韓傳龍，李益飛，張衛(wèi)康，尹軍，孫浩軒，孫壯志

（東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150000）

天然木材作為一種豐富的可再生生物質(zhì)資源，具有良好的親水性、有效的水傳輸能力和低導(dǎo)熱系數(shù)，近年來被廣泛應(yīng)用于太陽能界面蒸發(fā)[13]。然而，作為界面蒸發(fā)器的天然木材，其吸光能力較低，蒸發(fā)性能較差，因此需要對天然木材進(jìn)行處理和表面修飾，這促使研究人員探索改進(jìn)解決方案。Tang 和Zhang 等[14-15]對木材采用高溫表面碳化和水熱處理，制備了太陽能蒸發(fā)器。Yin 等[16]研究了等離子體光熱材料在各種場景的應(yīng)用。Lin 等[17]利用石墨烯超材料制備了金屬基的太陽能選擇吸收器。Chen 等[18]通過刷洗方法，利用磷酸鋁對木塊頂部表面進(jìn)行修飾，用于界面太陽能蒸發(fā)。Mohammad 等[19]通過激光來回運(yùn)動(dòng)對木材表面進(jìn)行處理。之前報(bào)道的木質(zhì)蒸發(fā)器在界面蒸發(fā)方面取得了重大進(jìn)展，但隨著技術(shù)不斷的發(fā)展，仍然存在挑戰(zhàn)。在某些情況下，表面光熱涂層的制備工藝復(fù)雜（多步合成用時(shí)長，需經(jīng)高溫干燥、淬火或等離子體處理等多種制備過程）[20]，成本高昂（多采用貴金屬納米顆粒）[21]，能耗高（高溫造成表面碳化），并且會(huì)影響木材蒸發(fā)表面的親水性。因此，仍然需要開發(fā)能夠滿足高效蒸汽產(chǎn)生的多功能特性的木質(zhì)太陽能蒸發(fā)器。

使用木塊作為太陽能海水淡化蒸發(fā)器的基底，將其一端面設(shè)計(jì)為仿根系的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，可以穩(wěn)固地漂浮在水面上，大大增加了與水的接觸面積。在此基礎(chǔ)上，制備了六組不同處理工藝下的太陽能界面蒸發(fā)器，并對其蒸發(fā)性能進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

巴沙木購自江蘇連云港。氫氧化鈉（NaOH，2.8M）、亞氯酸鈉（NaClO2，0.3M）、過氧化氫（H2O2）、丙烯酰胺（AM）、過硫酸銨（APS）、四甲基乙二胺（TEMED）、海藻酸鈉（SA）、N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）購于天津化學(xué)試劑公司。二氧化鈦（直徑20 nm，親水）和氮化碳（C3N4）購于麥克林公司。多壁碳納米管水分散液（Mcnt，碳管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.6%，碳納米管長度10～20 mm，直徑50 nm）購自北京博宇高科新材料技術(shù)有限公司。

1.2 木塊制備及化學(xué)處理

由于巴沙木密度低、孔隙率高、細(xì)胞壁薄，因此選用其作為制作太陽能蒸發(fā)器的基材。首先，沿木材生長方向徑向切割，得到20 mm×20 mm×15 mm 的木塊，清除切割截面殘留的碎木屑。然后利用特制的刀具對截面縱向切割，形成深度為10 mm 的仿根系網(wǎng)格化結(jié)構(gòu)，標(biāo)記為Wood。

將具有仿根系網(wǎng)格化結(jié)構(gòu)的木塊浸泡在氫氧化鈉和亞氯酸鈉的混合溶液中，在～100 ℃下放置5～6 h，去除部分木質(zhì)素和半纖維素，然后移入沸騰的去離子水中，洗去附著的化學(xué)物質(zhì)，接著將樣品在沸騰的H2O2溶液中處理1 h，以去除剩余木質(zhì)素。在這個(gè)階段，木塊的顏色由原有的黃色變成了白色。將經(jīng)過處理的木塊放入冰箱中冷凍，最后移到冷凍干燥機(jī)中，干燥12 h，得到內(nèi)部纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的木塊，標(biāo)記為C-wood。

1.3 表面處理技術(shù)

1.3.1 光熱涂層制備

在C-wood 的基底上制作光熱涂層，將0.3 g TiO2和0.2 g C3N4超聲分散于20 mL去離子水中，加入1 mL Mcnt 水分散液，連續(xù)攪拌至均勻，用滴涂法在C-wood的切割表面反復(fù)沉積混合溶液，室溫環(huán)境下自然干燥，標(biāo)記為CD-wood。

1.3.2 光熱吸水層制備

稱取SA 單體與去離子水混合，利用磁力攪拌器水浴加熱，在60 ℃下溶解攪拌30 min，得到1.6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的SA 溶液，在室溫下冷卻，加入SA溶液體積百分比為10%的光熱涂層混合溶液和0.26%的催化劑TEMED，儲(chǔ)存，以備下一步使用。稱取AM加入到去離子水中進(jìn)行攪拌，得到21%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的AM 水溶液，接著加入質(zhì)量占AM 水溶液0.08%的交聯(lián)劑MBA 和0.12%的引發(fā)劑APS，混合均勻。室溫條件下，將儲(chǔ)存的SA 混合溶液均勻滴涂在C-wood表面，同時(shí)加入制備的AM 混合溶液，通過原位聚合法制備基于 SA/PAM 有機(jī)骨架的光熱吸水層，與C-wood 表面緊密包覆在一起，標(biāo)記為CS-wood。

1.3.3 激光處理

激光處理工藝分別在CD-wood 和CS-wood 切割表面進(jìn)行，通過JL1 龍門式雕刻機(jī)的激光來回運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行圖案化處理。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，較高的激光加工功率會(huì)導(dǎo)致木塊光熱涂層表面或者吸水層表面產(chǎn)生更嚴(yán)重的灼傷，加重表面結(jié)構(gòu)的破壞。激光加工功率為3 W，構(gòu)筑出規(guī)則的減反層，分別標(biāo)記為CDE-wood和CSE-wood。

1.4 材料表征

用掃描電子顯微鏡和能譜儀（SEM-EDS，JSN-7500F）對不同樣品的微觀形貌及元素分布進(jìn)行了表征。XRD 檢測結(jié)果是通過X′Pert3 Powder 多功能粉末X 射線衍射儀獲得的，掃描速度為5 (°)/min，掃描范圍為5°～55°。通過NicoletiS50 傅立葉紅外光譜儀，在4000～500cm–1測量了FT-IR 光譜。使用Cary100型紫外可見分光光度計(jì)記錄不同樣品表面的透射光譜和反射光譜，吸收效率由式（1）可得。使用HT-18紅外相機(jī)，圖形化地觀察木材表面的溫度，以了解不同處理技術(shù)在熱定位方面的影響。用視頻光學(xué)接觸角測量儀（OCA20）測試樣品表面的超親水性。

式中：R和T分別為反射率和透過率。

1.5 導(dǎo)熱系數(shù)

將要測試的樣品（厚度為5 mm）夾在兩個(gè)玻璃片之間，測量樣品在潮濕狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)。夾層結(jié)構(gòu)中，上層玻璃放置有冰水混合物的槽，下層玻璃放置在含有水的可控?zé)嵩瓷希眉t外相機(jī)觀察中間樣品橫截面的溫度梯度。根據(jù)傅立葉傳導(dǎo)方程計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)，如式（2）所示。

式中：q′ 是熱流密度，可以通過玻璃片的導(dǎo)熱系數(shù)和溫度梯度來估算，dt是溫差，dx是距離差。

1.6 太陽能海水淡化實(shí)驗(yàn)

太陽能海水淡化實(shí)驗(yàn)是使用太陽模擬器（CELSA500/350），在室溫25 ℃、濕度35%、1 個(gè)日照強(qiáng)度下進(jìn)行的。木塊漂浮在裝滿海水的玻璃容器中，蒸發(fā)發(fā)生在木塊表面，其余水面與空氣隔絕，以減少對絕對蒸發(fā)量的影響。蒸發(fā)過程中，水分的質(zhì)量損失由校準(zhǔn)的電子天平實(shí)時(shí)記錄。

2 結(jié)果及討論

在本設(shè)計(jì)中，制備了Wood、C-wood、CD-wood、CDE-wood、CS-wood、CSE-wood 蒸發(fā)器作為對照樣品，實(shí)現(xiàn)了在1 個(gè)日照下的太陽能海水淡化。

2.1 CSE-wood 蒸發(fā)器的特性

天然樹木蒸騰作用過程中，縱橫交錯(cuò)的樹根提高了土壤中水分的吸收率，而且還具有固著支持的功能。為了模擬天然樹木的吸水過程，在木塊截面沿生長方向制備仿根系的網(wǎng)格化結(jié)構(gòu)，如圖1a 所示。通過化學(xué)處理，使較小厚度的細(xì)胞壁脫離為分離的纖維素纖維。冷凍干燥過程中，在通道內(nèi)形成互聯(lián)的纖維網(wǎng)絡(luò)，變得更加輕質(zhì)化，具有環(huán)保和生物可降解特性[22]。采用SA/PAM原位聚合對木塊進(jìn)行光熱吸水層修飾，光熱吸水層包覆在木材表面和微通道壁上，其具有均勻網(wǎng)絡(luò)微孔，然后在吸水層表面構(gòu)筑規(guī)則的減反層，二者耦合具有較大的比表面積，制得雙層結(jié)構(gòu)的CSE-wood 蒸發(fā)器。CSE-wood 蒸發(fā)器不需要額外的輔助手段便可以漂浮在水面，光熱吸水層和減反層裝飾表面有利于太陽的光吸收和熱定位。由于木塊沿微通道方向具有低導(dǎo)熱系數(shù)，可以使蒸發(fā)表面溫度快速上升，實(shí)現(xiàn)熱局部化。此外，減反層的微通道在毛細(xì)力的作用下，可有效地將水向上輸送，促進(jìn)蒸發(fā)，如圖1b 所示。隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，在蒸發(fā)器上表面形成濃度梯度，這種鹽濃度梯度在海水-空氣界面產(chǎn)生了表面張力梯度，形成馬蘭戈尼效應(yīng)[23]。這種現(xiàn)象對蒸發(fā)器表面產(chǎn)生薄水膜起著重要作用。在海水和空氣交界處，由于鹽濃度梯度引起的表面張力梯度對海水溶液產(chǎn)生了額外驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)使其從低表面張力位置流向高表面張力位置。毛細(xì)作用與馬蘭戈尼效應(yīng)協(xié)同，為蒸汽的產(chǎn)生保證持續(xù)的供水，使CSE-wood 蒸發(fā)器在太陽照射下可以高效地實(shí)現(xiàn)太陽能界面蒸發(fā)。

圖1 CSE-wood 蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)與制備過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of design and preparation process of CSE-wood evaporator: a) manufacturing process of CSE-wood evaporator; b) surface microstructure absorbs light and generates steam; c) SA/PAM hydrogel synthesis route

在CSE-wood 蒸發(fā)器制備之前，首先對光熱吸水層中的SA/PAM 凝膠進(jìn)行研究，圖1c 為其合成路線?；赟A 和AM 單體進(jìn)行原位聚合，在聚合過程中，PAM 凝膠中的聚合物鏈在交聯(lián)劑和引發(fā)劑的作用下，通過自由基聚合而形成共價(jià)交聯(lián)的PAM 網(wǎng)絡(luò)。并且PAM 的胺鏈和SA 的羧基之間相互結(jié)合，形成共價(jià)鍵，從而在室溫環(huán)境中通過共聚合形成SA/PAM 凝膠。

2.2 不同組蒸發(fā)器表面層的表征

為了更深入地了解不同工藝處理后獲得的太陽能蒸發(fā)器和木塊表面形貌特性，制備了六種不同的樣件，圖2a 為宏觀照片，經(jīng)化學(xué)處理后，天然巴沙木由黃色變?yōu)榘咨?。樣件通過不同處理工藝獲得不同黑色功能層表面，如圖2b—g 所示。從圖2b 發(fā)現(xiàn)，天然木材具有許多直徑為200～300 μm 的圓柱形管腔通道，與樹干平行，具有高縱橫比，與從樹心向樹木外表面徑向延伸的射線細(xì)胞結(jié)合在一起，形成了一個(gè)連續(xù)儲(chǔ)存和運(yùn)輸水分以及營養(yǎng)物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。去除木質(zhì)素和半纖維素后，上表面有許多30～50 μm 的薄壁小孔組成的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，其孔隙體積和比表面積比天然木材高得多（圖2c）。黑色光熱涂層沿垂直方向均勻修飾在淺色木材表面，如圖2d 中紅色圓圈部分團(tuán)聚的細(xì)小顆粒為光熱物質(zhì)，沉積在木材表面，沒有破壞木材的多孔結(jié)構(gòu)。在圖2e 中可以清楚地看到，經(jīng)過激光雕刻形成了排列規(guī)則且開放的溝槽，在增強(qiáng)可見光吸收的同時(shí)，親水官能團(tuán)發(fā)生了破壞，影響水分輸送。圖 2f 為光熱吸水層的表面電鏡圖，觀察到SA/PAM 光熱吸水層與基底緊密結(jié)合，在生長過程中，不僅向上生長，而且向下生長到木塊的孔隙中，通過圖2f 右上角圖片可以看到，形成了凹槽狀的表面。另外，該光熱吸水層具有大約20～30 nm 的網(wǎng)狀微孔，使水分快速輸送到蒸發(fā)表面。從圖2g 發(fā)現(xiàn)，光熱吸水層上均勻構(gòu)筑了減反層，木塊表面沒有被破壞，微通道增強(qiáng)了光的吸收，產(chǎn)生的毛細(xì)作用有利于水分輸送和蒸氣的逸出，且表面存在大量的氣泡結(jié)構(gòu)，可提升隔熱性能。從圖2h 中相應(yīng)的元素映射圖像發(fā)現(xiàn)，CSE-wood 蒸發(fā)器表面存在C、Na、N 和Ti 元素，表明SA/PAM 聚合物經(jīng)高溫后形成了這些氣泡結(jié)構(gòu)。

圖2 不同工藝處理后木材表面層及其SEM 圖像Fig.2 Wood surface layer and SEM image after different treatment：a) experimental sample, b) Wood evaporator, c) C-wood evaporator, d) CD-wood evaporator, e) CDE-wood evaporator, f) CS-wood evaporator, g) CSE-wood evaporator, h) EDS mapping image corresponding to CSE-wood evaporator

2.3 蒸發(fā)器表面層的特性分析

木材細(xì)胞壁中的主要成分有具有芳香環(huán)結(jié)構(gòu)的碳水化合物和木質(zhì)素，其親水性表面非常適合通過毛細(xì)作用將水輸送到受熱溫度較高的區(qū)域。由傅立葉變換紅外光譜發(fā)現(xiàn)（圖3a），C-wood在1736 cm–1和1235 cm–1處的羰基伸縮峰和C—O 拉伸峰強(qiáng)度明顯降低，反映了半纖維素的成功去除。同時(shí)，在1593 cm–1和1506 cm–1處，芳香族骨架振動(dòng)峰減小和消失，表明木質(zhì)素被去除。傅立葉紅外光譜中，在3100～3500 cm–1處有一個(gè)寬峰，為OH 基團(tuán)的伸縮振動(dòng)峰，表明木材表面具有親水性?；瘜W(xué)處理后的C-wood 和CSE-wood 峰強(qiáng)度升高，CDE-wood 峰強(qiáng)度降低。因?yàn)镃DE-wood 蒸發(fā)器的減反層直接構(gòu)筑在木塊表面，激光產(chǎn)生的高溫使一部分OH 基團(tuán)受到破壞，而CSE-wood 蒸發(fā)器的減反層構(gòu)筑在光熱吸水層表面，有效避免了木塊表面受到破壞，并且高溫產(chǎn)生的氣泡結(jié)構(gòu)使其更容易存儲(chǔ)水分子。在此范圍內(nèi)，CS-wood 和CSE-wood 譜線的另一個(gè)明顯的峰為SA/PAM 凝膠中游離的—NH2特征吸收峰。同時(shí)CS-wood 和CSE-wood 譜線在1610 cm–1處有一個(gè)寬峰，是—COO—基團(tuán)的伸縮振動(dòng)峰。相比較其他譜線，CS-wood 和CSE-wood 的譜線既保留了—NH2的特征峰，還具有—COO—吸收峰，說明在木材表面成功地制備了SA/PAM 光熱吸水層。在2930 cm–1和2853 cm–1處，分別對應(yīng)C—H 的對稱和反對稱伸縮振動(dòng)吸收峰,其中，C-wood 蒸發(fā)器的C—H 峰略有變化，可以看出，前期化學(xué)處理工藝對天然木材原有官能團(tuán)影響不大。

圖3 樣品經(jīng)不同工藝處理后的特性Fig.3 Characteristics of samples treated by different processes: a) FT-IR spectral curve; b) XRD spectral curve; c) Static contact angle of CSE-wood surface; d) Diagram of water transfer in antireflection layer

為了進(jìn)一步說明不同工藝方法對蒸發(fā)器基底的影響（加入的不同物質(zhì)在蒸發(fā)器中的分布情況以及親水性），對六組蒸發(fā)器進(jìn)行了XRD 物相分析。在X射線衍射譜中，16°和22°附近出現(xiàn)衍射峰，屬于I 型纖維素的典型結(jié)晶峰。木塊經(jīng)化學(xué)處理后，XRD 譜圖中纖維素的結(jié)晶峰尖銳程度明顯變緩或減小，表明纖維素的結(jié)晶度部分被破壞，形成纖維素II 或無定形碳。這一結(jié)果證實(shí)了化學(xué)處理改變了木塊成分的狀態(tài)，并與木塊形態(tài)的變化相一致，而纖維素分子及其排列沒有發(fā)生改變，說明將化學(xué)處理后的木塊作為蒸發(fā)器的基底是一種可行的處理方法。在約29°處出現(xiàn)MCNT 的衍射峰，Wood 和C-wood 對應(yīng)的衍射峰形似鼓點(diǎn)，說明木材內(nèi)部含有部分非晶碳相或無定形碳；CD-wood 和CDE-wood 中，MCNT 的衍射峰峰形尖銳，表明結(jié)晶度高，晶粒變大；而CS-wood 與CSE-wood 沒有出現(xiàn)明顯的MCNT 衍射峰，表明在光熱吸水層中，MCNT 的結(jié)晶度低，沒有發(fā)生團(tuán)聚，不影響蒸發(fā)器中水分子的運(yùn)輸。

圖3c 為液滴在CSE-wood 表面的靜態(tài)接觸角，發(fā)現(xiàn)在0.86 s 的時(shí)間內(nèi)，液滴迅速消失，表明構(gòu)筑雙層結(jié)構(gòu)后，CSE-wood 具有很強(qiáng)的親水性。這可以歸因于分散的維管束和減反層（平均孔徑約為100 μm）在置于海水中后，水分子迅速通過維管束到達(dá)減反層，在液面張力作用下，繼續(xù)沿減反層方向上升。可根據(jù)公式（3）—（4）進(jìn)行解釋。

式中：r為減反層半徑，θ為海水與減反層壁的接觸角，σ為室溫25℃下的液體表面張力系數(shù)（7.2×10–2N/m），h為海水在減反層中上升的最終高度，ρ為海水密度，g為重力常數(shù)。當(dāng)海水的表面張力F等于減反層中產(chǎn)生的重力G時(shí)，水柱停止上升。在理想條件下，毛細(xì)管力作用的海水上升約28 cm，遠(yuǎn)大于本實(shí)驗(yàn)中減反層厚度。減反層的超親水與毛細(xì)作用改善了蒸發(fā)器的輸水性能。

2.4 蒸發(fā)器在可見光下的光熱行為

海水淡化過程中，水分子蒸發(fā)會(huì)帶走部分熱量，使蒸發(fā)器表面溫度降低，因此良好的光吸收和光熱轉(zhuǎn)化是太陽能蒸汽產(chǎn)生的重要過程。為了研究蒸發(fā)器的光吸收能力，使用紫外可見光分光光度計(jì)，測量了190～900 nm 的光吸收情況，如圖4a 所示。不同處理工藝的蒸發(fā)器的消光光譜描繪了紫外光譜可見部分的寬帶光吸收，最高吸光效率約為94.6%。CDE-wood與CSE-wood 的吸收率高于CD-wood 與CS-wood，這歸因于在前兩種蒸發(fā)器構(gòu)造的減反層中，獨(dú)特的微結(jié)構(gòu)內(nèi)的重復(fù)光反射或散射。其中，CSE-wood 太陽能蒸發(fā)器的雙層結(jié)構(gòu)在整個(gè)紫外光譜中表現(xiàn)出較好的光吸收特性，高于天然木材。天然木材的光吸收因?yàn)橛猩举|(zhì)素，限制了可被吸收的光波長。C-wood由于木質(zhì)素和半纖維素的去除，對光的吸收效率低于天然木材。相比之下，同樣具有減反層的CDE-wood蒸發(fā)器的光吸收效率較低，這是因?yàn)橹苯釉贑D-wood的基底表面構(gòu)筑了減反層，使木塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及修飾在表面的光催化物質(zhì)被破壞，降低了光的吸收。

通過紅外相機(jī)，獲得了不同組木質(zhì)蒸發(fā)器在1 kW/m2的太陽光照強(qiáng)度下表面溫度變化和側(cè)面溫度梯度分布圖像，如圖4b 所示。C-wood 蒸發(fā)器表面溫度上升緩慢，最高溫度在30.3 ℃左右。經(jīng)過修飾光熱涂層、聚合光熱吸水層和構(gòu)筑減反層后，蒸發(fā)器表面溫度普遍上升較快，最高溫度在49.4 ℃左右。當(dāng)照射30 min 時(shí)，側(cè)面溫度梯度圖顯示，具有減反層的CDE-wood 和CSE-wood 出現(xiàn)非常明顯的溫度梯度變化，并且在相同的光照時(shí)間內(nèi)，表面溫度高于CD-wood 和CS-wood，結(jié)果證實(shí)，構(gòu)筑減反層在光吸收過程中起著重要的作用。在圖4c 中，可以觀察到，光照射5 min 后，表面溫度上升非常明顯，表明工藝處理后的太陽能蒸發(fā)器具有較快的響應(yīng)時(shí)間；在照射20 min 后，其表面溫度趨于穩(wěn)定。CS-wood 蒸發(fā)器表面溫度上升最快，也最高。由于光熱吸水層與木塊緊密結(jié)合，隔熱性好，且大部分水分子存儲(chǔ)在內(nèi)部，沒有在表面形成有效水膜，因此太陽產(chǎn)生的熱量較少被水吸收，導(dǎo)致其表面溫度升高。CSE-wood 蒸發(fā)器雖然光吸收效率高，但其表面溫度低于CS-wood蒸發(fā)器。這是因?yàn)楸砻娴臏p反層和氣泡結(jié)構(gòu)在吸收水分后，在其表面形成了一層薄薄的水膜，導(dǎo)致吸收的光轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的熱被水膜吸收，因此CSE-wood 蒸發(fā)器的表面溫度較低。

圖4 不同組木質(zhì)蒸發(fā)器在1 kW/m2 太陽光照強(qiáng)度下的熱行為Fig.4 Thermal behavior of different groups of wood evaporators under 1 kW/m2 solar illumination intensity: a) solar absorption spectra of different surface preparation processes; b) infrared image of temperature gradient distribution on evaporator surface; c)change curve of the surface temperature of the evaporator

2.5 導(dǎo)熱系數(shù)分析

如前所述，蒸發(fā)器基底的低熱導(dǎo)率對確保將光照產(chǎn)生的熱限制在蒸發(fā)表面非常重要，阻止了太陽能加熱多余的水。圖5 為潮濕狀態(tài)下蒸發(fā)器的導(dǎo)熱系數(shù)。由于Wood 蒸發(fā)器在太陽能蒸汽產(chǎn)生過程中處于水合狀態(tài)，因此用熱通量溫差擬合的方法測量了木塊在潮濕狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)，為0.381 W/(m·K)，如圖5a 所示，低于純水的導(dǎo)熱系數(shù)（0.606 W/(m·K)）。經(jīng)化學(xué)處理后，木塊具有的多孔結(jié)構(gòu)將其分成不同空腔，起到內(nèi)部隔熱特性，導(dǎo)熱系數(shù)降至0.271 W/(m·K)。在C-wood 基礎(chǔ)上，不同工藝處理后，導(dǎo)熱系數(shù)變化不大，其中，CSE-wood 蒸發(fā)器的導(dǎo)熱系數(shù)最低，為0.265 W/(m·K)。因?yàn)樵谡舭l(fā)過程中，水分沿木材通道輸送，微通道內(nèi)的對流換熱大大減弱，所以多功能木質(zhì)太陽能界面蒸發(fā)器的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于純水的導(dǎo)熱系數(shù)，從而有助于在蒸發(fā)器表面形成熱局域化，提高蒸發(fā)性能。

圖5 不同處理工藝蒸發(fā)器潮濕狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)Fig.5 Thermal conductivity of evaporators under wet condition with different treatment processes

2.6 單日照條件下海水淡化性能研究

不同組蒸發(fā)器的仿根系網(wǎng)格化結(jié)構(gòu)增大了其與蒸發(fā)海水的接觸面積，還可促進(jìn)其漂浮在水面的穩(wěn)定性。為了確定蒸發(fā)器的光熱應(yīng)用性能，用電子天平記錄了在1 個(gè)太陽強(qiáng)度光照下蒸汽隨時(shí)間變化產(chǎn)生的質(zhì)量損失。圖6a 為每個(gè)蒸發(fā)器的質(zhì)量變化，與光照時(shí)間呈線性關(guān)系，說明太陽能驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)的穩(wěn)定性能。6 種蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率如圖6b 所示，CSE-wood 蒸發(fā)器單位面積的水分蒸發(fā)量高于其他5 種蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸發(fā)量，其中，C-wood 蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率最小，約為0.865 kg/(m2·h)，與Wood 蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率（0.984 kg/(m2·h)）相差不大。因?yàn)閃ood蒸發(fā)器的基底原木吸水能力有限，另外對于C-wood蒸發(fā)器，雖然木質(zhì)素和半纖維素的去除導(dǎo)致其吸光率和表面溫度在一定程度上降低，但是暴露出更多的纖維素，含有的羥基可以提高木塊的親水性，并且孔隙率的增加也有利于蒸汽的產(chǎn)生。CDE-wood 蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率為1.755 kg/(m2·h)，因?yàn)樵谀緣K表面構(gòu)筑了減反層，減少了表面親水官能團(tuán)，導(dǎo)致其蒸發(fā)速率小于CS-wood 蒸發(fā)器（蒸發(fā)速率為1.988 kg/(m2·h)）。CSE-wood 蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率最大，約為2.456 kg/(m2·h)。根據(jù)公式（5）得出太陽能水蒸氣的產(chǎn)生效率[24-26]。

圖6 不同組蒸發(fā)器的太陽能海水淡化Fig.6 Solar desalination of different sets of evaporators: a) variation of evaporation quality of evaporator with time in sunlight; b)solar evaporation rate of evaporator and evaporation efficiency; c) change of evaporation rate of water in unit time of evaporator;d) evaporation and enthalpy changes of different evaporation substrates in dark environment

式中：E.R.為蒸發(fā)速率，hlv為蒸發(fā)器內(nèi)液氣相變焓，Copt為光學(xué)濃度，Pi為標(biāo)稱太陽輻射量（1 kW/m2）。

通過計(jì)算得出，CD-wood 蒸發(fā)器在1 個(gè)太陽強(qiáng)度下的蒸發(fā)效率約為74.5%，高于Wood（40.8%）和C-wood（33.4%）。這是因?yàn)樾揎椆鉄嵬繉雍?，CD-wood 具有更好的熱局部化能力，提高了水分蒸發(fā)效率。CSE-wood 蒸發(fā)器的蒸發(fā)效率約為92.3%，在不同組蒸發(fā)器中，蒸發(fā)效率最高。這表明在光熱吸水層上構(gòu)筑減反層形成的雙層結(jié)構(gòu)，具有顯著的光熱性能，CSE-wood 蒸發(fā)器的引入提高了水分蒸發(fā)速率和效率，并且具有多孔結(jié)構(gòu)和良好的親水性，適合用來作為高效海水淡化的蒸發(fā)器。

圖6c 為不同組蒸發(fā)器的水蒸發(fā)率。初始時(shí)，蒸發(fā)率不穩(wěn)定，一直處于上升狀態(tài)，20 min 后，隨著溫度的升高，各蒸發(fā)器的蒸發(fā)率開始趨于穩(wěn)定。在太陽能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)中，由于蒸發(fā)器的基質(zhì)不同，蒸發(fā)器內(nèi)部水分子間的范德華力也會(huì)存在差異。根據(jù)公式（6）計(jì)算蒸發(fā)器內(nèi)水的焓變。

式中：sm為黑暗環(huán)境下每單位時(shí)間水的蒸發(fā)量與蒸發(fā)器內(nèi)所含水的蒸發(fā)量之比，qw為水在黑暗中的焓變。

圖6d 為黑暗環(huán)境下水和木材中水分的蒸發(fā)量和蒸發(fā)焓，化學(xué)處理后的木材蒸發(fā)所需焓值低于天然木材所需的焓值。

3 結(jié)論

綜上所述，采用不同工藝，結(jié)合簡便靈活的方法，開發(fā)出一種穩(wěn)定高效的多功能木材表面太陽能蒸發(fā)器，并對其性能展開研究。它是由一個(gè)木材衍生的超親水纖維網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的基底和在SA/PAM 光熱吸水層上構(gòu)筑的可增強(qiáng)光吸收與水分輸送的減反層組成，為生產(chǎn)清潔水、解決水資源匱乏開辟了新途徑。主要結(jié)論如下：

1）蒸發(fā)器基底經(jīng)過化學(xué)處理和冷凍干燥，在通道內(nèi)形成互聯(lián)的纖維網(wǎng)絡(luò)，改善了熱導(dǎo)率，起到隔熱的作用。輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)可使其長期在水中漂浮，具有的親水性和微通道多孔結(jié)構(gòu)保證了水分快速供應(yīng)，促進(jìn)水分蒸發(fā)。

2）在室溫條件下就可以制備蒸發(fā)器，且具有網(wǎng)絡(luò)微孔的光熱吸水層能牢固地均勻修飾在多孔木塊基底上，與在其表面構(gòu)筑的減反層共同作用，可促進(jìn)較寬波長范圍內(nèi)的光吸收和光程延伸，導(dǎo)致蒸發(fā)表面溫度迅速上升，實(shí)現(xiàn)熱局域化，提高了光熱轉(zhuǎn)換效率。減反層具有的毛細(xì)作用和馬蘭戈尼效應(yīng)協(xié)同作用，促進(jìn)水有效輸送到光熱活躍的區(qū)域，具有高的蒸發(fā)效率。

3）6 組不同處理工藝下的蒸發(fā)器中，CSE-wood蒸發(fā)器表現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能，在1 個(gè)太陽強(qiáng)度下，蒸發(fā)率最大值為2.456 kg/(m2·h)，蒸發(fā)效率為92.3%。所得到的蒸發(fā)器具有工藝簡單、經(jīng)濟(jì)高效和穩(wěn)固可擴(kuò)展性，對太陽能水蒸發(fā)系統(tǒng)的研究具有指導(dǎo)意義。