潘露琪, 任李培, 肖杏芳, 徐衛(wèi)林, 張 騫

(武漢紡織大學(xué) 省部共建紡織新材料與先進(jìn)加工技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430200)

隨著工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展以及全球人口增長的爆發(fā),淡水資源的短缺成為全球性問題[1-3]。海水作為地球上占比最大的水資源,如何對(duì)其進(jìn)行有效利用受到廣泛關(guān)注。然而,海水中鹽濃度約為人體所需的4倍,不能直接用于人類的日常生活,針對(duì)這個(gè)問題,海水淡化成為一種極具前景的解決方案。傳統(tǒng)的多效閃蒸、反式滲透和電滲透等海水淡化技術(shù)[4-6]需要復(fù)雜繁瑣的處理工藝,并且需要大量消耗化石能源等不可再生資源,這將對(duì)環(huán)境造成巨大影響。近年來,太陽能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)技術(shù)可利用太陽能這個(gè)天然、無污染的可再生能源,僅對(duì)蒸發(fā)器件表面水層進(jìn)行加熱,可以有效地將太陽能輻射轉(zhuǎn)化為熱能,進(jìn)而提高蒸汽產(chǎn)量,在解決淡水資源短缺方面有著十分優(yōu)異的發(fā)展前景。本文簡(jiǎn)要闡述了太陽能界面光熱蒸發(fā)器表面用于海水淡化過程中鹽結(jié)晶的危害,分別從主動(dòng)式和被動(dòng)式2個(gè)角度概括了纖維基界面光熱蒸發(fā)器件用于表面除鹽的策略,對(duì)纖維材料在界面光熱蒸發(fā)器表面除鹽設(shè)計(jì)中所面臨的挑戰(zhàn)及未來潛在的應(yīng)用前景進(jìn)行了總結(jié)與展望。

1 太陽能界面光熱鹽水處理

光熱材料上的鹽積累是阻礙太陽能界面光熱蒸發(fā)器長期、高效和穩(wěn)定工作的關(guān)鍵難題。水分在蒸發(fā)器件表面迅速蒸發(fā),鹽濃度快速升高導(dǎo)致器件表面鹽的結(jié)晶,不僅增加吸收體表面的鏡面反射,抑制器件對(duì)光的吸收,同時(shí)堵塞蒸汽逃逸通道,影響蒸汽的溢出,導(dǎo)致蒸發(fā)速率隨時(shí)間的推移而顯著降低,縮短器件的使用壽命甚至破壞蒸發(fā)器件[7-9]。為滿足海水淡化以及濃鹽廢水處理設(shè)施的長期運(yùn)行,傳統(tǒng)的定期清潔和替換光熱層[10-12]必然會(huì)增加生產(chǎn)成本。然而,常見的除垢劑(酸和阻垢劑的混合物(碳酸鹽或硫酸鹽))通常將與濃鹽水一起釋放,會(huì)造成排放水域的環(huán)境污染和海洋生物滅亡[13-14]。鑒于此,大量研究專注于開發(fā)或優(yōu)化新型結(jié)構(gòu)除鹽設(shè)備,以提高太陽能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)系統(tǒng)的效率或產(chǎn)量[15]。但如何設(shè)計(jì)開發(fā)能夠大面積投入生產(chǎn),并且可以反復(fù)使用的太陽能界面除鹽蒸發(fā)器,是該領(lǐng)域所關(guān)心的重點(diǎn),對(duì)持續(xù)穩(wěn)定的太陽能界面海水淡化和高濃鹽水處理具有重要的意義。

2 纖維基界面蒸發(fā)器表面除鹽設(shè)計(jì)

纖維材料擁有低成本、高比表面積及高孔隙率、特有的柔韌性和力學(xué)強(qiáng)度,以及方便裁剪性等優(yōu)良特性[16-17],是太陽能界面蒸發(fā)器表面除鹽的理想材料,因此,可以利用高效的毛細(xì)供水稀釋蒸發(fā)器表面鹽濃度,對(duì)纖維基蒸發(fā)器件進(jìn)行疏水處理等方法直接抑制鹽分析出;對(duì)于已經(jīng)形成鹽結(jié)晶的纖維基蒸發(fā)器,可以通過反復(fù)清洗或者物理刮除等方式除鹽。

纖維用于太陽能界面蒸發(fā)器表面除鹽設(shè)計(jì)的策略,可大致分為主動(dòng)式與被動(dòng)式2大類。其中主動(dòng)式分為水洗除鹽和區(qū)域結(jié)晶鹽收集,這2種方式均需要人為外力去除蒸發(fā)過程中產(chǎn)生的鹽,無法自行清除蒸發(fā)器件表面的鹽沉淀;而被動(dòng)式除鹽可自行清除蒸發(fā)器件表面的鹽分,甚至可以在蒸發(fā)過程中直接抑制鹽結(jié)晶產(chǎn)生,包括自清潔設(shè)計(jì)、對(duì)流效應(yīng)、定向流體傳輸與Janus織物設(shè)計(jì)4種方式,如圖1所示。

圖1 纖維基界面蒸發(fā)除鹽策略

2.1 主動(dòng)式

現(xiàn)有研究利用纖維材料的耐洗性與高孔隙率,設(shè)計(jì)出了可用于水洗除鹽與區(qū)域結(jié)晶鹽收集的纖維基界面光熱除鹽器件,均需要通過施加外力作用去除蒸發(fā)器件表面鹽結(jié)晶,由于纖維自身的柔軟性,這2種簡(jiǎn)便的光熱蒸發(fā)器設(shè)計(jì)在長期海水淡化應(yīng)用中具有一定的發(fā)展前景。

2.1.1 水洗除鹽

由于纖維材料特有的柔軟性以及耐洗滌性,研究者們發(fā)現(xiàn)在其上產(chǎn)生的鹽結(jié)晶可被輕易清洗去除,且反復(fù)揉搓也不易改變其結(jié)構(gòu)及性能。受上述特點(diǎn)啟發(fā),開發(fā)出了柔性織物基光熱蒸發(fā)器。

在洗滌過程中,通過普通涂覆在纖維表面的納米顆粒易脫落甚至損壞。Zhu等[18]基于靜電紡絲技術(shù)設(shè)計(jì)了耐水洗的光熱織物。靜電紡絲技術(shù)是將溶解后的聚合物通過高壓電場(chǎng)作用形成納米尺寸的纖維,從而可避免嵌入在納米纖維中的吸光納米材料光學(xué)性能的損失。靜電紡絲工藝使納米顆粒在聚合物納米纖維中均勻分散,納米粒子被基底材料包覆不易脫落。此外,納米纖維極小的纖維直徑賦予纖維膜光熱蒸發(fā)器所需的柔性,且納米纖維在非織造布中交織并形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),天然的多孔結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了光熱蒸發(fā)過程中海水的傳輸,也有助于水蒸氣逃逸,因此,文獻(xiàn)[18]制備的納米纖維膜基蒸發(fā)器經(jīng)過15次清洗后未發(fā)現(xiàn)吸光度與蒸發(fā)速率的降低?？椢镏械奈⒊叽缤ǖ罏楹Ｋ^程中海水的輸送提供了路徑,也有助于在洗滌過程中去除其表面的結(jié)晶鹽。Jin等[19]利用錦綸6與炭黑通過靜電紡絲制備具有高力學(xué)強(qiáng)度的非織造光熱纖維膜,以高性能纖維錦綸6作為基底材料,該蒸發(fā)器在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、有機(jī)溶劑和鹽水等各種惡劣環(huán)境中具有較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性。

2.1.2 區(qū)域結(jié)晶鹽收集

相較于上述水洗除鹽的方式,研究發(fā)現(xiàn)可通過外力剝除的方法將蒸發(fā)器件表面的結(jié)晶鹽去除,這種剝鹽方法可有效地從鹽水中同時(shí)獲得淡水與鹽晶體,對(duì)環(huán)境的影響最小。Finnerty等[20]報(bào)道了將氧化石墨烯(GO)薄膜材料制成合成葉片,該合成葉片在長時(shí)間處理高濃度鹽水過程中蒸發(fā)面結(jié)晶嚴(yán)重,其可通過刮除的方法去除,但這種方式不僅影響蒸發(fā)效率,也容易對(duì)蒸發(fā)面造成磨損,因此,如何構(gòu)建特定區(qū)域鹽結(jié)晶,實(shí)現(xiàn)鹽收集的同時(shí)避免大量鹽結(jié)晶抑制蒸汽產(chǎn)生速率成為研究的重點(diǎn)。

Shi等[21]利用酚醛樹脂與二氧化硅涂覆玻璃纖維非織造布,并制作成三維杯狀結(jié)構(gòu)的光熱除鹽蒸發(fā)器件。由于蒸發(fā)器內(nèi)部高溫高濕導(dǎo)致鹽分難以結(jié)晶,使得鹽晶體傾向于在器件的外表面生長,方便剝除與收集。這種三維蒸發(fā)器可在25%的高濃度鹽水下連續(xù)工作120 h,在120 h循環(huán)光熱蒸發(fā)鹽水實(shí)驗(yàn)中,鹽的回收率接近100%。這種物理脫鹽方法可以實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器件的循環(huán)利用,并且可以同時(shí)獲得副產(chǎn)物鹽,實(shí)現(xiàn)了零排放目標(biāo)。Lei等[22]利用單根棉柱在中心供水,頂端織物圓盤進(jìn)行蒸發(fā),借助于中心的一維水路,該蒸發(fā)器中輸送的鹽溶液從中心到邊緣產(chǎn)生橫向濃度梯度,處理21%的鹽水時(shí),鹽也只會(huì)傾向于在器件邊緣結(jié)晶,因此可通過外力輕易剝除,從而實(shí)現(xiàn)水/溶質(zhì)的完全分離和鹽的有效收集。

2.2 被動(dòng)式

盡管主動(dòng)式除鹽可以有效去除蒸發(fā)裝置表面的結(jié)晶鹽,但仍需要人為外力加以輔助,不適合長期實(shí)際應(yīng)用。為解決此問題,無需人為干預(yù)的被動(dòng)式除鹽策略應(yīng)運(yùn)而生。目前纖維基太陽能蒸發(fā)器的被動(dòng)式除鹽策略可大致分為4類:自清潔設(shè)計(jì)、對(duì)流效應(yīng)、定向流體傳輸與Janus織物設(shè)計(jì)。

2.2.1 自清潔設(shè)計(jì)

針對(duì)于已經(jīng)在蒸發(fā)器表面形成的鹽分,可通過打破平衡的方式轉(zhuǎn)換蒸發(fā)面被動(dòng)除鹽,不借助外力達(dá)到鹽分去除的目的。當(dāng)鹽在蒸發(fā)器表面結(jié)晶到一定程度時(shí),蒸發(fā)器由于頂部重力增大導(dǎo)致傾斜翻滾,將鹽結(jié)晶卷入水體再次溶解,從而達(dá)到自清潔目的。纖維材料由于其輕薄且耐水洗的特點(diǎn),適用于此類通過輕微質(zhì)量變化導(dǎo)致動(dòng)態(tài)平衡的自清潔設(shè)計(jì)中。

Liu等[23]制備了CsxWO3納米棒,并將其涂覆在棉織物上,通過在聚苯乙烯(PS)泡沫的兩面包裹CsxWO3棉織物,設(shè)計(jì)并制造了垂直對(duì)稱蒸發(fā)器。當(dāng)用于蒸發(fā)的一側(cè)被鹽結(jié)晶覆蓋時(shí),對(duì)稱蒸發(fā)器可通過手動(dòng)翻轉(zhuǎn)到另一側(cè)進(jìn)行蒸發(fā)。Xia等[24]利用膨脹聚乙烯泡沫筒與商用聚乙烯醇織物設(shè)計(jì)了一款桶狀自旋轉(zhuǎn)太陽能蒸發(fā)器,鹽在蒸發(fā)器頂部結(jié)晶,因而重力與浮力的平衡被打破,導(dǎo)致結(jié)晶表面自發(fā)的旋轉(zhuǎn)至水體中,新的光熱表面重新暴露于水面進(jìn)行進(jìn)一步蒸發(fā),通過“蒸發(fā)-結(jié)晶-自再生”周期式的自清潔設(shè)計(jì)效應(yīng),在超高質(zhì)量濃度(300 g/L)的鹽溶液中實(shí)現(xiàn)了持續(xù)穩(wěn)定的高能量轉(zhuǎn)換效率(約90%)。

2.2.2 對(duì)流效應(yīng)

盡管可以通過主動(dòng)式去除或自清潔設(shè)計(jì)被動(dòng)去除蒸發(fā)器表面的鹽結(jié)晶,但隨著蒸發(fā)時(shí)間的延長,鹽分逐漸累積,蒸汽產(chǎn)生效率仍然會(huì)降低,因此,當(dāng)光熱蒸發(fā)器件表面鹽濃度逐漸升高時(shí),需要及時(shí)補(bǔ)充低濃度鹽水進(jìn)行稀釋,防止鹽分進(jìn)一步析出。蒸發(fā)器表面由于水分快速流失導(dǎo)致鹽濃度趨于飽和,其光熱層和供液層之間形成鹽濃度梯度,使得鹽離子能自發(fā)地從高濃度轉(zhuǎn)移至低濃度的水體中,這種對(duì)流效應(yīng)能夠有效抑制光熱蒸發(fā)過程中器件表面的鹽結(jié)晶。纖維材料由于其疏松多孔的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較強(qiáng)的親水性,能夠滿足為鹽離子的對(duì)流提供充足的水供應(yīng),被廣泛應(yīng)用于此類對(duì)流效應(yīng)的設(shè)計(jì)中。

Ni等[25]利用黑色纖維素織物作為吸光層,白色纖維素織物作為供水層,聚苯乙烯泡沫作為支撐層與隔熱層,制備出具有三明治結(jié)構(gòu)的漂浮式太陽能界面蒸發(fā)器,這種設(shè)計(jì)可通過芯內(nèi)增強(qiáng)的對(duì)流效應(yīng)自動(dòng)排出鹽,同時(shí)保持良好的局部熱化。將40 g NaCl顆粒放置在蒸發(fā)器表面,使表面鹽濃度達(dá)到飽和(26%),并將其置于3.5%的鹽水中,在1個(gè)太陽光強(qiáng)下脫鹽1 h就能完全去除NaCl顆粒,證明該結(jié)構(gòu)具有優(yōu)秀的對(duì)流效應(yīng)。Zhang等[26]利用紡織織造技術(shù)設(shè)計(jì)了一種碳纖維和棉紗的混編織物,通過改變棉紗與碳纖維的比例可以實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器內(nèi)水分含量的調(diào)控,防止鹽分結(jié)晶。

廢舊紡織品的回收利用對(duì)節(jié)約資源、減污降碳具有重要意義。Liu等[27]利用廢棄棉纖維制備聚多巴胺功能化纖維素氣凝膠,氣凝膠的多孔結(jié)構(gòu)有助于光吸收和水傳輸,提高蒸發(fā)速率的同時(shí)抑制鹽結(jié)晶,在光熱蒸發(fā)模擬海水8 h過程中,可保持2 kg/(m2·h)左右的蒸發(fā)速率,且氣凝膠的表面未發(fā)現(xiàn)鹽結(jié)晶,表現(xiàn)出良好的耐鹽性能。

2.2.3 定向流體傳輸

不同于簡(jiǎn)單的對(duì)流效應(yīng),研究者們發(fā)現(xiàn)定向水流在實(shí)際脫鹽中更為有效。在濃鹽水脫鹽過程中,通過定向傳輸,使鹽水被動(dòng)地向指定方向流動(dòng),不同于傳統(tǒng)對(duì)流效應(yīng),定向流體傳輸設(shè)計(jì)能夠加劇鹽離子的轉(zhuǎn)移速率,緩解蒸發(fā)過程中結(jié)晶鹽的形成,同時(shí)還能獲得副產(chǎn)物濃縮鹽水。由于此類裝置需要較寬較長的平臺(tái),傳統(tǒng)聚合物及納米材料難以實(shí)現(xiàn)大范圍制備,而纖維紡織品材料易于尺寸化且易于裁剪,是制備定向流體傳輸裝置的理想材料。

Zhang等[28]在商用碳布上用銅摻雜傳統(tǒng)的鋅基金屬有機(jī)框架材料(Zn-MOF)作為光熱層,利用親水織物作為單向?qū)d體,可同時(shí)生產(chǎn)清潔水與電能。將高濃度鹽水收集器放置在低地勢(shì)區(qū)域,將高地勢(shì)區(qū)域的鹽水通過虹吸效應(yīng)形成單向鹽水流體進(jìn)行輸送,受益于纖維材料極強(qiáng)的浸潤性,流體驅(qū)動(dòng)鹽的遷移,這種策略可穩(wěn)定運(yùn)行并且防止鹽分析出。Liu等[29]利用聚苯胺納米棒涂覆棉織物設(shè)計(jì)了一種通過懸掛織物的間接接觸蒸發(fā)系統(tǒng),織物的兩端與海水接觸,利用織物強(qiáng)大的毛細(xì)吸力控制引流,高濃度鹽水可從弧形織物的底部滴落,而不會(huì)出現(xiàn)固體鹽積聚。盡管這種懸垂蒸發(fā)器抑制鹽結(jié)晶的特性已被驗(yàn)證,但其蒸發(fā)速率受到高蒸發(fā)焓和陽光入射角度的嚴(yán)重限制。為解決這些問題,該團(tuán)隊(duì)利用硫化銨水溶液對(duì)含銅聚丙烯腈靜電紡絲纖維膜進(jìn)行硫化處理[30],在該模型中,光熱織物被拉伸,其兩端邊緣固定在2個(gè)不同高度的水箱中,較高的水箱中裝滿海水,而較低處為空水箱,因此,在蒸發(fā)過程中海水不斷滲入織物,最終在毛細(xì)作用和重力作用下到達(dá)下方水箱,其在1個(gè)太陽光強(qiáng)下的蒸發(fā)速率高達(dá)2.27 kg/(m2·h),對(duì)高濃度鹽水(21%)連續(xù)脫鹽12 h也未出現(xiàn)鹽晶體。該蒸發(fā)器可以根據(jù)太陽在一天的不同時(shí)刻、不同入射角度,改變自身傾斜角度與入射光方向形成正交,以達(dá)到最高的光熱轉(zhuǎn)換效率,降低蒸發(fā)焓,獲得最大的蒸發(fā)速率。

2.2.4 Janus織物設(shè)計(jì)

對(duì)于接近飽和濃度的鹽水,除鹽最有效的策略就是阻隔鹽離子到達(dá)蒸發(fā)器表面。Janus織物設(shè)計(jì)多采用疏水與親水纖維經(jīng)緯交錯(cuò)編織[31]、靜電紡親疏水纖維分層設(shè)計(jì)[32]、親水織物表面涂覆疏水材料[33]等方式。纖維材料疏松多孔的結(jié)構(gòu)與易于表面改性的特點(diǎn),是制備此類Janus結(jié)構(gòu)的理想材料。這種上層疏水下層親水的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)僅允許水分子通過,蒸汽在上層疏水層的下方產(chǎn)生,通過織物的孔隙逃逸,而鹽離子無法通過水流抵達(dá)疏水層表面,可以有效防止鹽在蒸發(fā)器表面結(jié)晶。

Xu等[32]利用層級(jí)結(jié)構(gòu)與靜電紡絲技術(shù),采用疏水炭黑納米顆粒涂層的聚甲基丙烯酸甲酯作為上層光吸收層,親水性聚丙烯作為下層吸水層。蒸發(fā)過程中鹽離子在疏水/親水界面處受阻,并保持在水位以下,以消除蒸發(fā)器表面上形成鹽的可能性。由于表面的疏水結(jié)構(gòu),該蒸發(fā)器可以處理濃度為20%的鹽水,并且可以連續(xù)海水脫鹽16 d。然而此種除鹽方式很大程度地犧牲了蒸發(fā)速率,阻止鹽離子的同時(shí)也阻隔了大部分的水分子在蒸發(fā)器件內(nèi)向上傳輸。

Dong等[33]合理利用了Janus織物設(shè)計(jì)、定向流體傳輸與區(qū)域結(jié)晶鹽收集等方式,設(shè)計(jì)了一種除鹽纖維材料蒸發(fā)器件,利用可生物降解的醋酸纖維素纖維氈,在其上表面涂覆碳納米管作為光熱層,并對(duì)其進(jìn)行疏水改性以抑制鹽在上層光熱層結(jié)晶。再利用聚丙烯腈纖維在纖維氈的另一側(cè)進(jìn)行靜電紡絲,以此作為親水蒸發(fā)層,從而制備具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的Janus纖維氈。將蒸發(fā)器懸掛于水面,通過重力引流將鹽水輸送至光熱層。由于上層光熱層的疏水結(jié)構(gòu),鹽僅在下表面結(jié)晶,不影響兩側(cè)的供水通道,對(duì)蒸發(fā)速率影響較小,達(dá)到了1.94 kg/(m2·h)的高蒸發(fā)率,且通過手動(dòng)剝離可以獲得副產(chǎn)物礦物鹽。

近年來,纖維材料由于其成本低廉、功能多樣化、易與其它材料復(fù)合、易于裁剪和可反復(fù)使用等特點(diǎn),在太陽能界面蒸汽轉(zhuǎn)換領(lǐng)域備受關(guān)注,一系列基于纖維材料設(shè)計(jì)的除鹽蒸發(fā)器件也應(yīng)運(yùn)而生[34-35]。表1示出匯總的近年來纖維材料用于界面光熱除鹽的部分研究,以及主要的除鹽效果及其它特性。可以看出,纖維基蒸發(fā)器件普遍具有蒸發(fā)效率較高,對(duì)于高濃度鹽溶液處理持續(xù)性好,具有優(yōu)異的穩(wěn)定性與可循環(huán)性,可適用于長期脫鹽工作,為太陽能界面蒸發(fā)除鹽設(shè)計(jì)提供了良好的應(yīng)用前景。

表1 纖維材料用于界面光熱除鹽設(shè)計(jì)的部分工作總結(jié)

3 結(jié)束語

盡管纖維材料在界面蒸發(fā)除鹽應(yīng)用中的性能得到顯著提高,然而其在未來發(fā)展中依然存在一些挑戰(zhàn)及未解決的問題,需要進(jìn)一步研究完善。

1)對(duì)于飽和濃鹽水以及高光照強(qiáng)度的情況,僅通過親水纖維基蒸發(fā)器難以緩解其蒸發(fā)界面過高的鹽濃度,結(jié)晶問題仍無法避免,而采用Janus織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)犧牲了蒸發(fā)速率,因此,迫切需要開發(fā)新的活性紡織品,以便在高鹽濃度/光照條件下工作。

2)蒸發(fā)器內(nèi)部水分過多,將導(dǎo)致加熱多余的水造成熱量損失。要想進(jìn)一步提高蒸汽生成率,需要提高太陽能熱量的有效利用率。對(duì)于親水纖維材料來說,含水量的降低往往會(huì)使鹽分不能及時(shí)溶解在水體中,導(dǎo)致鹽分析出,影響設(shè)備的使用壽命,這意味著其無法在控制水分的同時(shí)處理高濃度的鹽水,這將嚴(yán)重限制其未來的發(fā)展。

3)在太陽能光熱脫鹽過程中,除要避免鹽分結(jié)晶,還須抑制水體內(nèi)其它污染物(如脂肪酸、油脂、營養(yǎng)鹽等)堵塞蒸發(fā)器。這些污染物不僅會(huì)遮光、影響蒸汽溢出,更對(duì)環(huán)境與人體健康造成威脅。一旦這些沉淀物形成,通過簡(jiǎn)單的水洗很難完全去除,可能會(huì)導(dǎo)致積聚堵塞蒸汽逃逸通道的問題,因此,尋找減少太陽能光熱脫鹽過程中污染物產(chǎn)生的策略,也將成為未來纖維基蒸發(fā)器件新的發(fā)展方向。