陳雪梅，王彤，高玉箔，彭鼎程，羅雨婷

（南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

引 言

隨著人口的迅速增長(zhǎng)和水污染趨于嚴(yán)峻，淡水資源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重。由于海水資源豐富，因此從海水中提取淡水被認(rèn)為是能夠增加淡水總量，進(jìn)而從根源上緩解淡水資源短缺危機(jī)的方法。傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)主要可以分為熱法和膜法[1]。這兩種技術(shù)都依靠化石能源驅(qū)動(dòng)，會(huì)加劇能源危機(jī)和溫室效應(yīng)[2-4]。太陽(yáng)能界面蒸發(fā)海水淡化技術(shù)由于能夠高效利用清潔且可再生的太陽(yáng)能而受到廣泛的關(guān)注[5-7]。高效太陽(yáng)能界面蒸發(fā)的實(shí)現(xiàn)取決于包括光吸收體在內(nèi)的太陽(yáng)能蒸發(fā)器的構(gòu)建。隨著研究的不斷開(kāi)展，人們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的太陽(yáng)能界面蒸發(fā)具有以下問(wèn)題：（1）構(gòu)建的蒸發(fā)系統(tǒng)與水體的直接接觸，造成不可避免的熱傳導(dǎo)損失；（2）光吸收體的光吸收性能較差，未能充分利用太陽(yáng)能。為了進(jìn)一步提高太陽(yáng)能界面蒸發(fā)的光熱轉(zhuǎn)化效率，降低吸收體對(duì)水體的熱傳導(dǎo)，Ghasemi 等[8]提出了一種熱局域化雙層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通過(guò)在蒸發(fā)界面和水體之間增添隔熱裝置將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的熱量定位到蒸發(fā)區(qū)，大大提高了能量利用率，減少了不必要的熱損失。同時(shí)這種熱局域化雙層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可以漂浮在海面上進(jìn)行海水淡化。為有效解決光吸收體光吸收損耗的問(wèn)題，一系列新材料和新結(jié)構(gòu)被提出。目前用作光吸收體的材料主要可以分為四大類：等離子體納米顆粒[9-10]、過(guò)渡金屬氧化物[11]、碳基材料[12-13]和聚合物材料[14-16]。其中，碳基材料，尤其是石墨烯[17]，由于具有寬譜太陽(yáng)光吸收能力、高的吸光率、優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)化能力，以及良好的穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用[18]。然而，傳統(tǒng)的石墨烯制備方法如氧化還原法[19]、機(jī)械剝離法[20]、化學(xué)氣相沉積法[21]等都需要嚴(yán)格的高溫或高壓環(huán)境，并且通常伴隨著復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，會(huì)造成一定的環(huán)境污染。2014年，Lin等[22]首次發(fā)現(xiàn)可以在商業(yè)聚酰亞胺薄膜上通過(guò)CO2激光燒蝕一步生成石墨烯，即激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG），并指出其在儲(chǔ)能領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。隨后，越來(lái)越多的材料，包括聚合物基板[23]，植物[24-25]、紡織物[26-27]等可生物降解和天然存在的材料和食品都被發(fā)現(xiàn)可在一定的環(huán)境氛圍和特定的激光功率作用下生成石墨烯。相比于傳統(tǒng)的石墨烯制備技術(shù)，LIG 技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、成本低、環(huán)境友好以及同樣適用于大規(guī)模制備等優(yōu)點(diǎn)。目前，基于LIG 技術(shù)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多種設(shè)備，包括傳感器[28]、超級(jí)電容器[29]和納米發(fā)電機(jī)[30]等。

本文擬使用LIG 技術(shù)制備光熱膜用于實(shí)現(xiàn)持續(xù)高效的太陽(yáng)能界面蒸發(fā)。以商業(yè)隔熱軟木板（ICB板）為基底，在其表面通過(guò)激光誘導(dǎo)生成石墨烯，得到以ICB 板為基底的石墨烯膜（ICB-LIG 膜）；分別以聚苯乙烯泡沫和無(wú)塵紙作為隔熱材料和供水通道，構(gòu)筑完整的太陽(yáng)能蒸發(fā)器。對(duì)ICB-LIG 膜的結(jié)構(gòu)特征和元素組成等性能進(jìn)行表征，并搭建實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)該太陽(yáng)能蒸發(fā)器的蒸發(fā)性能、耐久性以及海水淡化性能進(jìn)行探究。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 主要材料及儀器

氯化鈉（NaCl），分析純，上海邁瑞爾化學(xué)技術(shù)有限公司；發(fā)泡聚苯乙烯泡沫（EPS），武義縣白洋超前包裝耗材廠；ICB 板，嘉興拉菲新材料科技有限公司；激光雕刻機(jī)（PLS6MW），美國(guó)優(yōu)利激光公司；紅外熱像儀（A615），F(xiàn)LIR 公司；氙燈光源（CELS500），帶有濾鏡元件AM1.5，北京中教金源科技有限公司；熱電偶（KQXL-N05），OMEGA 公司；電子天平（JJ224BC）；無(wú)塵紙。如無(wú)特殊說(shuō)明，實(shí)驗(yàn)全過(guò)程中均使用由上海和泰儀器有限公司提供的純水機(jī)生產(chǎn)的純水，以確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

1.2 太陽(yáng)能蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)與制備

1.2.1 ICB-LIG 膜的制備 本實(shí)驗(yàn)所制備的 ICBLIG 膜的規(guī)格為一個(gè)直徑35 mm 的圓。首先在CorelDRAW 軟件中畫(huà)一個(gè)直徑為35 mm 的圓，然后輸入到激光燒蝕系統(tǒng)中對(duì)ICB 板進(jìn)行燒蝕。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率過(guò)高或速度過(guò)慢時(shí)，光斑直徑增大且激光束作用時(shí)間長(zhǎng)，ICB 板會(huì)被過(guò)度燒蝕，最終得到的ICB-LIG膜孔隙結(jié)構(gòu)較大，透光性較強(qiáng)，光吸收率較低；而若激光功率過(guò)低或速度過(guò)快，光斑直徑小且激光束作用時(shí)間短，不利于石墨烯的形成。因此，本實(shí)驗(yàn)中采用的激光燒蝕參數(shù)為：激光波長(zhǎng)10.6 μm，功率5.6 W，速度0.112 m·s-1，像素密度4，掃描模式為光柵模式。上述參數(shù)的確定是反復(fù)嘗試得到的最合適的結(jié)果。最后，將激光燒蝕所得的ICB-LIG 膜浸入純水中靜置10 min，以排空其中氣泡，然后取出晾干，以用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 隔熱供水結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制備 在本實(shí)驗(yàn)中，將EPS 泡沫（熱導(dǎo)率：0.04 W·m-1·K-1）和無(wú)塵紙分別作為隔熱材料和供水通道交替包裹起來(lái)組成隔熱供水結(jié)構(gòu)，置于光熱膜與水體之間。隔熱供水結(jié)構(gòu)的具體制備過(guò)程如圖1所示。首先利用激光燒蝕技術(shù)將EPS 泡沫切割成外徑分別為10、25、35 和38 mm 的同心圓[圖1（a）]。然后在其外緣分別纏上無(wú)塵紙（厚度0.66 mm，高度20 mm），按照?qǐng)D1（a）箭頭所示方向?qū)訉咏M裝起來(lái)，得到如圖1（c）所示的隔熱供水結(jié)構(gòu)。

圖1 隔熱供水結(jié)構(gòu)Fig.1 Insulated water supply structure

1.3 材料的表征

利用掃描電子顯微鏡（Gemini SEM 500）觀察ICB 板和ICB-LIG 膜的表面形貌；利用拉曼光譜儀（HORIBA EVOLUTION）得到ICB 板和ICB-LIG 膜拉曼光譜；利用X 射線光電子能譜儀（Thermo ESCALAB250Ⅺ）和X 射線衍射分析儀（BrukerD8）分析ICB 板及ICB-LIG 膜的元素組成；利用紫外-可見(jiàn)光-近紅外分光光度計(jì)得到ICB-LIG 膜光吸收率（A,%）；利用孔徑分析儀(AutoPore Ⅳ 9500 Ⅴ1.09)測(cè)定ICB-LIG膜的孔隙率及孔徑分布。

1.4 太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置及研究方法

為了對(duì)上述設(shè)計(jì)并制備的太陽(yáng)能蒸發(fā)器（圖2）的蒸發(fā)性能進(jìn)行測(cè)試，搭建了如圖3 所示的實(shí)驗(yàn)裝置。太陽(yáng)能蒸發(fā)器被放置在一個(gè)盛滿溶液的亞克力容器中，容器的外緣均勻纏繞有橡膠和黑色塑料絕緣棉，以減少與環(huán)境的熱交換。太陽(yáng)能蒸發(fā)器從上至下依次為：直徑35 mm的ICB-LIG 膜，用以吸收光能，并轉(zhuǎn)化為熱能驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)；直徑同為35 mm 的親水性無(wú)塵紙，吸收供水通道輸送上來(lái)的水分，并將其均勻地提供給ICB-LIG 膜；由EPS和無(wú)塵紙層層組裝得到的隔熱供水結(jié)構(gòu)，用于避免水體與ICB-LIG 膜直接接觸，減少熱損失，同時(shí)提供充足的水分。除此之外，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中還包括用于測(cè)量水體溫度的直徑為0.5 mm 的熱電偶和用于測(cè)量ICBLIG 膜表面溫度的紅外熱成像儀，以及質(zhì)量測(cè)量裝置（電子天平），用以測(cè)量蒸發(fā)系統(tǒng)的質(zhì)量變化，并由此計(jì)算得到蒸發(fā)速率。

圖2 太陽(yáng)能蒸發(fā)器示意圖Fig.2 Schematic diagram of solar evaporator

圖3 太陽(yáng)能界面蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of solar interfacial evaporation experimental device

蒸發(fā)速率的計(jì)算采用式（1）：

其中，Δm是由于水的蒸發(fā)而引起的系統(tǒng)的質(zhì)量變化，kg；S是光熱膜的蒸發(fā)面積，m2；Δt是光照時(shí)間，h。值得一提的是，蒸發(fā)是一個(gè)自然的過(guò)程，即使在沒(méi)有光照的條件下，由于環(huán)境影響，蒸發(fā)過(guò)程也在緩慢地進(jìn)行（暗場(chǎng)蒸發(fā)）。為了排除環(huán)境對(duì)樣品蒸發(fā)速率的影響，本文在所有測(cè)得的蒸發(fā)速率上均減去了暗場(chǎng)蒸發(fā)。

光熱轉(zhuǎn)化效率的計(jì)算采用式（2）：

其中，Copt是光學(xué)濃度；q0是一個(gè)太陽(yáng)的標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)，sun(1 sun=1 kW·m-2）；hLV表示水在變?yōu)樗魵獾倪^(guò)程中的總焓變，kJ·kg-1，包括由于水的溫度升高引起的顯焓的變化，以及液-氣相變吸收的潛熱，其具體計(jì)算可參考式（3）:

其中，λ是水從液態(tài)變?yōu)橥瑴囟认碌臍鈶B(tài)的相變潛熱，通常取2257 kJ·kg-1；C是水的比熱容，為4.2 kJ·kg-1·K-1；T1是紅外相機(jī)測(cè)得的膜表面的平均溫度，也是膜表面孔隙內(nèi)的水的溫度；T2是熱電偶測(cè)得的容器底部塊狀水的溫度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 ICB板及ICB-LIG膜的結(jié)構(gòu)表征

從圖4（a） ICB 板的表面形貌可以看出，ICB 板本身具有均勻分布且輪廓分明的內(nèi)部孔隙，其孔徑約為24 μm。圖4（b）和（c）是ICB-LIG 膜在不同放大倍數(shù)下的表面形貌圖。由圖4（b）可知，激光燒蝕后ICB 板表面會(huì)出現(xiàn)明顯的激光劃痕，表面粗糙度明顯增大，相比于光滑表面結(jié)構(gòu)，其有效蒸發(fā)面積更大，因此更有利于水的蒸發(fā)以及實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的多次反射和吸收。在更高的放大倍數(shù)[圖4（c）]下可以看到ICB-LIG 膜也具有許多孔隙，孔徑分布從微米到納米不等，為水的擴(kuò)散和蒸汽的逸出提供了充分的通道。從圖4（d）可以看出ICB-LIG 膜有明顯的分層結(jié)構(gòu)，其中上層結(jié)構(gòu)較為松散，為激光燒蝕產(chǎn)物，下層結(jié)構(gòu)排列緊密，為ICB 板，內(nèi)部孔隙較大的ICB 板能夠更好地吸收和儲(chǔ)存水分，同時(shí)支撐起上層疏松多孔的激光燒蝕產(chǎn)物，保證了膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)了使用壽命。另外，圖5顯示ICB- LIG膜具有良好的柔韌性，可以承受大幅度彎折。

圖4 ICB板及ICB-LIG膜的SEM圖像Fig.4 SEM images of ICB plate and ICB-LIG membrane

圖5 ICB-LIG膜的柔韌性及可彎曲能力Fig.5 Flexibility and bendability of the ICB-LIG membrane

石墨烯結(jié)構(gòu)通常利用拉曼光譜進(jìn)行分析。圖6（a）拉曼光譜顯示ICB-LIG 膜有明顯的D 峰、G 峰和2D 峰，其中D 峰位于1350 cm-1附近，涉及一個(gè)缺陷散射的雙共振拉曼過(guò)程，常被用來(lái)評(píng)估石墨烯的缺陷程度和雜質(zhì)含量[31]。G 峰位于1578 cm-1附近，是石墨烯的主要特征峰，由sp2碳原子的面內(nèi)振動(dòng)引起。2D峰位于2700 cm-1附近，與石墨烯電子能帶結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[32]。D 峰與G 峰的強(qiáng)度比通常被用作表征石墨烯缺陷密度的重要參數(shù)，ID/IG越小，說(shuō)明石墨烯的缺陷密度越小，即石墨化程度越高[33]。在ICBLIG 膜中，ID/IG值約為0.92（采用氧化還原法制備的石墨烯ID/IG比值一般在0.8～1.5之間[34]），表明激光燒蝕得到的ICB-LIG 膜石墨化程度較高。XRD 光譜[圖6（b）]顯示ICB-LIG 膜有一個(gè)10°～30°的寬峰，這是由六邊形結(jié)構(gòu)碳的002 平面引起的。全掃描XPS光譜[圖6（c）]顯示ICB 板和ICB-LIG 膜均有明顯的C 1s和O 1s峰，而N 1s峰并不明顯，推測(cè)N元素在二者中的含量非常少。為了獲取更多的信息，收集了C、N、O 元素的高分辨率XPS 數(shù)據(jù)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分峰處理，得到的結(jié)果如圖6（d）～（f）所示。從C 1s的XPS 光譜中可以看到，激光燒蝕后C O 峰消失，C—O峰的相對(duì)強(qiáng)度大幅度降低，而C—C峰的相對(duì)強(qiáng)度明顯上升；在O 1s 的XPS 光譜中，激光燒蝕后吸附O 峰的相對(duì)強(qiáng)度增大，晶格O 峰的相對(duì)強(qiáng)度降低。在ICB 板和ICB-LIG 膜中，C 元素的占比分別為75.00%和84.63%，O 元素的占比分別為23.01%和13.73%，而N 元素的占比則僅為1.99%和1.65%，含量極少。這說(shuō)明激光燒蝕后ICB 板被較大幅度地炭化。

圖6 ICB板和ICB-LIG膜的表征Fig.6 Characterization of ICB plate and ICB-LIG membrane

為確定ICB 板及ICB-LIG 膜是否具有優(yōu)異的光吸收性能，利用紫外-可見(jiàn)光-近紅外分光光度計(jì)對(duì)其在太陽(yáng)光譜范圍內(nèi)（300～2500 nm）的透過(guò)率（T，%）和反射率（R，%）進(jìn)行了測(cè)量，并通過(guò)公式A=1-T-R計(jì)算得到了材料的光吸收率。從圖7 可以看出，ICB-LIG 膜的光吸收率（95.56%）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于ICB板（約31.81%），這是因?yàn)榧す庹T導(dǎo)生成的石墨烯本身就具有很高的光吸收能力，而且ICB-LIG 膜表面的粗糙結(jié)構(gòu)可以作為光陷阱，使光子在材料內(nèi)部發(fā)生多次反射與吸收，進(jìn)而增強(qiáng)材料的光吸收能力[35]。

圖7 ICB板和ICB-LIG膜的吸光率Fig.7 Optical absorptivity of ICB plate and ICB-LIG membrane

高效的光熱轉(zhuǎn)化效率是水蒸氣產(chǎn)生的關(guān)鍵條件之一。為方便比較未經(jīng)燒蝕的ICB 板和激光燒蝕后形成的ICB-LIG 膜的光熱轉(zhuǎn)化能力，采用與1.2.1節(jié)中相同的參數(shù)在ICB 板表面燒蝕出“NJUST”的字樣。將燒蝕好的ICB 板置于1 倍太陽(yáng)光強(qiáng)下的氙燈光源下，利用紅外熱成像儀觀察記錄ICB 板上各處的溫度變化，得到如圖8 所示的結(jié)果。將氙燈光源打開(kāi)的瞬間作為初始時(shí)刻，記作0 s，可以看出，隨著照射時(shí)間的增加，ICB 板各處的溫度不斷升高。0 s時(shí)激光燒蝕部分（“NJUST”字樣）的溫度為28.3℃，3 s 時(shí)溫度上升到40.5℃，30 s 時(shí)溫度達(dá)到56.7℃，60 s時(shí)溫度達(dá)到61.2℃，整個(gè)過(guò)程中的溫升為32.9℃，而ICB 板上未經(jīng)燒蝕的部分在上述四個(gè)時(shí)刻溫度分別為27.3、35.6、43.7、45.2℃，整 個(gè) 過(guò) 程 中 溫 升 為17.9℃，約為燒蝕部分溫升的一半。由此可見(jiàn)，激光燒蝕后的ICB 板具有更高的光熱轉(zhuǎn)化能力，能夠迅速地對(duì)光進(jìn)行響應(yīng)并將其轉(zhuǎn)化為熱能。這里需要說(shuō)明的一點(diǎn)是，由ICB 板上未經(jīng)燒蝕的部分吸收光能而轉(zhuǎn)化為熱能產(chǎn)生的溫升是要小于17.9℃的，這是因?yàn)椋谶@項(xiàng)測(cè)試中，該部分的溫升除了來(lái)源于自身光熱響應(yīng)外，還有部分來(lái)源于材料內(nèi)部的熱傳導(dǎo)（熱量從溫度較高的燒蝕部分傳導(dǎo)到溫度較低的未燒蝕部分）。

圖8 帶有激光燒蝕字母“NJUST”的ICB板在1倍太陽(yáng)光強(qiáng)照射下的紅外溫度圖Fig.8 Infrared temperature map of ICB plate with laser-etched letter “NJUST” under 1 sun illumination

2.2 ICB板及ICB-LIG膜的蒸發(fā)性能測(cè)試

2.2.1 質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的NaCl 溶液中ICB 板與ICBLIG 膜的蒸發(fā)性能 高效的光吸收和快速的光熱響應(yīng)能力必然會(huì)賦予ICB-LIG 膜優(yōu)異的蒸發(fā)性能。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，分別將以ICB 板和ICB-LIG 膜為光熱膜的蒸發(fā)器放入3.5%（質(zhì)量）的NaCl 溶液中，在1倍太陽(yáng)光強(qiáng)下照射70 min，通過(guò)電子天平記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由水的蒸發(fā)引起的系統(tǒng)質(zhì)量隨時(shí)間的變化（圖9），并計(jì)算得到蒸發(fā)速率和光熱轉(zhuǎn)化效率。結(jié)果顯示，以ICB-LIG 膜為光熱膜的蒸發(fā)器的質(zhì)量變化速率要明顯高于以ICB 板為光熱膜的蒸發(fā)器。取10～70 min 穩(wěn)定的數(shù)據(jù)做計(jì)算，可以得出，ICB 板的蒸 發(fā) 速 率 為1.05 kg·m-2·h-1，光 熱 轉(zhuǎn) 化 效 率 為67.95%；ICB-LIG 膜的蒸發(fā)速率為1.47 kg·m-2·h-1，光熱轉(zhuǎn)化效率為86.04%。顯然，ICB-LIG 膜具有比ICB 板更好的蒸發(fā)性能。這是由于激光燒蝕后ICB板表面形成的粗糙多孔結(jié)構(gòu)一方面十分有利于光的反射和吸收，另一方面也有利于水分的擴(kuò)散和蒸汽的逃逸[35]。

圖9 1倍太陽(yáng)光強(qiáng)下3.5%（質(zhì)量）的NaCl溶液中ICB板和ICB-LIG膜蒸發(fā)系統(tǒng)的質(zhì)量變化Fig.9 Mass change of evaporation system of ICB plate and ICB-LIG membrane in 3.5%(mass) NaCl solution under 1 sun illumination

2.2.2 不同溶液濃度下ICB-LIG膜的蒸發(fā)性能 為了探究ICB-LIG 膜的實(shí)用性和持久性，分別測(cè)定并計(jì)算在1 倍太陽(yáng)光強(qiáng)下，5 種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl溶液（0、3.5%、10%、15%、20%）中ICB-LIG 膜的蒸發(fā)速率和光熱轉(zhuǎn)化效率，得到如圖10 所示的結(jié)果。當(dāng)NaCl 溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0 增加到20%時(shí)，蒸發(fā)速率由1.36 kg·m-2·h-1降至1.16 kg·m-2·h-1，光熱轉(zhuǎn)化效率由87.85%降至75.26%。較為明顯的蒸發(fā)性能的下降一方面是因?yàn)殡S著鹽濃度的增加，無(wú)塵紙中的毛細(xì)吸力所需要克服的鹽離子與水分子之間的相互作用力增大，將水從底部運(yùn)輸至上層光熱膜就越困難；另一方面則可能是因?yàn)槌跏见}濃度越高的蒸發(fā)系統(tǒng)，其容器內(nèi)部鹽溶液更容易達(dá)到飽和濃度，從而導(dǎo)致鹽結(jié)晶，阻礙了水輸送和蒸汽的溢出。

圖10 1倍太陽(yáng)光強(qiáng)下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl溶液（0、3.5%、10%、15%、20%）中ICB-LIG膜的蒸發(fā)速率和光熱轉(zhuǎn)化效率Fig.10 Evaporation rate and photothermal conversion efficiency of ICB-LIG membrane in different mass fraction of NaCl solution (0, 3.5%, 10%, 15%, 20%) under 1 sun illumination

2.2.3 不同光強(qiáng)下ICB-LIG膜的蒸發(fā)性能 考慮到實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中不同時(shí)間、不同地區(qū)的太陽(yáng)光強(qiáng)度并不相同，還探究了不同光強(qiáng)下（0.6、1、2、3 sun）ICB-LIG 膜的蒸發(fā)性能。實(shí)驗(yàn)中采用3.5%（質(zhì)量）的NaCl 溶液作為模擬海水，得到圖11 所示的結(jié)果。從圖11（a）可以看出，相同時(shí)間內(nèi)，隨著光強(qiáng)的增大，基于ICB-LIG膜的蒸發(fā)器的質(zhì)量變化越明顯，且質(zhì)量變化速率與光照強(qiáng)度成正相關(guān)。圖11（b）顯示了蒸發(fā)速率和光熱轉(zhuǎn)化效率隨光照強(qiáng)度的變化，在0.6、1、2、3 sun 時(shí)，基于ICB-LIG 膜的蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率分別是0.83、1.33、2.55、3.60 kg·m-2·h-1，其對(duì)應(yīng)的光熱轉(zhuǎn)化效率則分別為88.42%、86.06%、83.78%、79.54%。隨著光強(qiáng)的增大，蒸發(fā)速率迅速增大，但是其對(duì)應(yīng)的光熱轉(zhuǎn)化效率卻越來(lái)越小。這是因?yàn)?，隨著光照強(qiáng)度的增加，光熱膜的表面溫度迅速升高，而環(huán)境溫度基本保持恒定，因此光熱膜與環(huán)境的溫差加大，直接加劇了蒸發(fā)系統(tǒng)向環(huán)境的散熱，由此造成光熱轉(zhuǎn)化效率下降[36]。由圖11（c）可知，在某一特定光照強(qiáng)度下，ICB-LIG 膜的表面溫度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速上升，繼而保持平穩(wěn)，說(shuō)明此時(shí)ICBLIG 膜吸收的熱量等于釋放的熱量，蒸發(fā)過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)；而且光照越強(qiáng)，ICB-LIG 膜穩(wěn)定時(shí)的表面溫度越高，這也直接驗(yàn)證了隨著光強(qiáng)的增大，膜的溫度升高導(dǎo)致了光熱轉(zhuǎn)化效率下降。圖11（d）顯示，在1 倍太陽(yáng)光強(qiáng)下，膜表面的平均溫度是44.86℃，而底部的平均水溫則僅為26.62℃，表明由ICB-LIG 膜、EPS 以及無(wú)塵紙組成的太陽(yáng)能蒸發(fā)器具有優(yōu)異的熱局域能力。

圖11 不同光強(qiáng)下3.5%（質(zhì)量） NaCl溶液中蒸發(fā)系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)變化以及1倍光強(qiáng)下膜溫與水溫隨時(shí)間的變化Fig.11 The data changes of the evaporation system in the 3.5%(mass) NaCl solution under different light intensities and change of membrane temperature and water temperature under 1 sun illumination

2.2.4 耐久性循環(huán)測(cè)試 為了測(cè)試ICB-LIG膜能否在長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)使用與洗滌過(guò)程中保持穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了為期7 天的循環(huán)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)循環(huán)共7 次，每次都在同一時(shí)間段進(jìn)行，且蒸發(fā)器均以同一個(gè)ICB-LIG膜為光熱膜，將太陽(yáng)能蒸發(fā)器放置在3.5%（質(zhì)量）的NaCl溶液中，置于1倍太陽(yáng)光強(qiáng)下持續(xù)照射70 min，并記錄系統(tǒng)質(zhì)量隨時(shí)間的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，利用純水清洗膜表面，處理干凈后晾干備用。最后一次循環(huán)結(jié)束后，對(duì)光熱膜的光吸收率進(jìn)行了測(cè)試，并與圖7 的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。結(jié)果表明，7 次循環(huán)測(cè)試后，光熱膜對(duì)近紅外段的光吸收性能略有下降，但仍然保持在較高的水平，始終維持在92%以上[圖12（a）]；ICB-LIG 膜的蒸發(fā)速率下降幅度較小，僅為3.0%，但其光熱轉(zhuǎn)化效率一直維持在84%以上，沒(méi)有明顯的下降[圖12（b）]。在7 次循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，蒸發(fā)速率和光熱轉(zhuǎn)化效率總體呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著循環(huán)進(jìn)程的進(jìn)行，ICB-LIG 膜表面可能出現(xiàn)輕微破損，導(dǎo)致孔徑增大，進(jìn)而有利于蒸汽的溢出，導(dǎo)致膜蒸發(fā)性能的提升；若孔徑持續(xù)增大，ICB-LIG 膜表面結(jié)構(gòu)將會(huì)遭到破壞，其蒸發(fā)性能可能會(huì)急劇降低。因此為了驗(yàn)證該猜想，循環(huán)測(cè)試后，觀察了樣品的表面形貌（圖13），從低放大倍數(shù)的SEM 圖[圖13(a)]中可以看出，循環(huán)測(cè)試后樣品表面已經(jīng)沒(méi)有肉眼可見(jiàn)的激光劃痕，ICB-LIG 表面結(jié)構(gòu)受到了輕微損壞，造成其光吸收率會(huì)有所下降。但從高放大倍數(shù)的SEM 圖[圖13(b)]中可以看出，ICB-LIG 膜表面仍具有大量?jī)?nèi)部孔隙，有利于水的擴(kuò)散和蒸汽的逸出，因此蒸發(fā)速率和光熱轉(zhuǎn)化效率并沒(méi)有出現(xiàn)大幅度的變化。因此，基于ICB-LIG膜的太陽(yáng)能蒸發(fā)器具有良好的蒸發(fā)性能和耐久性。

圖12 循環(huán)測(cè)試前后ICB-LIG膜的吸光率和蒸發(fā)性能Fig.12 The comparison of absorbance and evaporative properties of ICB-LIG membrane before and after cycle

圖13 循環(huán)測(cè)試后ICB-LIG膜的表面SEM圖Fig.13 SEM images of ICB-LIG membrane after cycle

2.2.5 不同數(shù)量供水通道下ICB-LIG膜的蒸發(fā)性能及耐鹽性能 （1）不同數(shù)量供水通道下膜的蒸發(fā)性能。前述實(shí)驗(yàn)中，一致采用的是具有三層供水通道的隔熱供水結(jié)構(gòu)[圖14（a）插圖]，供水通道由外到內(nèi)依次標(biāo)為a、b、c。將具有c 單層供水通道的太陽(yáng)能蒸發(fā)器稱為裝置1；具有b、c兩層供水通道的太陽(yáng)能蒸發(fā)器稱為裝置2；具有a、b、c三層供水通道的太陽(yáng)能蒸發(fā)器稱為裝置3。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，分別將3個(gè)裝置置于3.5%（質(zhì)量）的NaCl溶液中，測(cè)試其在1 倍太陽(yáng)光強(qiáng)下的蒸發(fā)性能。結(jié)果如圖14（a）所示，隨著供水通道數(shù)的減小，對(duì)應(yīng)的裝置3、2、1 的光熱轉(zhuǎn)化效率分別為86.0%、86.6%和90.1%，而蒸發(fā)速率則分別為1.33、1.33、1.40 kg·m-2·h-1。其中，當(dāng)只采用b、c供水通道時(shí)，蒸發(fā)速率及光熱轉(zhuǎn)化效率與三層供水通道相比，變化均不明顯，表明原先三層供水通路對(duì)頂層光熱膜的供水量遠(yuǎn)大于其需水量，因此當(dāng)供水通道數(shù)減少一層時(shí)其蒸發(fā)性能變化并不明顯。當(dāng)只采用c 供水通道時(shí)，蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率及效率都有明顯的提升，這是因?yàn)榫哂袉螌铀斔屯ǖ赖母魺峁┧Y(jié)構(gòu)，其供水量明顯減少，致使用于加熱多余水的熱量減少，即光熱膜產(chǎn)生的熱量用于顯熱的部分減少，因此水蒸氣的產(chǎn)生速率和蒸發(fā)器的光熱轉(zhuǎn)化效率明顯增大。為了近一步探究光熱膜產(chǎn)熱去向的變化，對(duì)三個(gè)裝置的膜溫進(jìn)行了測(cè)量，如圖14(b)所示，隨著通道數(shù)減少，膜溫升高，這表明光熱膜產(chǎn)熱用于顯熱部分減少的熱量多用于提高自身溫度，所以蒸發(fā)速率和光熱轉(zhuǎn)化效率顯著增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)表明，具有單層供水通道的太陽(yáng)能蒸發(fā)器具有較為優(yōu)異的蒸發(fā)性能，但在實(shí)際應(yīng)用中，還需綜合考慮多方面因素，如蒸發(fā)系統(tǒng)的耐鹽性能等。

圖14 1倍太陽(yáng)光照下3.5%（質(zhì)量）NaCl溶液中不同供水通道數(shù)下ICB-LIG膜的蒸發(fā)性能Fig.14 The evaporation performance of ICB-LIG membrane with different number of water supply channels in 3.5% (mass) NaCl solution under 1 sun illumination

（2）不同數(shù)量供水通道下膜的耐鹽性能。鹽沉積是太陽(yáng)能界面蒸發(fā)過(guò)程中的常見(jiàn)伴隨物。在連續(xù)工作條件下，析出的鹽會(huì)在蒸發(fā)界面處積聚，極易造成孔道的堵塞和光吸收率的下降，從而導(dǎo)致蒸發(fā)效率降低[37-38]。在實(shí)際使用過(guò)程中，蒸發(fā)器需要在白天連續(xù)工作，光熱膜表面會(huì)積累一些鹽結(jié)晶。夜晚不工作時(shí)，光熱膜上的鹽結(jié)晶會(huì)有部分溶解回海水里，減少結(jié)晶的積累，有利于第二天蒸發(fā)器正常工作?；诖爽F(xiàn)象，分別將0.5 g NaCl固體平鋪在前文中提及的裝置1、2、3 的光熱膜表面，模擬白天工作后光熱膜表面積累的鹽結(jié)晶，然后觀察其在無(wú)光照情況下的溶解情況（圖15）?？梢钥闯?，具有一層（裝置1）和兩層（裝置2）供水通道的蒸發(fā)器在180 min 內(nèi)無(wú)法完全溶解，并且剩余有少量鹽沉積。而具有三層供水通道（裝置3）的蒸發(fā)器能夠?qū)⒔Y(jié)晶快速溶解，表明其具有較快的自我恢復(fù)能力，更適合長(zhǎng)期連續(xù)使用。

圖15 不同供水通道數(shù)下膜表面鹽的溶解情況Fig.15 Salt dissolution on the surface of the membrane under different number of water supply channels

2.2.6 海水淡化性能 為了評(píng)估基于ICB-LIG 光熱膜的太陽(yáng)能蒸發(fā)器的海水淡化性能，選用了四種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（3.5%、10%、15%、20%）的NaCl 溶液模擬海水。使用圖16 所示的密閉容器進(jìn)行水蒸氣的產(chǎn)生和冷凝收集實(shí)驗(yàn)，然后采用電導(dǎo)率儀（型號(hào)：DDJ-308A）測(cè)量收集水的鹽度并將其與測(cè)試前NaCl 溶液的濃度進(jìn)行比較，得到圖17 所示的結(jié)果。質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%、10%、15%、20%的NaCl 溶液對(duì)應(yīng)的鹽度分別是23556、59479、80815、118958 mg·L-1，經(jīng)過(guò)海水淡化后，其收集水的鹽度則分別是2.87、3.78、1.21、1.72 mg·L-1，相較于淡化前低了4～5 個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，基于ICB-LIG 光熱膜的太陽(yáng)能蒸發(fā)器具有良好的海水淡化性能。除此之外，淡化后所得水的鹽度遠(yuǎn)低于世界衛(wèi)生組織（WHO）規(guī)定的人類飲用水標(biāo)準(zhǔn)鹽度。該結(jié)果表明，通過(guò)太陽(yáng)能界面蒸發(fā)從海水中提取的淡水可以作為人類飲用水，這對(duì)于緩解淡水資源短缺危機(jī)具有重大的意義。

圖16 水收集裝置示意圖Fig.16 Schematic diagram of the water collection device

圖17 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl溶液淡化前后的鹽度[虛線代表WHO定義的飲用水標(biāo)準(zhǔn)鹽度（1000 mg·L-1）]Fig.17 Salinity before and after desalting NaCl solutions with different mass fraction [dotted line represents the WHO standard salinity for drinking water (1000 mg·L-1)]

3 結(jié) 論

利用激光燒蝕技術(shù)在ICB 板上生成了ICB-LIG光熱復(fù)合膜，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)建了高效的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)裝置，其具有優(yōu)異的特性：在1倍太陽(yáng)光強(qiáng)下，3.5%（質(zhì)量）的NaCl溶液中能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)1.33 kg·m-2·h-1的蒸發(fā)速率和86.0%的光熱轉(zhuǎn)化效率；穩(wěn)定狀態(tài)下ICB-LIG 膜表面溫度約為44.86℃,高于底層水體的溫度，證實(shí)其局域表面加熱能力良好；循環(huán)測(cè)試和耐鹽性能測(cè)試結(jié)果表明，ICB-LIG 膜具有良好的穩(wěn)定性，具有三層供水通道的蒸發(fā)器能夠迅速溶解鹽結(jié)晶，具有較好的自我恢復(fù)能力。該蒸發(fā)器具有優(yōu)異的海水淡化性能，淡化后的水符合WHO規(guī)定的飲用水鹽度標(biāo)準(zhǔn)，可以作為飲用水供人類飲用。