浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2025, 59(2): 384-393 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2025.02.016

机械工程、能源工程

基于碳纳米管的Janus太阳能界面蒸发体性能

葛洪宇,, 方震华, 姜俊南, 安锦涛, 刘晓华,

1. 大连理工大学 海洋能源利用与节能教育部重点实验室，辽宁 大连 116024

2. 兰州空间技术物理研究所，甘肃 兰州 730000

Performance of Janus solar interface evaporator based on carbon nanotube

GE Hongyu,, FANG Zhenhua, JIANG Junnan, AN Jintao, LIU Xiaohua,

1. Key Laboratory of Ocean Energy Utilization and Energy Conservation of Ministry of Education, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China

2. Lanzhou Institute of Physics, Lanzhou 730000, China

通讯作者: 刘晓华，女，教授. orcid.org/0000-0002-9602-5610. E-mail：lxh723@dlut.edu.cn

收稿日期: 2023-12-18  

基金资助: 大连市科技创新基金资助项目（2021JJ12GX024）.

Received: 2023-12-18  

Fund supported: 大连市科技创新基金资助项目（2021JJ12GX024）.

作者简介 About authors

葛洪宇（1994—），男，博士生，从事太阳能界面蒸发的研究.orcid.org/0000-0002-0363-8769.E-mail：hongyu.ge@foxmail.com , E-mail：hongyu.ge@foxmail.com

摘要

提出基于多壁碳纳米管的Janus结构太阳能界面蒸发体的制备方法，将多壁碳纳米管（MWCNTs）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚乙烯醇（PVA）海绵进行组合，只需要喷涂工艺，即可获得上层疏水、下层亲水的Janus结构太阳能界面蒸发体，针对该蒸发体开展吸水性、自漂浮性、光热转换性能、蒸发性能及抗盐性能的实验研究. 研究结果表明，与其他浓度相比，碳纳米管质量浓度为2.0 mg/mL的蒸发体的蒸发性能最佳，具备良好的吸水性能、自漂浮性能及抗盐性能. 在辐照度为1 kW/m2的光照条件下，最大蒸发速率达到1.79 kg/(m2·h)，为无蒸发体的容积式蒸发速率的3.9倍. 当料液质量分数为3.5%时，连续蒸发10 h后的蒸发界面无盐晶体析出，蒸发速率最高为1.68 kg/(m2·h).

关键词： 太阳能 ; 界面蒸发 ; 光热转换 ; 碳纳米管 ; 蒸发速率

Abstract

A method for fabricating Janus solar interfacial evaporators based on multi-walled carbon nanotube (MWCNTs) was proposed by combining MWCNTs, polydimethylsiloxane (PDMS) and polyvinyl alcohol (PVA) sponges. Only a spraying process was needed to obtain the Janus solar interfacial evaporator with a hydrophobic upper layer and a hydrophilic lower layer. Experimental investigations were conducted on the evaporator for water absorption, self-floatability, photo-thermal conversion efficiency, evaporation performance, and salt resistance. Results showed that the evaporite with carbon nanotubes mass concentration of 2.0 mg/mL had the best evaporation performance compared with other concentrations, and possessed good water-absorbing, self-floating and salt-resistant properties. The maximum evaporation rate reaches 1.79 kg/(m2·h), which is 3.9 times of the volumetric evaporation rate without evaporator under the solar radiation of 1 kW/m2. The evaporation interface not only has no salt crystals precipitated but also has the highest evaporation rate of 1.68 kg/(m2·h) after continuous evaporation for 10 h at the mass fraction of 3.5% of NaCl solution.

Keywords： solar ; interfacial evaporation ; photothermal conversion ; carbon nanotube ; evaporation rate

PDF (2689KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

葛洪宇, 方震华, 姜俊南, 安锦涛, 刘晓华. 基于碳纳米管的Janus太阳能界面蒸发体性能. 浙江大学学报(工学版)[J], 2025, 59(2): 384-393 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2025.02.016

GE Hongyu, FANG Zhenhua, JIANG Junnan, AN Jintao, LIU Xiaohua. Performance of Janus solar interface evaporator based on carbon nanotube. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2025, 59(2): 384-393 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2025.02.016

利用太阳能进行海水淡化，是同时解决水资源短缺和能源危机的有效措施之一. 太阳能蒸馏是最古老的海水淡化方法，而传统的盘式太阳能蒸馏装置蒸发效率低，产水量不高[1]. 对于借助纳米流体的容积式太阳能蒸发装置[2]，可以稍微提高效率，但该技术的难点在于长期运行过程中纳米流体的均匀分布和输运[3-6]. 对于太阳能界面蒸发技术，Ghasemi等[7]提出采用基底结构将料液输运到光热转换的界面，利用光热转换材料吸收太阳能，用于蒸发界面料液中的水分，最终将蒸汽凝结成淡水，利用该技术可以实现较高的能量利用率[8].

对于光热转换材料，金、铝、银等等离子体被用于太阳能蒸发装置[9]；已应用的半导体材料包括TiO2、Ti2O3[10]和λ-Ti3O5[11]等；碳基光热转换材料包括石墨、空心碳球、碳纳米管等；聚吡咯、聚多巴胺被应用于太阳能蒸发[9]. 对于碳纳米管，由于其超高的光吸收率和物理、化学及热稳定性，一些学者研究了碳纳米管基的双层结构蒸发体性能. Li等[12]制备了基于碳纳米管的多孔双层自漂浮光热膜，在辐照度为5 kW/m2的光照下，蒸发速率和能量利用率为5.07 kg/(m2·h)和72%. Li等[13]制备了由氧化石墨烯/碳纳米管杂化层和二氧化硅纳米纤维膜组合的自漂浮柔性Janus膜，在1 kW/m2的辐照度下，蒸发速率和能量利用率为1.3 kg/(m2·h)和74%. Wang等[14]在带根系的树桩上表面涂上碳纳米管，但受限于向上的水分供应，在10 kW/m2的辐照度下，能量利用率为86%.

除光热转换材料外，太阳能界面蒸发的基底结构设计须考虑的关键因素如下：高效的水分输运和热量隔绝. 目前已开发的基底结构有纤维素泡沫[15]、聚氨酯泡沫[16-18]、气凝胶[19]、纤维纸[20]木材[21]、海绵[22-23]等. Li等[22]制备了三聚氰胺海绵基底结构的蒸发器，在1 kW/m2的辐照度下，蒸发速率和能量转换效率为1.44 kg/(m2·h)和84%. Li等[24]合成了高质量的超长Cu2-xS纳米材料，以三聚氰胺泡沫为基底，起到输水和隔热的作用，在8 kW/m2的光照下，能量利用率为89.9%.

盐累积一直被认为是阻碍太阳能界面蒸发技术发展的主要原因之一[25]. 在以往学者们碳纳米管基蒸发体的部分盐水蒸发实验中[26-27]，连续5小时蒸发实验过程中由于盐结晶蒸发性能迅速下降，相比于纯水，当盐水质量分数为3.5%时蒸发速率的下降幅度超过10%.

尽管现有大多数的碳纳米管基太阳能界面蒸发体都能达到较高的蒸发速率和能量利用率，但往往存在耐盐性差、制备工艺复杂的缺点，因此开发制备工艺简单、耐盐的太阳能界面蒸发体，实现高效、稳定的太阳能海水淡化具有重要意义. 由于碳纳米管即使在恶劣的环境下也能保持很好的稳定性[28]，本文结合疏水聚合物PDMS，研制基于MWCNTs的Janus结构太阳能界面蒸发体，结构简单且容易制备，具备良好的吸水性能、自漂浮性能、光热转换性能、蒸发性能及抗盐性能，在工程上有较好的应用前景. 本文的研究结论可以为太阳能界面蒸发海水淡化系统的工程应用提供理论指导和数据支撑.

1. 实验部分

1.1. 材料与仪器

材料如下. 羧基化多壁碳纳米管（MWCNTs，直径为3~15 nm，长度为15~30 μm，纯度为97%），佳兆业（广东）新材料有限公司. 聚二甲基硅氧烷（PDMS）、四甲基四乙烯基环四硅氧烷（固化剂），上海德计商贸有限公司. 无水乙醇（质量分数为99.7%），天津市富宇精细化工有限公司. 正己烷（质量分数为99.5%），天津市科密欧化学试剂有限公司. 聚乙烯醇海绵（PVA海绵，导热系数为0.058 W/(m·K）），天津市左右贸易有限公司.

仪器如下. X射线显微镜（XRM）, Xradia 610 Versa，德国Zeiss公司，用于表征海绵三维结构. 场发射扫描电镜，SU5000，日本HITACHI公司，用于表征海绵和蒸发体的微观结构. 镀膜仪，ACE200，德国Leica公司，用于海绵和蒸发体电镜扫描前的镀膜，提高成像质量. 紫外/可见/近红外分光光度计，Lambda 1050+，美国Perkinelmer公司，用于测试蒸发体在200~2 500 nm处的太阳光谱吸收情况. 红外热像仪，testo 885，德国Testo公司，用于拍摄蒸发体表面温度的红外图像. 导热系数仪，TPS 2500S，瑞典Hot Disk公司，用于测量蒸发体导热系数. 高速摄像机，FASTCAM Nova S9，日本Photron公司，用于拍摄液滴撞击的过程. 盐度计，PAL-06S，日本ATAGO公司，用于测量盐水浓度. 氙灯光源，CME-SL500，中科微能（北京）科技有限公司. 光功率计，818P-040-55，美国Newport公司. 电子天平，PTX-JA1000S，福州华志科学仪器有限公司. 磁力搅拌器，SN-MS-H280D，上海尚普仪器设备有限公司. 超声波清洗机，FY15L540W40KST，深圳市弘之宇科技有限公司. 电干燥箱，DHG-101，绍兴市苏珀仪器有限公司. 喷笔，Infinity CR Plus，德国Harder Steenbeck公司.

1.2. MWCNTs海绵蒸发体的制备

MWCNTs海绵蒸发体的制备过程如图1所示. 将一定量的PDMS和固化剂（质量比为10∶1）加入无水乙醇和正己烷（体积比为4∶1）的混合溶液中，使用磁力搅拌器在室温下搅拌1 h后，再加入一定量的MWCNTs配置质量浓度为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和 3.0 mg/mL的溶液，放到超声波清洗机中超声振荡30 min后得到均匀的悬浮液. 使用喷笔将上述悬浮液按照1 mL/m2的喷涂密度喷涂在清洗干燥后的PVA海绵（3 cm×3 cm×3 cm）上表面，在温度为60 ℃的电干燥箱中干燥24 h，制得MWCNTs海绵蒸发体. 在无特殊说明的情况下，本文展示的实验数据均是基于质量浓度为1.0 mg/mL MWCNTs的样品测试的，光辐照度均为1 kW/m2.

图 1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 1   MWCNTs海绵蒸发体的制备过程

Fig.1   Preparation schematic of MWCNTs evaporator


1.3. 太阳能界面蒸发实验系统

太阳能界面蒸发实验系统如图2所示，实验在温度为(25±1) ℃、相对湿度为(35±2)%的环境下开展. 将MWCNTs海绵蒸发体置于盛有去离子水/盐水的烧杯中，由氙灯光源模拟太阳光，使用光功率计将光辐照度校准为1 kW/m2，光热转换层吸收光能后迅速转换成热量，PVA海绵基底为蒸发界面提供的料液被加热后蒸发. 天平示数反映了蒸发质量的变化并用数据采集电脑持续记录，将热电偶及温度记录仪用于监测料液温度，红外热像仪用于拍摄记录蒸发界面温度的变化.

图 2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 2   太阳能界面蒸发实验系统的装置图

1-数据采集电脑；2-温度记录仪； 3-烧杯；4-MWCNTs海绵蒸发体；5-热电偶；6-精密天平；7-红外热像仪；8-氙灯光源；9-光热转换层；10-PVA海绵基底   Schematic illustration of solar interfacial evaporation experiment system


1.4. 能量利用率的计算

能量利用率定义为用于料液蒸发的能量与投射到蒸发界面太阳辐射能的比例，由下式计算：

$ \eta =\frac{\dot{m}\times h_{\mathrm{LV}}}{{q}}. $

式中：$ \dot{m} $为水分蒸发速率；hLV为单位质量的料液蒸发总焓值（包含显热和潜热）；q为输入的太阳能辐射热，取1 kW/m2.

$ h_{\mathrm{LV}} = \lambda +C\Delta \theta . $

式中：C为料液的平均比热容，C = 4.2 kJ/(kg·K)；Δθ为料液蒸发时与初始时的温差；λ为料液从液态转化为气态的相变焓[29]，

$\begin{split} \lambda = &2\;501.897\;149 - 2.407\;064\;037\theta +1.192\;217 \times \\ &{10^{ - 3}}{\theta ^2} - 1.586\;3 \times {10^{ - 5}}{\theta ^3}, \end{split} $

其中θ为料液蒸发温度.

1.5. 不确定性分析

单组实验数据至少重复5次，假设所有测量值都是均匀分布的，因此实验数据的不确定度只与实验系统误差有关. 采用分数变化近似法（fractional change approximation method），计算不确定度[30-33]. 标准不确定度可以表示为

$ u = \frac{a}{{\sqrt 3 }}. $

式中：u 为标准不确定度，a 为测量工具的精度.

当 y 是多个自变量 xi 的函数时，y 的不确定度可由下式确定[33]：

$ u(y) = {\left[{\left(\frac{{\partial y}}{{\partial x_1}}\right)^2}{u^2}({x_1})+{\left(\frac{{\partial y}}{{\partial x_2}}\right)^2}{u^2}({x_2})+ \ldots \ldots \right]^{1/2}}. $

式中：u (xi)为自变量xi的测量不确定度. 如表1所示为与本文所用实验装置相关的不确定度. 表中，Emin为本研究中仪器设备的最小误差，Emax为最大误差.

表 1   不同测量仪器的精度、实验不确定度和误差

Tab.1  Accuracy, experimental uncertainty and error for various measuring instrument

序号实验设备精度量程标准不
确定度		Emin/%Emax/%
1电子天平±1 mg0~1 000 g±0.6 mg0.0390.11
2刻度尺±1 mm0~20 cm±0.6 mm0.020.02
3红外热像仪±2%测量值0~350 ℃±1.2%测量值1.21.2
4光功率计±5%测量值4~20 000 W/m2±2.9%测量值2.92.9

新窗口打开| 下载CSV


蒸发速率和能量转换效率测量的总不确定度计算如下：

$ \frac{{u(\dot {m)} }}{{\dot m }} = {\left[ {{{\left(\frac{{u(w)}}{w}\right)}^2}+{{\left(\frac{{u(A)}}{A}\right)}^2}} \right]^{{1}/{2}}}, $

$ \frac{{u(\eta )}}{\eta } = {\left[ {{{\left(\frac{{u(w)}}{w}\right)}^2}+{{\left(\frac{{u(A)}}{A}\right)}^2}+{{\left(\frac{{u(\theta )}}{\theta }\right)}^2}+{{\left(\frac{{u(q)}}{q}\right)}^2}} \right]^{{1}/{2}}}. $

式中：u（$ \dot{m} $）和 u（η）分别为蒸发速率和能量利用率的不确定度，w、A、θ和 q 分别为料液蒸发量、蒸发面积、料液蒸发温度和太阳能辐射热，u（w）、u（A）、u（θ）和 u（q）分别为它们的不确定度.

综上所述，蒸发速率和能量利用率的最大不确定度分别为0.001 2 kg/(m2·h)和3.88%，蒸发速率的最大误差为3.2%.

2. 结果与讨论

2.1. 吸水性及自漂浮性

当太阳辐射不太强（如辐照度为1 kW/m2）时，料液输运能力通常不会成为限制蒸发速率的瓶颈. 当高强度太阳辐射（如大于10 kW/m2）用于蒸发时，料液传输可能会成为限制因素[34]. 海绵的吸水率测量依据必维国际检验集团消费品服务部（Bureau Veritas Consumer Products Services）的 BV S1008 内部测试方法[35-37]. 为了根据该方法测量吸水率，将清洗和干燥后的海绵样品切割成 3 cm×3 cm×3 cm 的尺寸，在实验室条件下使用电子天平测量质量md. 将海绵样品放入装有去离子水的烧杯中，直至吸完水完全浸没在水中，从水中取出海绵样品后，悬挂 3 min以去除多余水分. 用电子天平测量湿样品的质量mw，用干、湿质量之差计算海绵样品的吸水量. 海绵吸水率Sw的计算公式如下:

$ {S_{\mathrm{w}}} = \frac{{{m_{\mathrm{w}}} - {m_{\mathrm{d}}}}}{{{m_{\mathrm{w}}}}} \times 100\text{%} . $

海绵的吸水率定义了可吸收的水量[37]，较高的吸水率是界面蒸发系统对海绵基底的基本要求. 根据式（8）计算得到PVA海绵的吸水率超过911%，远大于以往学者在所研究的毛巾布（575%）、PVA布（496%）、毛圈织物（400%）、无尘纸（~200%）、棉布（~180%）上的吸水率[38].

PVA海绵和MWCNTs海绵蒸发体的吸水性及自漂浮性结果如图3所示. 未经处理的PVA海绵（见图3(a)）在短时间内完成吸水后会沉入烧杯底部（见图3(b)），MWCNTs海绵蒸发体（见图3(c)）吸水后，用外力按压至烧杯底部（见图3(d)）可以实现自漂浮在水面上（见图3(e)），蒸发体实现在水面上的自漂浮，为界面蒸发过程提供了极大的便利. 在蒸发体蒸发的过程中，蒸发界面上侧冷凝板可能回落的液滴对吸光有一定的影响. 对海绵上表面的液滴撞击过程进行研究，不仅可以为探究回落液滴的影响提供帮助，而且可以验证蒸发体的吸水性能. 液滴撞击壁面后，会出现铺展、回缩、反弹、破碎和飞溅等动态过程[39-42]，针对3 mm直径的去离子水液滴，研究从5 cm的高度滴落至PVA海绵和MWCNTs海绵蒸发体的过程，如图4所示. 液滴撞击在干燥的PVA海绵上表面后（见图4(a)），在回缩过程中，175 ms时被完全吸收. 液滴撞击在干燥的MWCNTs海绵蒸发体上表面后（见图4(b)），由于蒸发体疏水表面的不平整，导致液滴在经历扩散、回缩和反弹后，136 ms时离开蒸发体表面，这验证了蒸发体能够自漂浮在水面上的能力. 液滴撞击在湿润的PVA海绵上表面后（见图4(c)），只经历了铺展的过程，在铺展过程中20.2 ms时液滴完全被海绵吸收. 液滴撞击在湿润的MWCNTs海绵蒸发体上表面后（见图4(d)），只经历了铺展的过程，在铺展过程中41.5 ms时液滴完全被吸收，液滴无论是在PVA海绵还是MWCNTs海绵蒸发体上滴落，均可在极短时间内消失，远远短于其他基底结构的液滴吸收时间[12,22,26,43-44]，证明海绵具有极强的吸水性. MWCNTs海绵蒸发体吸收液滴的时间有所增加，这是由于疏水的PDMS聚合物涂覆在蒸发体的上表面，影响了吸水性，但MWCNTs海绵蒸发体上表面的多孔结构具有优异的吸水性，能够保证为蒸发界面提供源源不断的料液.

图 3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 3   MWCNTs海绵蒸发体的吸水及自漂浮性测试


图 4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 4   去离子水液滴撞击的动态过程

Fig.4   Dynamic process of deionized water droplet impact


2.2. 三维及微观结构

较高的吸水率得益于海绵的孔隙结构和毛细效应，使用XRM和SEM对PVA海绵和MWCNTs海绵蒸发体进行测试. 结果表明，PVA海绵的孔隙率高达80.4%（XRM图像，见图5(a)），海绵内部有大小不一的孔隙结构和相互连接的PVA链，聚合物之间相互连接，促进了水分的吸收. 根据SEM图像可以看出，在PVA海绵相互交联的多孔网络结构中，平均孔径为40~100 μm（见图5(c)）. 根据高倍率的SEM图像（见图5(d)）可以看出，PVA海绵的骨架比较平整，骨架上分布着许多错综复杂的小孔. 对于MWCNTs海绵蒸发体，保留了原有PVA海绵的高孔隙率结构（见图5(f)、(g)），但MWCNTs海绵蒸发体的骨架不像PVA海绵那样平整光滑. 这是由于在骨架上附着了大量的MWCNTs和PDMS，有利于对光的吸收，有助于光热转换和自漂浮在水面. 由于孔隙率、孔径和结构特性的优越性，研究的 PVA 海绵的吸水特性明显优于普通 PVA 布[38]，海绵中 PVA 聚合物链之间的距离增加，有效促进了水的传输[45]. MWCNTs海绵蒸发体充足的料液供应可以满足蒸发需求，提高界面蒸发系统的性能.

图 5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 5   PVA海绵和MWCNTs海绵蒸发体的三维及微观结构


2.3. 光吸收率

太阳辐射能的强度取决于太阳光谱的波长，有必要获得太阳能蒸发器在太阳光谱不同波长下的吸收情况. 本文研究中，太阳光无法穿透MWCNTs海绵蒸发体样品，MWCNTs海绵蒸发体的光吸收率由下式计算[46-47]：

$ \alpha = \frac{{\displaystyle \int_{280}^{2\;500} {(1 - {\rho _\lambda }) {E_{\mathrm{s}}}(\lambda ) {\mathrm{d}}\lambda } }}{{\displaystyle \int_{280}^{2\;500} {{E_{\mathrm{s}}}(\lambda ) {\mathrm{d}}\lambda } }} ．$

式中：$ \lambda $为波长，nm；$ {\rho }_{\lambda } $为光谱反射率，% ；$ {E}_{{\mathrm{s}}}\left(\lambda \right) $为光谱辐照度，W/(m2·nm).

如图6所示为MWCNTs海绵蒸发体在较宽波长范围（200~2 500 nm）内的太阳光谱吸收情况. 在MWCNTs浓度以及喷涂PDMS和MWCNTs后海绵上表面多孔结构随机变化的共同影响下，在波长为280~2 500 nm的 AM1.5G光谱内[48]，质量浓度为0.5~3.0 mg/mL的MWCNTs海绵蒸发体的平均光谱吸收率分别为96.9%、96.6%、97%、97.3%、98.4%和98.3%，在湿润条件下，光吸收率会大于该数值[49-50]. MWCNTs海绵蒸发体具有优异的太阳光吸收特性，这对于提高蒸发性能和能量利用率十分重要.

图 6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 6   MWCNTs海绵蒸发体的光吸收率

Fig.6   Absorption spectrum of MWCNTs evaporator


2.4. 光热转换及蒸发性能

通过直接光照的方式，对MWCNTs海绵蒸发体的光热性能进行测试. 对于不同MWCNTs浓度的MWCNTs海绵蒸发体，在辐照度为1 kW/m2的光照条件下，表面温度变化如图7（a）所示. 图中，θ1为光热过程蒸发体表面温度，t为时间. 不同的MWCNTs在5 min后均可维持在64~74 ℃，10 s内温升可超过15 ℃，60 s内温升可超过35 ℃（见图8(a)）. MWCNTs质量浓度为2.0 mg/mL的蒸发体表面温度维持在71.5 ℃，没有喷涂MWCNTs的PVA海绵表面温度最高仅为33 ℃，所以MWCNTs的加入为MWCNTs海绵蒸发体光热性能的提升提供了有力保障.

图 7

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 7   MWCNTs海绵蒸发体在辐照度为1 kW/m2的光照条件下的上表面温度变化

Fig.7   Change in upper surface temperature of MWCNTs evaporate under solar irradiance of 1 kW/m2


图 8

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 8   MWCNTs海绵蒸发体在辐照度为1 kW/m2光照条件下的上表面红外热像图

Fig.8   Upper surface thermal image of temperature change of MWCNTs evaporate under solar irradiance of 1 kW/m2


基于MWCNTs海绵蒸发体的优良光热性能，研究不同MWCNTs浓度对MWCNTs海绵蒸发体的界面蒸发速率和能量利用率的影响，蒸发时的界面温度、蒸发量和蒸发速率见图7(b)、（8b）、9(a)、9(b). 图中，θ2为光热过程中蒸发体表面的温度，m为蒸发量， RE为蒸发速率，ρ为MWCNTs质量浓度. 从图9(b)可以看出，蒸发速率随MWCNTs质量浓度的增加而出现先增加后降低的趋势，MWCNTs质量浓度为2.0 mg/mL的蒸发体的蒸发速率最大，达到1.79 kg/(m2·h)，是无蒸发体容积式蒸发速率的3.9倍. 这是由于MWCNTs海绵蒸发体的优异光热性能和吸水性能，将太阳光转化为热能后通过导热的方式迅速扩散至整个蒸发界面，使蒸发界面温度升高且分布均匀. 海绵基底为蒸发界面源源不断地提供料液用于蒸发，PVA海绵的多孔网络结构为水分蒸发，即水分子从蒸发界面的逃逸提供了便利. 在蒸发过程中，蒸发界面温度变化的红外热像图如图8(b)所示. 在蒸发进行到25 min后，蒸发界面温度基本达到稳定，其中MWCNTs质量浓度为2.0 mg/mL的蒸发体温度稳定在36.5 ℃，与光热测试中无蒸发时相比，温差约为35 ℃，这是几个样品中温差最大的. 这是由于有更多热量用于料液蒸发，而不是蒸发界面的温度升高上. 由于光热转换的热量与基底结构供给的料液蒸发所需的热量较匹配，蒸发速率最高.

图 9

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 9   MWCNTs蒸发体的蒸发性能

Fig.9   Evaporation performance of MWCNTs evaporate


在MWCNTs海绵蒸发体的蒸发过程中，由于热辐射、热对流、热传导损失等原因，并非所有太阳能都能用于蒸发，热量管理在高效蒸发过程中发挥着重要作用. 由于热损失是影响界面蒸发能量利用率的主要因素，对热损失进行计算，包括辐射热损失、对流热损失和导热损失. 作为示例，计算MWCNTs质量浓度为2.0 mg/mL的蒸发体在辐照度为1 kW/m2的太阳辐射下的热损失，以此为例研究MWCNTs海绵蒸发体的能量平衡. 结果表明，根据斯忒藩-玻尔兹曼定律、牛顿冷却公式和傅里叶定律可知，蒸发体的辐射热损失、对流热损失和导热热损失分别为18.3、13.7和44.5 W/m2，总热损失占输入能量的9.3%（反射热损失约占1.6%、辐射热损失约占1.8%、对流热损失约占1.4%、导热热损失约占4.5%）. 将除入射光照的外部因素，包括料液池在内的蒸发体作为热力学系统进行分析可知，蒸发界面向料液池导热的热损失可以看作是预热料液，料液在蒸发界面吸收较少的热量即可蒸发. 根据能量守恒定律可知，大约有90.7%的能量用于料液蒸发，即能量利用率约为90.7%，根据式（1）~（3）计算得到的能量利用率为125.2%. 根据水团簇（water clusters）理论[51]、中间水（Intermediate water）理论[52]和界面活化作用机理[53]可知，能量利用率超过100%可能是因为MWCNTs海绵蒸发体内的料液蒸发时蒸发焓降低了.

2.5. 抗盐性能

对于采用热局部化的漂浮式太阳能界面蒸发体来说，防止盐的累积是重要且研究较少的课题[54]. 为了防止基底结构被盐晶体堵塞及蒸发界面遮光，抗盐性能是对太阳能界面蒸发体的最基本要求之一，优异的抗盐性能可以大幅提高海水淡化的效率. 为了研究MWCNTs海绵蒸发体多孔结构盐分的扩散能力，即抗盐特性，如图10所示，将0.2 g固体NaCl放置在正在蒸发的MWCNTs海绵蒸发体上表面. 当固体NaCl接触到蒸发界面的液膜时，NaCl开始溶解并通过扩散的方式运移到料液池. 大约90 min后，蒸发体上表面的NaCl完全消失，证明该MWCNTs海绵蒸发体在基本不影响蒸发性能的同时，还具备优异的抗盐特性.

图 10

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 10   MWCNTs海绵蒸发体蒸发过程中的NaCl晶体自扩散

Fig.10   Self-diffusion of NaCl crystal during evaporation of MWCNTs evaporate


对MWCNTs质量浓度为2.0 mg/mL的海绵蒸发体进行料液质量分数为3.5%的盐水蒸发实验. 从图11（a）可以看出，相比于去离子水，盐水蒸发速率稍有下降，这是由于Na+离子对水分子具有极强的吸附作用，导致水分子的自由能减小，水分子逃逸的难度增大，使得水分子在汽化阶段逃逸出水面的速率降低[55-56]，质量分数为3.5%的料液蒸发速率降低. 如图11(b)所示，随着蒸发的进行，蒸发速率略有上升. 这是由于在蒸发过程中，蒸发界面温度较高，向下传导热量，料液温度升高，给正在向上输运的料液提前预热，使得向上输运的料液温度不断升高，在蒸发界面蒸发时需要的热量稍有减少，蒸发量有所提升. MWCNTs海绵蒸发体基底的相互交联的多孔网络结构（见图5(a)、(c)）不仅增强了料液输运能力，而且为蒸发界面水分蒸发后的高浓度料液提供了向下扩散的通道. 在蒸发10 h后，蒸发表面没有NaCl晶体析出，脱盐率为99.65%，蒸发速率高达1.68 kg/(m2·h)，高于目前报道的部分碳纳米管基蒸发体的相关文献水平[12-13, 22-23,26-27].

图 11

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 11   MWCNTs海绵蒸发体在NaCl溶液中的蒸发性能

Fig.11   Evaporation performance of MWCNTs evaporate in NaCl solution


3. 结　语

本文通过将MWCNTs、PDMS和PVA海绵进行组合，只需要喷涂工艺，即可获得上层疏水、下层亲水的Janus结构太阳能界面蒸发体. 该蒸发体具备良好的吸水性能、自漂浮性能、光热性能、蒸发性能及抗盐性能，光吸收率最高达到98.4%，在辐照度为1 kW/m2的光照条件下，表面温度可达74 ℃，最大蒸发速率可达1.79 kg/(m2·h)，为无蒸发体容积式蒸发速率的3.9倍. 当料液质量分数为3.5%时，连续蒸发10 h后，蒸发界面无盐晶体析出，蒸发速率最高为1.68 kg/(m2·h). 本文制备的基于MWCNTs的Janus结构太阳能界面蒸发体在海水淡化中有较好的工程应用前景，在高盐度废水和污水处理中可能遇到的挑战需要进一步的探究.

参考文献

郑宏飞. 太阳能海水淡化原理与技术 [M]. 北京: 化学工业出版社, 2012.

[本文引用: 1]

OTANICAR T P, PHELAN P E, PRASHER R S, et al

Nanofluid based direct absorption solar collector

[J]. Journal of Renewable and Sustainable Energy, 2010, 2: 033102

DOI:10.1063/1.3429737      [本文引用: 1]

PRASHER R, PHELAN P E, BHATTACHARYA P

Effect of aggregation kinetics on the thermal conductivity of nanoscale colloidal solutions (nanofluid)

[J]. Nano Letters, 2006, 6 (7): 1529- 1534

DOI:10.1021/nl060992s      [本文引用: 1]

GHADIMI A

, SAIDUR R, METSELAAR H S C. A review of nanofluid stability properties and characterization in stationary conditions

[J]. International Journal of Heat and Mass, 2011, 54 (17/18): 4051- 4068

CHEN Y Y, QUAN X J, WANG Z Y, et al

Stably dispersed high-temperature Fe3O4/silicone oil for direct solar thermal energy harvest

[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2016, 4 (44): 17503- 17511

DOI:10.1039/C6TA07773K     

YU Fa, CHEN Y Y, LIANG X B, et al

Dispersion stability of thermal nanofluids

[J]. Progress in Natural Science-Materials International, 2017, 27 (5): 531- 542

DOI:10.1016/j.pnsc.2017.08.010      [本文引用: 1]

GHASEMI H, NI G, MARCONNET A M, et al

Solar steam generation by heat localization

[J]. Nature Communications, 2014, 5: 4449

DOI:10.1038/ncomms5449      [本文引用: 1]

WANG Z H, LIU Y M, TAO P, et al

Bio-inspired evaporation through plasmonic film of nanoparticles at the air-water interface

[J]. Small, 2014, 10 (16): 3234- 3239

DOI:10.1002/smll.201401071      [本文引用: 1]

DAO V D, VU N H, YUN S, Recent advances and challenges for solar-driven water evaporation system toward applications [J]. Nano Energy , 2020, 68: 104324.

[本文引用: 4]

ZHANG P P, LIAO Q H, YAO H Z, et al

Direct solar steam generation system for clean water production

[J]. Energy Storage Materials, 2019, 18: 429- 446

DOI:10.1016/j.ensm.2018.10.006      [本文引用: 1]

YANG B, ZHANG Z M, LIU P T, et al

Flatband λ-Ti3O5 towards extraordinary solar steam generation

[J]. Nature, 2023, 622 (7983): 499- 506

DOI:10.1038/s41586-023-06509-3      [本文引用: 1]

LI Y L, CUI X X, ZHAO M Y, et al

Facile preparation of a robust porous photothermal membrane with antibacterial activity for efficient solar-driven interfacial water evaporation

[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7 (2): 704

DOI:10.1039/C8TA09223K      [本文引用: 3]

LI L, ZANG L L, ZHANG S C, et al

GO/CNT-silica Janus nanofibrous membrane for solar-driven interfacial steam generation and desalination

[J]. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 2020, 111: 191- 197

DOI:10.1016/j.jtice.2020.03.015      [本文引用: 2]

WANG Y L, LIU H, CHEN C J, et al

All natural, high efficient groundwater extraction via solar steam/vapor generation

[J]. Advanced Sustainable Systems, 2019, 3 (1): 1800055

DOI:10.1002/adsu.201800055      [本文引用: 1]

JIANG Q S, TIAN L M, LIU K K, et al

Bilayered biofoam for highly efficient solar steam generation

[J]. Advanced Materials, 2016, 28 (42): 9400- 9407

DOI:10.1002/adma.201601819      [本文引用: 1]

LI Y J, GAO T T, YANG Z, et al

Graphene oxide-based evaporator with one-dimensional water transport enabling high-efficiency solar desalination

[J]. Nano Energy, 2017, 41: 201- 209

DOI:10.1016/j.nanoen.2017.09.034      [本文引用: 1]

MA S N, CHIU C P, ZHU Y J, et al

Recycled waste black polyurethane sponges for solar vapor generation and distillation

[J]. Applied energy, 2017, 206: 63- 69

DOI:10.1016/j.apenergy.2017.08.169     

WANG G, FU Y, GUO A K, et al

Reduced graphene oxide-polyurethane nanocomposite foams as a reusable photo-receiver for efficient solar steam generation

[J]. Chemistry of Materials, 2017, 29: 5629- 5935

DOI:10.1021/acs.chemmater.7b01280      [本文引用: 1]

HU X Z, XU W C, ZHOU L, et al

Tailoring graphene oxide-based aerogels for efficient solar steam generation under one sun

[J]. Advanced Materials, 2017, 29 (5): 1604031

DOI:10.1002/adma.201604031      [本文引用: 1]

GUO C L, MIAO E D, ZHAO J X, et al

Paper-based integrated evaporation device for efficient solar steam generation through localized heating

[J]. Solar Energy, 2019, 188: 1283- 1291

DOI:10.1016/j.solener.2019.07.023      [本文引用: 1]

JIA C, LI T, CHEN C J, et al

Scalable, anisotropic transparent paper directly from wood for light management in solar cells

[J]. Nano Energy, 2017, 36: 366- 373

DOI:10.1016/j.nanoen.2017.04.059      [本文引用: 1]

LI Q W, ZHAO X, LI L X, et al

Facile preparation of polydimethylsiloxane/carbon nanotubes modified melamine solar evaporators for efficient steam generation and desalination

[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2021, 584: 602- 609

DOI:10.1016/j.jcis.2020.10.002      [本文引用: 4]

ZHAO X, ZHA X J, PU J H, et al

Macroporous three-dimensional MXene architectures for highly efficient solar steam generation

[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7 (17): 10446

DOI:10.1039/C9TA00176J      [本文引用: 2]

LI N, YIN D D, XU L L, et al

High-quality ultralong copper sulphide nanowires for promising applications in high efficiency solar water evaporation

[J]. Materials Chemistry Frontiers, 2019, 3 (3): 394- 398

DOI:10.1039/C8QM00549D      [本文引用: 1]

李吉焱, 景艳菊, 邢郭宇, 等

耐盐型太阳能驱动界面光热材料及蒸发器的研究进展

[J]. 化工进展, 2023, 42 (7): 3611- 3622

[本文引用: 1]

LI Jiyan, JING Yanju, XING Guoyu, et al

Research progress and challenges of salt-resistant solar-driven interface photo-thermal materials and evaporator

[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2023, 42 (7): 3611- 3622

[本文引用: 1]

ZHU B, KOU H, LIU Z X, et al

Flexible and washable CNT-embedded PAN nonwoven fabrics for solar-enabled evaporation and desalination of seawater

[J]. ACS Applied Materials and Interfaces, 2019, 11 (38): 35005- 35014

DOI:10.1021/acsami.9b12806      [本文引用: 3]

HAN X N, ZANG L L, ZHANG S C, et al

Hydrophilic polymer-stabilized porous composite membrane for water evaporation and solar desalination

[J]. RSC Advances, 2020, 10 (5): 2507- 2512

DOI:10.1039/C9RA09667A      [本文引用: 2]

YANG X D, YANG Y B, FU L N, et al

An ultrathin flexible 2D membrane based on single-walled nanotube: MoS2 hybrid film for high-performance solar steam generation

[J]. Advanced Functional Materials, 2018, 28 (3): 1704505

DOI:10.1002/adfm.201704505      [本文引用: 1]

EL-D H T, ETTOUNEY H M. Fundamentals of salt water desalination [M]. Amsterdam: Elsevier, 2002.

[本文引用: 1]

RAHBAR N, ESFAHANI J A

Experimental study of a novel portable solar still by utilizing the heatpipe and thermoelectric module

[J]. Desalination, 2012, 284: 55- 61

DOI:10.1016/j.desal.2011.08.036      [本文引用: 1]

RAJASEENIVASAN T, NELSON R P, SRITHAR K

An experimental investigation on a solar still with an integrated flat plate collector

[J]. Desalination, 2014, 347: 131- 137

DOI:10.1016/j.desal.2014.05.029     

RAHBAR N, ESFAHANI J A, ASADI A

An experimental investigation on productivity and performance of a new improved design portable asymmetrical solar still utilizing thermoelectric modules

[J]. Energy Conversion and Management, 2016, 118: 55- 62

DOI:10.1016/j.enconman.2016.03.052     

KHATTAB N M, El SHENAWY E T

Optimal operation of thermoelectric cooler driven by solar thermoelectric generator

[J]. Energy Conversion and Management, 2006, 47 (4): 407- 426

DOI:10.1016/j.enconman.2005.04.011      [本文引用: 2]

ZHANG L N, XU Z Y, ZHAO L, et al

Passive, high-efficiency thermally-localized solar desalination

[J]. Energy and Environmental Science, 2021, 14 (4): 1771- 1793

[本文引用: 1]

KARAHAN M, EREN R

Experimental investigation of the effect of fabric parameters on static water absorption in terry fabrics

[J]. Fibres and Textiles in Eastern Europe, 2006, 14 (2): 59- 63

[本文引用: 1]

PETRULYTE S, BALTAKYTE R

Static water absorption in fabrics of different pile height

[J]. Fibres and Textiles in East Europe, 2009, 17 (3): 60- 65

CRUZ Ja, LEITÃO A, SILVEIRA D, et al

Study of moisture absorption characteristics of cotton terry towel fabrics

[J]. Procedia Engineering, 2017, 200: 289- 298

[本文引用: 2]

ASHISH C K, SUJITH KUMAR C S, RAJ A K, et al. Experimental evaluation on the capillarity effect of different wicking structure incorporated in a patterned absorber facilitating solar interfacial evaporation [J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry , 2022, 147(17): 9865–9886.

[本文引用: 2]

王开珉, 张玉杰, 刘晓华, 等

液滴撞击加热亲水管壁后的反弹和中心射流

[J]. 浙江大学学报: 工学版, 2022, 56 (6): 1191- 1198

[本文引用: 1]

WANG Kaimin, ZHANG Yujie, LIU Xiaohua, et al

Droplet rebound and central jet after impacting hydrophilic tubular surface

[J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science, 2022, 56 (6): 1191- 1198

[本文引用: 1]

WANG K M, CHEN H, GE H Y, et al

Study of impact velocity and curvature ratio on the dynamic characteristics of double droplets impacting super-hydrophobic tubes

[J]. Physics of Fluids, 2021, 33 (1): 013301

DOI:10.1063/5.0035624     

WANG K M, LIU J W, YANG X W, et al

Experimental study on the droplet dynamics after impacting an inclined superhydrophobic surface

[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2023, 675: 132016

DOI:10.1016/j.colsurfa.2023.132016     

WANG K M, YANG X W, LIU J W, et al

Directional control of the size and velocity of micro-droplets ejected after impacting a super-hydrophobic surface

[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2023, 149: 111012

DOI:10.1016/j.expthermflusci.2023.111012      [本文引用: 1]

ZHANG Q, LI L, JIANG B, et al

Flexible and mildew-resistant wood-derived aerogel for stable and efficient solar desalination

[J]. ACS Applied Materials and Interfaces, 2020, 12 (25): 28179- 28187

DOI:10.1021/acsami.0c05806      [本文引用: 1]

YOU D Y, YANG W T, ZHAO Y J, et al

Salt-tolerant and low-cost flame-treated aerogel for continuously efficient solar steam generation

[J]. Solar Energy, 2021, 227: 303- 311

DOI:10.1016/j.solener.2021.09.024      [本文引用: 1]

LIU G H, XU J L, WANG K Y

Solar water evaporation by black photothermal sheets

[J]. Nano Energy, 2017, 41: 269- 284

DOI:10.1016/j.nanoen.2017.09.005      [本文引用: 1]

LIND M A, PETTIT R B, MASTERSON K D

The sensitivity of solar transmittance, reflectance and absorptance to selected averaging procedures and solar irradiance distributions

[J]. Journal of Solar Energy Engineering, 1980, 102 (1): 34- 40

DOI:10.1115/1.3266119      [本文引用: 1]

DENG Z Y, MIAO L, LIU P F, et al

Extremely high water-production created by a nanoink-stained PVA evaporator with embossment structure

[J]. Nano Energy, 2019, 55: 368- 376

DOI:10.1016/j.nanoen.2018.11.002      [本文引用: 1]

ASTM. Standard tables for reference solar spectral irradiances: direct normal and hemispherical on 37° tilted surface: ASTM G173-03(2020) [S]. Pennsylvania: ASTM, 2020.

[本文引用: 1]

JIN Y, CHANG J, SHI Y, et al

A highly flexible and washable nonwoven photothermal cloth for efficient and practical solar steam generation

[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6 (17): 7942- 7949

DOI:10.1039/C8TA00187A      [本文引用: 1]

ZHANG Y X, XIONG T, SURESH L, et al

Guaranteeing complete salt rejection by channeling saline water through fluidic photothermal structure toward synergistic zero energy clean water production and in situ energy generation

[J]. ACS Energy Letters, 2020, 5 (11): 3397- 3404

DOI:10.1021/acsenergylett.0c01797      [本文引用: 1]

MITSUHIKO M, ASUKA F, TAKAYUKI E, et al

Infrared spectroscopic evidence for protonated water clusters forming nanoscale cages

[J]. Science, 2024, 304 (5674): 1134- 1137

[本文引用: 1]

KUSHI K, JUNICHI I, GIKA S, et al

Structural changes of water in poly(vinyl alcohol) hydrogel during dehydration

[J]. Journal of Chemical Physics, 2014, 140 (4): 044909

DOI:10.1063/1.4862996      [本文引用: 1]

张敬敬. 基于太阳能界面光热效应的脱盐净水研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2022.

[本文引用: 1]

ZHANG Jingjing. Study on desalination and water purification based on interfacial photothermal effect of solar energy [D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2022.

[本文引用: 1]

WANG Z X, HORSEMAN T, STRAUB A P, et al

Pathways and challenges for efficient solar-thermal desalination

[J]. Science Advances, 2019, 5 (7): eaax0763

DOI:10.1126/sciadv.aax0763      [本文引用: 1]

李桐, 邱国玉

基于稳定氢氧同位素的盐水与纯水蒸发差异分析

[J]. 热带地理, 2018, 38 (6): 857- 865

[本文引用: 1]

LI Tong, QIU Guoyu

Hydrogen and oxygen stable isotope study on the difference of evaporation between salt and pure water

[J]. Tropical Geography, 2018, 38 (6): 857- 865

[本文引用: 1]

李阳, 贾瑞亮, 周金龙, 等

干旱地区高盐度水面蒸发试验研究

[J]. 水文, 2016, 36 (6): 24- 27

[本文引用: 1]

LI Yang, JIA Ruiliang, ZHOU Jinlong, et al

Experimental study on high salinity water surface evaporation in arid areas

[J]. Journal of China Hydrology, 2016, 36 (6): 24- 27

[本文引用: 1]

/

〈 〉