高，具有一定的优越性。且与其他文献工作报道的材料对比，发现本文依托CDW所建立的2D+3D供水结构蒸发器在蒸发速率和蒸发效率方面具有一定优势，有必要进一步开展循环运行实验及脱盐实验并用于海水淡化。

  • 图  1   光热实验示意图：(a)装置整体；(b) 2D+3D供水通道示意图

    i—Xenon lamp; ii—Small evaporator, iii—Electronic balance; 1—Carbonization layer; 2, 4, 9—Polystyrene (PS) insulated foam; 3—Material water transport layer; 5—Air; 6—Absorbent paper; 7—Water; 8—Beaker

    Figure  1.   Schematic diagram of photothermal experiment: (a) Apparatus; (b) Schematic diagram of 2D+3D water supply channel

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    图  2   轻木原木(a)和脱木素木(b)横切面的SEM图像

    Figure  2.   SEM images of cross section for balsa (a) and delignified wood (b)

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    图  3   轻木原木(a)和脱木素木(b)纵切面的 SEM图像

    Figure  3.   SEM images of longitudinal section for balsa (a) and delignified wood (b)

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    图  4   碳化脱木素轻木木基光热材料(CDW)碳化层的横切面SEM图像

    Figure  4.   SEM images of photothermal material based on a delignified balsa wood (CDW) carbonized layer's cross section

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    图  5   CDW碳化层的纵切面SEM图像

    Figure  5.   SEM image of CDW carbonized layer's longitudinal section

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    图  6   CDW和轻木原木的UV-Vis-NIR吸收光谱

    Figure  6.   UV-Vis-NIR absorption spectra of CDW and balsa

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    图  7   CDW、脱木素木和轻木原木的FTIR图谱

    Figure  7.   FTIR spectras of CDW, delignified balsa wood and balsa

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    图  8   CDW和轻木原木的拉曼图谱

    Figure  8.   Raman spectras of CDW and balsa

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    图  9   CDW在3 h内的有无供水情况：(a)水蒸发量曲线；(b)材料顶面温度曲线

    Figure  9.   CDW with or without water supply within 3 h: (a) Weightlessness curves of water; (b) Temperature curves of materials' surface

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    图  10   CDW、原木、脱木素木、碳化原木在 4 h 内水蒸发量曲线(a)及材料顶面温度曲线(b)

    Figure  10.   Weightlessness curves of water (a) and temperature curves of materials' surface (b) of CDW, balsa, delignified balsa wood, carbonized balsa wood within 4 h

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    表  1   CDW与其他文献工作报道的材料对比

    Table  1   Comparison of materials reported by CDW and other literatures

    Material Evaporation
    rate/
    (kg·(m2·h)−1)    		 Evaporation
    efficiency/%    		 Ref.
    APDA-Wood 0.91 77.0 Zou et al. (2021)[37]
    CS-Wood 0.95 67.9 Wang et al. (2019)[39]
    F-Wood 1.05 72.0 Xue et al. (2020)[42]
    CPS 1.20 82.2 Lu et al. (2020)[41]
    Fe-D-Wood 1.30 73.0 Song et al. (2021)[36]
    ALD/
    Chinese Ink-
    coated Wood    		 1.31 82.2 Yang et al. (2019)[40]
    PPy-Wood 1.33 83.0 Huang et al. (2019)[38]
    Wood@ATP 1.42 90.8 Chen et al. (2017)[43]
    CDW 1.53 91.5 This work
    Notes：APDA-Wood—Wood-based material modified with arginine polydopamine; CS-Wood—Candle soot-decorated wood; F-Wood—Wood treated with alcohol flame; CPS—Carbonized pencil shaving; Fe-D-Wood—Fe3O4/polyvinyl alcohol decorated delignified wood; ALD/Chinese Ink-coated Wood—Wood-based material loaded with Chinese ink; PPy-Wood—Wood loaded with polypyrrole; Wood@ATP—Aluminophosphate-treated wood.
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  • 目的 

    随着经济和社会的快速发展，全球淡水资源需求量不算增加，导致全球淡水资源严重短缺。海水淡化技术成为解决目前的淡水资源短缺问题的重要途径，本文通过制备性能良好的光热材料、设计具有2D+3D结合供水结构的小型蒸发器来实现高效率的水蒸发。

    方法 

    ①材料的制备：配制亚氯酸钠溶液作为脱木素溶液，将规格为20×20×20 mm的轻木木块放入盛有脱木素溶液的锥形瓶中，之后将锥形瓶放入预热好的油浴锅中90℃加热1小时，瓶口用保鲜膜封住。1小时后取出木块，用去离子水和无水乙醇反复洗涤，于40℃烘箱中干燥48小时后取出，得脱木素木块。用铝箔包住一定范围的木块侧面，于500℃的高温加热板表面对脱木素木块的顶表面进行碳化，得碳化脱木素轻木木基光热材料(CDW)。②具有2D+3D供水结构的小型蒸发器的设计：将浸满水的材料用PS泡沫包裹保温，仅留出上、下表面。小烧杯中盛有去离子水，在水面上方10 mm处放入PS泡沫隔热板。将两张吸水纸沿杯壁插入小烧杯的水中(二者直线距离为小烧杯的直径)，高出烧杯中隔热板的部分向隔热板中心弯折，水平重叠搭接。将保温好的材料放入隔热板表面的吸水纸重叠搭接处，隔热板及其下方的空气层共同组成蒸发器的隔热层，材料的非碳化部分作为3D供水通道，吸水纸作为2D供水通道，材料表面碳化部分为吸光层。将整个烧杯放置于电子天平上，烧杯外部由PS泡沫进行保温。

    结果 

    ①SEM、FT-IR、Uv-Vis-NIR、Raman光谱四种表征表明制备的碳化脱木素轻木木基光热材料仍保留轻木的部分导管及大小孔结构，且毛细管作用增强，有利于输水；材料的碳化层具有缺陷结构且疏水，有利于吸光。②采用具有2D+3D供水结构的小型蒸发器进行光热水蒸发实验，计算发现水蒸发所需的潜热较低，所得光热蒸发速率较高，达1.5310 kg/(m·h)，光热转换效率较高，达91.5%。通过与无供水情况下的光热实验对比，证实吸水纸能够稳定给材料提供水源；通过与原木、脱木素木、碳化原木的光热水蒸发实验作对比，证实了CDW具有良好的输水性、吸光性及高光热转换能力；通过与材料直接接触水的3D供水情况作对比，证实了2D+3D供水结构具有一定的优越性。与其他文献工作报道的材料对比，本文的蒸发器在蒸发速率和蒸发效率方面具有一定优势。

    结论 

    利用本文制备的材料，采用2D+3D供水结构，实现了较高的光热蒸发速率，达1.5310 kg/(m·h)，材料所需的水蒸发潜热较低，光热转换效率达91.5%。具有一定的优越性。与其他文献的材料对比，本文依托CDW所建立的2D+3D供水结构蒸发器在蒸发速率和蒸发效率方面具有一定优势，有必要进一步开展循环运行实验及脱盐实验并用于海水淡化。

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出版历程
  • 收稿日期:  2024-03-04
  • 修回日期:  2024-03-27
  • 录用日期:  2024-04-03
  • 网络出版日期:  2024-04-25
  • 发布日期:  2024-04-16
  • 刊出日期:  2024-11-26

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摘要
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  • 1.   实验材料及方法

  • 1.1   原材料

  • 1.2   碳化脱木素轻木木基光热材料的制备

  • 1.2.1   脱木质素
  • 1.2.2   碳化

  • 1.3   小型光热蒸发器的构建

  • 1.4   蒸发速率及光热水蒸发效率的计算

  • 1.4.1   蒸发速率的计算
  • 1.4.2   光热蒸发效率的计算

  • 2.   结果与讨论

  • 2.1   原木、脱木素木和CDW的形貌及结构特征

  • 2.1.1   原木、脱木素木和CDW的微观形貌分析
  • 2.1.2   原木和CDW的吸光性能分析
  • 2.1.3   原木和CDW的结构特征分析
  • 2.1.4   原木和CDW的碳化程度分析

  • 2.2   光热性能评价

  • 3.   结 论

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