水处理

简单易操作的方法制备木基光热材料用于高效海水淡化

2020-03-11 11:14:41 科匠学术

一、研究背景:

安全饮用水的短缺是目前面临的一个全球性问题,尤其是在偏远贫困地区。近年来,基于光热材料的太阳能海水淡化技术受到了广泛关注。不同于传统的太阳能蒸发水技术,基于光热材料的太阳能海水淡化技术可通过光热材料高效地将太阳能转化为热能,并将产生的热量锁定在水的表面,使表面水快速加热生成水蒸气(无需对整体水进行加热),因此其效率更高。对于这一新技术,光热材料及其结构设计是关键。木材由于具有较低的密度(可漂浮在水面)、内部富含大量的水通道以及低的热导率,成为制备光热材料的常用材料之一。

关键挑战:

目前制备木基光热材料的方法主要有两种:一种是表面碳化;另一种是表面涂层。表面碳化是将平整的木材置于高温的加热板上,通过高温将接触面进行碳化。这一技术需要较高的温度,并且较难实现不平整或不规则木材表面的均匀碳化;此外,经过高温碳化后的木材表面会失去大量的亲水基团,导致其水下抗油黏附性能降低,易被水中油滴黏附堵塞孔道,导致产水性能大幅降低。表面涂层技术是将制备好的光热材料涂敷在木材表面。常用的涂敷材料为炭黑及其他无机材料,这些材料由于和木材之间没有足够的结合力,容易在外力作用下脱落。

除了光热材料自身性质外,光热材料的结构设计对于提高其海水淡化性能也尤为重要:良好的结构设计可以增大光热材料表面积,提高光能利用率,进而提高光热材料的产水效率。这就要求制备木基光热材料的方法要适用于任意形状的木材,以便于结构优化设计。而目前报道的表面碳化和表面涂层技术较难实现这一点。

二、研究的出发点:

针对以上问题,南昌大学王振兴讲师和李越湘教授合作开发了一种简单温和且能将各种不规则形状木材转变为光热材料的新方法,相关成果已在Nano Energy发表。该方法只需将木材置于单宁酸水溶液中浸泡一段时间,之后再将单宁酸处理的木材置于含有三价铁离子的水溶液中浸渍,就可将木材转变为海水淡化用的光热材料,整个过程无需高温高压或特殊设备,绿色环保,且适用于任意形状的木材。本文研究重点在于通过简单、温和、普适的方法制备木基光热材料,并详细研究阐述该方法在提高木基光热材料综合性能方面的独特优势。

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图1 制备木基光热材料的示意图、所得木基光热材料的稳定性、基于该方法实现木基光热材料的结构设计。

三、研究内容:

1、该方法对各种木材的普适性及机理

该方法通过简单的单宁酸处理及后续三价铁离子处理可将各种常见木头(1.榉木、2. 杉木、3.松木、4.柳木、5.橡木、6.杨木、7. 柘木)转变为光热材料。对比试验表明,该方法对其他高分子材料如聚丙烯膜,聚酯布料和聚氨酯海绵等无效;此外,单独的单宁酸和单独的三价铁离子也无法将大部分木材转变为光热材料。有意思的是:对于柘木而言,单独的三价铁离子处理就可将其变为光热材料。

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图2 利用该方法将各种常见木材转变为光热材料、该方法对非木制材料无效、单独用三价铁离子处理木材无效果(柘木除外)。注:对比试验是为了更好地理解该方法的改性机理。

为了阐明木材变黑的机理,作者以杨木为例,进一步对其表面形貌和化学组成进行了表征。经过处理后的杨木在形貌上与原杨木无明显区别,但XPS和ATR-FTIR表明改性后的木材表面修饰上了单宁酸和三价铁离子。结合对比试验,作者推测了其改性机理:木材中的木质素和纤维素含有大量的羟基,且具有丰富的孔道和多级结构,其可以牢固地结合大量的单宁酸分子,这些单宁酸分子可以与三价铁离子配位形成大量络合物,络合物内的d-d跃迁与木材表面的多级结构最终使木材表面变黑,成为良好的光热材料。对于柘木而言,其自身内部本就含有大量的单宁类物质,因此其直接用三价铁离子处理就可以变黑;而其他木材自身所含单宁类物质较少,单独的三价铁离子处理只会使颜色变深,而无法变黑。对于聚丙烯等高分子材料,其表面化学惰性,单宁酸较难修饰在其表面(文中已通过XPS等证明),因此该方法无法使其变黑。

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图3 杨木(断面,垂直于其生长方向)改性前后的电子显微镜图像、X射线光电子能谱分析、傅里叶全反射红外光谱、木材表面单宁酸与三价铁离子络合示意图、木材变黑的关键因素

2、木基光热材料的性能

所得木基光热材料在宽波长范围内表现出高的光吸收(这对于提高材料光热效率很重要),并且具有超亲水和水下超疏油性(有利于赋予材料水下抗油黏附性)。此外,该方法处理后的木基光热材料仍保持良好的水传输性能。

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图4 木基光热材料的光吸收、亲水性及水下超疏油性、水传输性

作者们进一步研究了所得木基光热材料在1 kWm-2下的水蒸发速率及能量效率。所得木基光热材料中,杨木基光热材料具有最高的蒸发速率(1.34 kgm-2h-1),对应的能量效率达到90%左右。这表明木基光热材料的性能可通过选择合适木材进行优化提高。此外,作者进一步研究了杨木基光热材料的海水淡化性能,该木基光热材料所收集水中各离子的浓度均下降了3个数量级,高于世界卫生组织的饮用水标准。

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图5 1 kW m^-2下不同木基光热材料的水蒸发量随时间的变化、不同木基光热材料的光热效率、杨木基光热材料用于海水淡化后所得水中不同离子含量及盐度。

3、木基光热材料的稳定性

光热材料在应用过程中可能会面临各种各样的情况:比如酸性或碱性环境、波浪的冲洗、昼夜温差导致的反复冷冻和融化等,这就需要光热材料具有良好的稳定性。作者通过酸碱浸泡处理、超声及连续长时间冲洗测试、连续冷冻-融化处理模拟了上述情况,结果表明该方法处理所得木基光热材料具有良好的稳定性。值得一提的是,与碳化的木基光热材料相比,该方法所得木基光热材料具有优异的水下抗油黏附性,其在含油废水中性能稳定,而碳化木基光热材料则由于水通道易被油滴黏附堵塞,导致产水速率严重下降。

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图6 木基光热材料在酸性、碱性、超声、连续冲洗、循环冷冻-融化条件下的稳定性、该方法所得木基光热材料和碳化木基光热材料的水下抗油黏附性对比、在含油水中的水蒸发速率对比。

改性方法是否利于规模化制备对于其实际应用也尤为重要,作者发展的此方法可以很容易地实现大块木材的改性。在此基础上,作者设计了一个简易的太阳能海水淡化装置,进一步考察了所得木基光热材料的实际海水淡化效果。

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图7 该方法可以不同木基光热材料的光热效率、杨木基光热材料用于海水淡化后所得水中不同离子含量及盐度。

4、该方法在木基光热材料结构设计方面的独特优势

光热材料的结构设计不但可以提高材料的表面积,还可增加其对光能的利用率,减少能量损失,从而大幅提高光热材料的产水速率。到目前为止,基于木基光热材料的结构设计仍鲜有报道,其主要原因在于目前木基光热材料的制备方法较难适用于具有特殊结构或不规则形状的木材。而本文所开发的方法可以适用于各种不规则形状的木材,为进一步提高木基光热材料的海水淡化性能提供了新的契机。为了展示这一优势,作者在木材表面加工出具有不同深度和倾斜角度的沟槽,用以提高其表面积和减少能量损失,并进一步测试了其在一个太阳光照下的产水速率。结果表明,经过结构设计的木基光热材料的产水速率达到了1.8kgm-2h-1,远高于没有进行结构设计的木基材料。

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图8 木基光热材料的结构设计、经过结构设计后的木基光热材料具有更高的性能。

四、总结与展望:

本文开发了一种极其简单、温和且通用的木基光热材料制备方法,这一方法不但可以赋予木基光热材料优异的水下抗油黏附性能,还有利于木基光热材料的结构设计,在太阳能海水淡化领域展现出良好的应用前景。该研究工作为设计开发高性能木基光热海水淡化材料提供了新的思路和途径。

五、致谢:

感谢国家自然科学基金 (NSFC 51903115, 21703095)、国家重点研发计划 (2018YFB1502004)、江西省自然科学基金 (20192BAB203012)的资助。


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