GO/丙纶纤维基太阳能-水蒸发器的制备及性能研究

娄辉清 陈 洋 马 骉 丁会龙

（河南工程学院，河南 郑州 450007）

0 引言

水资源是人类生存和发展的必备物资，环境污染的加剧导致淡水资源的紧缺［1］。而如何实现淡水资源的持续供应以及能源的充分利用成为解决问题的关键。太阳能作为一种高效、丰富的可再生能源，有助于缓解水资源短缺的现状，既能够节约成本，也能在一定程度上起到保护环境的作用。为了解决水资源短缺问题，海水淡化是一个较好的解决方法。以太阳能-水蒸发技术为基础的海水淡化技术，利用其特殊材料的光热转换层收集热量，加热海水使其蒸发［2］，现已成为海水淡化技术中最具影响力的技术之一。

太阳能-水蒸发就是最大化地将所吸收的太阳光通过光热转换材料转变为热能用于水体的加热，进而使水蒸发。但在实际应用中，太阳能-水蒸发的蒸发效率一直以来都是能量利用的关键。目前，有3种太阳能-水蒸发的途径：基于底部加热的蒸发［3］、基于体积加热的蒸发［4］和界面加热的蒸发［5］。界面加热的蒸发是通过有选择地加热蒸发部分，而不是整个水体，这种方法对于热损失的减少、能源转换效率的提高提供了极大的可能。界面加热的蒸发可以有效改善液体表面的热局部化，并成功地在降低光浓度的情况下达到约90%的蒸发效率。

在界面水蒸发过程中，水体往往不与蒸发表面直接接触。为了保证蒸发过程中有充足的水量供给，目前，常用亲水、多孔材料作为水传输通道。结晶度低的纤维，由于其内部存在较多的缝隙孔洞、纤维内部的毛细管道及纤维集合体中纤维与纤维间形成的毛细管道，通过这些毛细管道的芯吸效应而达到吸水导湿的功能。王光亚等［6］研究仿真模拟纤维集合体，详细分析得出非规则性截面纤维可以改善纤维集合体吸湿导水性能，纤维规整度越低，则纤维及纤维束的比表面积越大，纱线内毛细孔隙多，芯吸能力增强。钟超群［7］通过比较不同截面形状的涤纶纤维集束体的芯吸性能，得出芯吸性能的大小受纤维截面形状的影响。

宽频和高效的光吸收是实现高效光蒸汽转化的基础条件。太阳能光热转换使用的材料对吸光范围要求较高，它要求吸收材料在整个太阳光谱范围（250~2 500 nm）内具有高效和宽带的光学吸收能力。根据产热机制的不同，目前的光热材料主要有等离子体金属、半导体和碳基材料等三大类［8-11］。由于半导体自身能带间隙的限制，导致其光吸收能力相对较弱，也限制了其在光热材料方向的发展。与金属材料相比，碳基材料质优价廉，并且对光照的吸收和能量转换都表现较佳［12］。

本研究采用垂直排列的丙纶纤维束集合体作为水传输通道，并在其表面构筑光热转换效率较高的材料氧化石墨烯来制备太阳能-界面水蒸发器，在不同太阳光强下对其水蒸发性能进行研究，为高效太阳能-界面水蒸发器的开发提供有益的思路。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

试剂：丙纶纤维（600D，惠民县泰利化纤制品有限公司）；氧化石墨烯溶液（质量浓度10 mg/mL，南京先丰纳米材料科技有限公司）。

仪器：电热鼓风干燥箱（Fx101-3，上海树立仪器仪表有限公司）；电子天平（JA1203，杭州万特衡器有限公司）；太阳光模拟器（94043A-S，美国Newport Oriel公司）；毛细效应测试仪（QS-M215，北京恒奥德仪器仪表有限公司）；电动缕纱测长仪（YG086C，安丘市宏光纺织仪器有限公司）。

1.2 丙纶纤维基太阳能-水蒸发器的制备

采用缕纱测长仪摇取所需长度，然后用刀片裁剪平整，制备成长度约为20 mm、直径约为10 mm的纤维束。在室温条件下，取一定量的氧化石墨烯溶液并将其均匀涂覆在纤维束集合体表面，在真空干燥箱60℃条件下烘干，纤维束集合体表面的氧化石墨烯涂层即为光热转换层。利用太阳光模拟器照射浸入水中的纤维束顶层的光热转换材料，由光热转换材料吸收的光能转变成热能，通过垂直排列的丙纶纤维集合体间的孔隙和纤维本身所具有的孔隙来传导水分，使其加热蒸发。太阳能-水蒸发器及水蒸发示意图如图1所示。

图1 太阳能-水蒸发器及水蒸发示意图

1.3 丙纶纤维的水润湿及芯吸性能

丙纶纤维的水润湿及芯吸性能可采用垂直静态吸水法和垂直动态吸水法（垂直毛细高度测试法）进行测试［13］。本次试验采用垂直静态吸水法，利用毛细效应试验方法来测试丙纶纤维的水润湿及芯吸性能。试验原理是将要测试的样品垂直挂起来，一端浸在液体中，在指定时间内测试液体上高度，并且以时间-液体爬升高度的曲线得出某一时段的液体芯吸速率。

1.4 蒸发性能测试

在天平上放烧杯，使太阳光模拟器中心与烧杯垂直放置，调节光强度为1 kW/m2，而后将试样下端浸入烧杯液体中，上端则用镊子夹住或者是用中间开孔的聚苯乙烯泡沫，泡沫套在纤维集合体的顶端10 mm处，使用中间开孔的泡沫起到隔热层的作用，以减少水分蒸发，提高蒸发效率。试验期间可记录不同时间段水的蒸发量，并计算蒸发速率。

蒸发速率计算公式如式（1）。

式中：V为蒸发速率，kg/（m2·h）；M为水蒸发的质量，kg；S为光热转换层的表面积，m2；t为测试时间，h。

2 结果与讨论

2.1 水润湿及芯吸性能测试结果及分析

为保证丙纶长丝的垂直度，选用3 g的张力夹。分别对3束丙纶长丝试样在3 g张力下进行1 min、5 min、10 min、20 min和30 min的水润湿及芯吸性能测试，记录结果，求取平均值以减小误差，结果如图2所示。

图2 丙纶长丝芯吸效应图

由图2可以看出，丙纶长丝的芯吸高度在前5 min内达到13.6 cm，变化较大，有明显的上升，这是因为纤维芯吸能力较强，通过纤维束间的孔隙迅速爬升；而5 min后的纤维芯吸速度随着时间的延长呈现逐渐减缓的趋势，趋于平衡，这是由于丙纶长丝处于垂直状态，且由于阻力因素，随着芯吸高度变大，速度会呈现减小趋势。以上数据表明，丙纶纤维具有较强的芯吸性能，可通过垂直排列纤维间的孔隙传导水分，吸湿导水作用明显，为后续提高太阳能-水蒸发的蒸发速率提供了可能。

2.2 蒸发性能

利用太阳光模拟器分别测试丙纶纤维基太阳能-水蒸发器、无光热转换层的纤维束集合体以及纯水的蒸发性能，结果如图3所示。

图3 水蒸发质量变化图

由图3可以看出，3组试样均呈现上升状态，但在整个试验过程中，纯水组水蒸发的质量变化虽然有上升的趋势，但是这种上升趋势非常微小，试验前后水的质量变化仅为0.29 kg/m2左右。而无氧化石墨烯涂层的水蒸发质量与纯水组相比明显高一些，但因没有氧化石墨烯构筑的光热转换层，吸光能力较差，蒸发效果不十分明显，在整个试验中水的质量变化仅为0.48 kg/m2左右。由此引入以氧化石墨烯作为光热转换层均匀涂抹于纤维束顶端的蒸发器，起到集热的效果，减少了热量的损失，故蒸发速率较高，而水蒸发的质量变化高达1 kg/m2。以上数据表明，双层结构的蒸发器对水的蒸发有一定的促进作用，而以氧化石墨烯作为光热转换层收集热量，最大限度地保证所吸收的热量用于水蒸发，减少热量的损失，从而达到更高的蒸发效率。

分别计算各样品的蒸发速率，结果如图4所示。由图4可以看出，以纤维集合体和氧化石墨烯组成双层结构的蒸发器比纤维集合体自身的单层结构水蒸发速率整体要高。试样的蒸发速率可以达到1.05 kg/（m2·h）左右，无光热转换层的蒸发速率仅为0.49 kg/（m2·h），相比之下，纯水的蒸发速率仅为0.28 kg/（m2·h），试样组的蒸发速率远高于其他两组。通过比较还表明，光热转换层在改善样品的蒸发性能方面起着重要作用。

图4 蒸发速率变化图

2.3 循环利用性能

为了考察太阳能-界面水蒸发器的循环利用性能，对所制备的太阳能-水蒸发器进行5次蒸发试验，结果如图5所示。

由图5可以看出，在对试样进行的5次循环测试试验中，整体趋势较为稳定，趋于平衡，每次测试水蒸发速率基本无明显变化，蒸发速率在1.05 kg/（m2·h）上下浮动，由试样经过5次循环试验前后的蒸发速率可以看出，试验所制备的双层结构的太阳能-水蒸发器的性能比较稳定，循环利用性能较好。

图5 循环利用性能

3 结论

①垂直排列丙纶纤维在5 min内芯吸高度达13.6 cm，纤维导水性能优异，是制备太阳能-水蒸发器的理想基体材料。

②本试验所制备的太阳能-水蒸发器在60 min内蒸发速率高达1.05 kg/（m2·h），蒸发效率达75%，具有较高的蒸发性能。

③经5次循环测试，太阳能-水蒸发器的蒸发速率仍在1.05 kg/（m2·h）上下浮动，其性能较稳定，循环利用性能较好。