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        PVDF-CNT自漂浮多孔微珠的制備及在高效太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)中的應用

        2021-08-16 05:16:14梁平平李紅藝丁亞丹溫曉琨劉俊平
        高等學?;瘜W學報 2021年8期
        關(guān)鍵詞:光吸收微珠太陽光

        梁平平,劉 帥,李紅藝,丁亞丹,溫曉琨,劉俊平,洪 霞

        (1.東北師范大學紫外光發(fā)射材料與技術(shù)教育部重點實驗室,長春 130024;2.吉林農(nóng)業(yè)科技學院機械與土木工程學院,吉林 132101)

        隨著全球人口的增長和環(huán)境污染的加劇,能源短缺與淡水資源匱乏已成為阻礙人類社會發(fā)展的重要威脅[1,2].太陽能是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源,利用太陽能獲取淡水資源的太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)在眾多水蒸發(fā)技術(shù)中脫穎而出[3,4].這項技術(shù)利用漂浮在氣-液界面的光熱材料捕獲太陽能并將其轉(zhuǎn)化為熱能,使熱能局限在水蒸發(fā)界面處,避免了傳統(tǒng)水體加熱技術(shù)引起的熱損失,提高了蒸發(fā)效率[5,6].太陽光中包含約3%的紫外光、約45%的可見光和約52%的近紅外光,理想的光熱材料應確保有強的太陽能全波譜(300~2500 nm)光吸收.近年來,碳基材料[7~9]、金屬基納米顆粒[10,11]、金屬氧化物[12,13]、聚合物[14,15]和生物基質(zhì)材料[16,17]等多種光熱材料被先后開發(fā)用于太陽能界面水蒸發(fā).其中,碳納米管(CNTs)因具有高的光吸收系數(shù)、超寬的帶吸收、優(yōu)異的熱傳導性、良好的熱穩(wěn)定性及相對低的成本等優(yōu)點而備受關(guān)注[18,19].有報道稱,CNTs是世界上最暗的材料,其反射很小,可以吸收幾乎所有的可見光[20,21].目前CNTs多用于二維太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)[22~24].相對而言,三維材料提高了空間利用率,增大了實際蒸發(fā)面積.同時,太陽光在三維材料,尤其是三維多孔材料中經(jīng)過的反射-再吸收次數(shù)更多,傳播途徑更長,光反射更低,對太陽光入射方位的依賴更小,能更加有效地捕獲太陽光,實現(xiàn)高效的水蒸發(fā).

        本文選用CNTs為光熱材料,聚偏氟乙烯(PVDF)為自漂浮支持材料和隔熱材料,采用相轉(zhuǎn)化法制備PVDF-CNT自漂浮多孔微珠,系統(tǒng)研究了CNTs含量對微珠光吸收性能、光熱性能及太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)性能的影響.這種相轉(zhuǎn)化法操作簡便、快捷,對器材要求低,能滿足耗時短、產(chǎn)率高的工業(yè)化需求.

        1 實驗部分

        1.1 試劑與儀器

        PVDF(Mw=400000~600000)購自上海東氟化工科技有限公司;多壁CNTs(純度>95%,羧基功能化程度為3.86%,質(zhì)量分數(shù))購自南京先豐納米材料科技有限公司;N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和乙醇購自北京化工廠.

        美國FEI公司FEG-250型掃描電子顯微鏡(SEM);日本Rigaku公司D/max-2500型X射線衍射儀(XRD,CuKα輻射源,λ=0.154 nm,掃描范圍10°~50°,掃描速率5°/min);美國Micromritics公司ASAP2020型物理吸附儀;德國Krüss公司DSA100型接觸角測試儀;日本JASCO公司積分球式V-770紫外-可見-近紅外分光光度計(UV-Vis-NIR,積分球模式,測試波長范圍300~2500 nm,掃描速率400 nm/min,狹縫寬5 nm);上海熱像科技股份有限公司FOTRIC225型紅外攝像機;北京泊菲萊CHF-XM500型氙燈光源;北京中教金源科技有限公司CEL-NP2000型光功率計.

        1.2 PVDF-CNT微珠的制備

        配制PVDF質(zhì)量分數(shù)為18%,CNTs質(zhì)量分數(shù)分別為0,1%,2%和2.5%,DMF為20 mL的前驅(qū)體溶液.利用注射器將前驅(qū)體溶液豎直懸滴入高純水中,獲得PVDF-CNT自漂浮多孔微珠.用高純水和乙醇交替洗滌3次,真空干燥備用.所得微珠分別記為PC-0,PC-1,PC-2和PC-2.5.

        1.3 水蒸發(fā)測試

        將PVDF-CNT微珠鋪滿盛有高純水的聚四氟乙烯容器.以帶有AM 1.5濾光片、功率密度為1 kW/m2的太陽光模擬器(相當于一個太陽)為光源,在環(huán)境溫度為(24.8±0.5)℃、相對濕度為(40±10)%的條件下照射該容器,利用精度為0.0001 g的電子分析天平記錄水蒸發(fā)過程中的質(zhì)量變化,利用紅外攝像機記錄水蒸發(fā)過程中的溫度變化.在相同的實驗條件下,重復循環(huán)10次上述實驗,每次實驗結(jié)束后,將PVDF-CNT微珠洗滌、烘干后再繼續(xù)使用.

        2 結(jié)果與討論

        2.1 PVDF-CNT微珠的表征

        圖1(A)~(D)為PVDF-CNT微珠表面和剖面不同放大倍數(shù)的SEM照片.由圖1(A)~(D)可知,利用相轉(zhuǎn)化法獲得了毫米級水滴狀微珠,其表面由近似有序排列的納米溝壑和無序的亞微米孔隙構(gòu)成,其內(nèi)部含有大量孔隙.在放大圖[圖1(B),(D)]中發(fā)現(xiàn)微珠表面和內(nèi)部有線狀突起,其尺寸約為18 nm,與CNTs的尺寸相當[圖1(E)].

        Fig.1 SEMimages of PC-2.5(A—D)and CNTs(E)(A,B)Images of the surface with different magnifications;(C,D)cross-section images with different magnifications.

        圖2 (A)為PVDF,CNTs及PVDF-CNT微珠的XRD譜圖.PVDF在18.4°,20.6°,36.5°和41.1°處出現(xiàn)了4個衍射峰,分別對應于α晶型的(020)晶面和β晶型的(110),(020)和(111)面.CNTs在25.6°和42.9°分別出現(xiàn)了石墨結(jié)構(gòu)的(002)晶面和(100)晶面衍射峰.PVDF-CNT微珠的XRD譜圖中同時出現(xiàn)了PVDF和CNTs的衍射峰,驗證了PVDF-CNT微珠中CNTs和PVDF的存在.

        利用氮氣吸附-脫附曲線對PVDF-CNT微珠的孔結(jié)構(gòu)進行了進一步的表征.從圖2(B)中可知其吸附-脫附等溫線為IV型曲線,表明了PVDF-CNT微珠具有介孔結(jié)構(gòu).其BET比表面積為18.2 m2/g.從孔徑分布曲線[圖2(B)插圖]可知,CNT-PVDF微珠除存在大量的介孔外,還有一些微孔和大孔,總孔容為0.148 cm3/g,平均孔徑為29.3 nm.PVDF-CNT微珠這種獨特的三維多孔結(jié)構(gòu)有助于太陽光的高效捕獲,同時還可為水運輸和蒸汽逸出提供通道.

        Fig.2 XRD patterns of PVDF,CNTs and PC-2.5(A),N2 adsorption-desorption isotherm of PC-2.5(B)and photograph of PC-2.5 floating on the water surface(C)The inset of(B)shows the corresponding pore size distribution of PC-2.5.The inset of(C)shows the photograph of a 1μL water drop on the surface of PC-2.5.

        圖2 (C)為PVDF-CNT微珠置于水中的照片.可以看出,PVDF-CNT微珠能漂浮在水面上,這主要歸因于PVDF-CNT微珠是疏水的[圖2(C)插圖].PVDF-CNT微珠的自漂浮能力可使熱量局限在氣-液界面處,為實現(xiàn)界面水蒸發(fā)創(chuàng)造了條件.

        2.2 PVDF-CNT微珠的光吸收及光熱性能

        由于太陽能驅(qū)動水蒸發(fā)效率很大程度上取決于光熱材料捕獲太陽光的能力,因此,測試了PVDF微珠(PC-0)及PVDF-CNT微珠在300~2500 nm范圍內(nèi)的反射和透射光譜,光吸收率由A=100%-R-T計算,其中R(%)和T(%)分別是反射率和透過率.由圖3(A)可見,PVDF微珠的平均光吸收率遠低于PVDF-CNT微珠,僅約為32.2%.PVDF-CNT微珠的光吸收能力隨CNTs含量的增加而逐漸增強,當CNTs含量為2.5%時(即PC-2.5),光吸收能力最佳,可吸收約94.5%的太陽光.

        高效的光吸收有利于獲得優(yōu)異的光熱性能.我們記錄了純水和不同CNTs含量的PVDF-CNT微珠在1 kW/m2的太陽光模擬器照射下表面溫度隨時間的變化曲線.由圖3(B)可見,純水和PVDF微珠表面溫度隨光照時間延長上升緩慢,40 min內(nèi)僅升高至24.6和26.7℃.相比之下,CNTs含量分別為1%,2%和2.5%的PVDF-CNT微珠光照2 min后,表面溫度迅速上升至31.7,41.3和43.1℃;繼續(xù)照射,微珠表面溫度上升幅度減緩,光照40 min時溫度趨近于最高值(50.1℃),比純水的表面溫度高了25.5℃[圖3(C)].以上結(jié)果表明,PVDF-CNT微珠能有效捕獲太陽光并將其轉(zhuǎn)化為熱能以進行太陽能水蒸發(fā).

        Fig.3 Absorption spectra of PVDF microbeads and PVDF-CNT microbeads with different CNT contents(A),surface temperatures of pure water,PVDF microbeads and PVDF-CNT microbeads floating on the water surface for different irradiation time(B)and IR thermal images of pure water and PC-2.5 after light irradiation for 30 min(C)

        2.3 PVDF-CNT微珠的水蒸發(fā)性能

        通常利用水蒸發(fā)速率和太陽能轉(zhuǎn)換效率來評估材料將吸收的太陽能轉(zhuǎn)化為熱能進而導致水蒸發(fā)的能力.水蒸發(fā)速率[νe,kg/(m2·h)]和太陽能轉(zhuǎn)換效率(η,%)的計算公式如下[25,26]:

        式中:m(kg)為水蒸發(fā)后損失的質(zhì)量;S(m2)為容器開口面積;t(h)為蒸發(fā)時間;HLV(kJ/kg)為水的液相轉(zhuǎn)變成氣相的總焓變;Qi(kW/m2)是太陽能模擬器的光功率密度.由圖4(A)可見,在1 kW/m2的太陽光模擬器照射下,在水面上加入不同CNTs含量的PVDF-CNT微珠比加入PVDF微珠和純水表現(xiàn)出更快的質(zhì)量損失,與表面溫度變化趨勢一致.隨著PVDF-CNT微珠中CNTs含量的增加,水蒸發(fā)速率和微珠太陽能轉(zhuǎn)換效率逐漸增大[圖4(B)].當CNTs含量增大到2.5%時,水蒸發(fā)速率達到最大值,為1.501 kg/(m2·h),微珠的太陽能轉(zhuǎn)換效率為94.2%,均為純水的3.2倍,CNTs的1.92倍.由圖4(C)可見,將PC-2.5在1 kW/m2的太陽光模擬器照射下循環(huán)使用10次,每次照射1 h,仍能保持1.472 kg/(m2·h)左右的高蒸發(fā)速率,說明PVDF-CNT微珠具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性及重復利用性.CNTs含量是影響微珠光吸收、光熱轉(zhuǎn)換和水蒸發(fā)性能的關(guān)鍵,相比之下,微珠尺寸的影響并不顯著(圖S1~圖S5,見本文支持信息).

        Fig.4 Cumulative weight loss of water as a function of irradiation time(A),water evaporation rate and solar conversion efficiency(B)and evaporation cycle performance of PC-2.5(C)(B)a.Water;b.PC-0;c.CNTs;d.PC-1;e.PC-2;f.PC-2.5.

        3 結(jié) 論

        利用相轉(zhuǎn)化法成功制備了可應用于太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)的PVDF-CNT微珠.該微珠具有多孔結(jié)構(gòu)、疏水性能、自漂浮性能,對太陽光全譜吸收最高可達94.5%,光熱性能優(yōu)異,最佳的水蒸發(fā)速率高達1.501 kg/(m2·h),太陽能轉(zhuǎn)換效率高達94.2%.該研究可為低成本、高產(chǎn)率、高效太陽能水蒸發(fā)體系的構(gòu)建和工業(yè)化應用提供參考.

        支持信息見http://www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20210045.

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