褚小龍

（浙江農(nóng)林大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，浙江 杭州 311300）

0 引言

近年來，隨著全球人口的快速增長(zhǎng)和工業(yè)的快速發(fā)展，淡水資源已經(jīng)變得愈發(fā)短缺[1]。而世界上很多國(guó)家以農(nóng)業(yè)為主，迫切需要對(duì)豐富的海水資源進(jìn)行淡化，用于農(nóng)作物的灌溉[2]。傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)存在著能耗大、成本高、污染重等問題，而太陽(yáng)能作為一種豐富且可再生的資源，逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[3]。利用太陽(yáng)能對(duì)海水進(jìn)行蒸發(fā)除鹽，再收集水蒸氣得到淡水進(jìn)行農(nóng)作物灌溉，已經(jīng)成為一種可行的解決方法[4]。

太陽(yáng)能蒸發(fā)海水的工作原理為：入射光照射到太陽(yáng)能吸收材料上，可被充分吸收并轉(zhuǎn)化成熱能，隨后，水分被加熱并轉(zhuǎn)化為蒸汽，將蒸汽冷凝收集即可獲取所需的淡水[5-6]。太陽(yáng)能蒸發(fā)根據(jù)加熱位置的不同一般可分為界面加熱、底部加熱和整體加熱。其中，太陽(yáng)能界面水蒸發(fā)由于選擇性地加熱了蒸汽產(chǎn)生部分的水體，即水-空氣界面，而不是加熱整個(gè)水體，避免了加熱位置和蒸發(fā)位置的錯(cuò)位，從而減少了熱量損失，因此也表現(xiàn)出最高的熱量利用率和光-汽轉(zhuǎn)化效率，成為當(dāng)下的研究前沿與熱點(diǎn)[5]。

對(duì)此，課題組利用植酸水溶液對(duì)輕木表面進(jìn)行改性，成功制備了植酸改性輕木（PA-BW）。該實(shí)驗(yàn)僅需一步即可完成，步驟簡(jiǎn)潔、快速且成本較低。其中，輕木是生長(zhǎng)速度最快的木材品種之一，在5～8年內(nèi)就可長(zhǎng)到約20 m高，直徑可達(dá)75 cm[7]；而植酸是從油籽、豆類、谷物、堅(jiān)果和花粉中提取并純化的有機(jī)磷類化合物，其來源非常豐富，且成分基本不會(huì)對(duì)環(huán)境造成負(fù)擔(dān)和污染[8]。一個(gè)植酸分子中含有六個(gè)磷酸基團(tuán)，可提供多個(gè)交聯(lián)位點(diǎn)，與輕木中的纖維素發(fā)生酯化反應(yīng)[8]。輕木本身孔道豐富，提供了高速的水分運(yùn)輸通道，同時(shí)，改性木材也展現(xiàn)出優(yōu)異的光吸收和光熱轉(zhuǎn)化性能[9]。得益于以上優(yōu)勢(shì)，蒸發(fā)器表現(xiàn)出較好的水蒸發(fā)速率（1.64 kg·m-2·h-1，1個(gè)太陽(yáng)光照下）和優(yōu)異的光-汽轉(zhuǎn)化效率（94.1%，1個(gè)太陽(yáng)光照下），優(yōu)于同等測(cè)試條件下的未處理輕木的蒸發(fā)性能（0.84 kg·m-2·h-1和44.4%）。本項(xiàng)工作為太陽(yáng)能水蒸發(fā)器用于農(nóng)田灌溉方面提供了新的思路。

1 材料與方法

1.1 材料

輕木（BW，密度80 kg/m3～100 kg/m3，切割大小3 cm×3 cm×3 cm），購(gòu)買自廣州市奇高輕木貿(mào)易有限公司；植酸（C6H18O24P6，質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%）購(gòu)買自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；過氧化氫（H2O2，30%）購(gòu)買自永華化學(xué)股份有限公司。

1.2 植酸改性木材的制備

首先將輕木按照樹木生長(zhǎng)的方向（橫截面作為光熱面）切割成3 cm×3 cm×3 cm的塊狀，再將輕木塊用來進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)化的面在過氧化氫溶液中浸泡一小時(shí)，取出后用去離子水清洗，并置于98%的乙醇溶液中抽真空一小時(shí)。將質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%的植酸水溶液稀釋成17.5%，用移液槍取150 μL涂抹在輕木塊的光熱面，最后在120 ℃的烘箱中處理三個(gè)小時(shí)，所得即為植酸改性木材。

1.3 水蒸發(fā)性能測(cè)試

進(jìn)行的室內(nèi)蒸發(fā)測(cè)試均采用特定的蒸發(fā)裝置，在室溫23 ℃±3 ℃和相對(duì)濕度53%±3%的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，不排除因?yàn)樘厥庠驅(qū)е碌臏囟群蜐穸炔▌?dòng)。為了更加精準(zhǔn)地模擬海水處理的過程，配制了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液進(jìn)行室內(nèi)蒸發(fā)性能測(cè)試。

1.4 分析與表征方法

通過冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，SU8010，HITACHI）和超景深三維顯微鏡（3D OPM，VHS-1000，KEYENCE）對(duì)改性木塊表面的基本形貌進(jìn)行觀察。通過接觸角測(cè)試儀（JC2000D1，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司）研究了樣品的潤(rùn)濕特質(zhì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 PA-BW的形貌與結(jié)構(gòu)表征

圖1中的a、b部分分別展現(xiàn)了輕木（BW）和植酸改性輕木（PA-BW）的宏觀形貌；圖1中的e、f部分分別展現(xiàn)了輕木（BW）和植酸改性輕木（PA-BW）的微觀形貌。經(jīng)過植酸改性處理后，原本淡黃色的輕木顯著轉(zhuǎn)變?yōu)楹诤稚?；而由超景深三維照片可以看出，輕木在處理前后平面平整度變化不大。對(duì)BW和PA-BW的橫截面進(jìn)行了掃描電子顯微鏡（SEM）分析，結(jié)果分別如圖1中的c、d部分所示，通過SEM圖可以觀察到，未經(jīng)處理的輕木具有豐富的孔洞，且其內(nèi)表面光滑；然而，經(jīng)過植酸改性處理后，表面變得粗糙且孔道結(jié)構(gòu)也被破壞。

圖1 BW和PA-BW的結(jié)構(gòu)與形貌

2.2 PA-BW的光熱、潤(rùn)濕性能研究

木材因其孔徑豐富而具有出色的水分運(yùn)輸能力，經(jīng)過植酸改性后，其光熱響應(yīng)能力得到了顯著提升，從而進(jìn)一步提高了光吸收層的溫度。為了探究PA-BW的光熱轉(zhuǎn)化能力，使用未經(jīng)處理的輕木作為對(duì)照組。將其在1個(gè)太陽(yáng)的光照強(qiáng)度下連續(xù)照射1 800 s并記錄其表面溫度變化。為了模仿實(shí)際場(chǎng)景，BW和PA-BW先用質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的氯化鈉溶液潤(rùn)濕，且測(cè)試過程中的水體同為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的氯化鈉溶液。BW和PA-BW在連續(xù)照射1 800 s后表面溫度分別上升到38.0 ℃和53.2 ℃，兩者表面溫差為15.2 ℃，如圖2所示。由此可以看出：PA-BW與BW相比較具有更優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能。

此外，PA-BW除了具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能，其潤(rùn)濕性也較佳。輕木經(jīng)植酸處理之后，其接觸角由原先的86.3°降低至79.8°，證明其親水性略有增加。說明經(jīng)過植酸處理之后，改性木材仍可基本保留其原有的潤(rùn)濕性。

2.3 PA-BW的水蒸發(fā)性能

本研究對(duì)BW和PA-BW在鹽水中的蒸發(fā)性能進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究和比較，結(jié)果顯示在1個(gè)太陽(yáng)的光照強(qiáng)度下，PA-BW蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率（1.64 kg·m-2·h-1）明顯優(yōu)于BW蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率（0.81 kg·m-2·h-1）。通過減去暗態(tài)下的蒸發(fā)速率，計(jì)算出1個(gè)太陽(yáng)的光照強(qiáng)度下，BW和PA-BW蒸發(fā)器的光-汽轉(zhuǎn)化效率分別為44.7%和94.1%。PA-BW蒸發(fā)器之所以具有如此高的光-汽轉(zhuǎn)化效率，是因?yàn)槠鋬?yōu)異的光-熱轉(zhuǎn)換效率提高了光的利用率，如圖3所示。

圖3 BW和PA-BW在1個(gè)太陽(yáng)光照下的蒸發(fā)速率和光-汽轉(zhuǎn)化效率

樣品在不同太陽(yáng)光照下的蒸發(fā)性能測(cè)試結(jié)果如圖4所示，從0.5個(gè)太陽(yáng)光照到2個(gè)太陽(yáng)光照，由于光照強(qiáng)度的增加，PA-BW的蒸發(fā)速率有所提高，先從0.79 kg·m-2·h-1升高到了1.64 kg·m-2·h-1，繼而又升高到了2.21 kg·m-2·h-1。隨著光照強(qiáng)度的增加，光-汽轉(zhuǎn)化效率從1個(gè)太陽(yáng)光照下的94.1%降低到了2個(gè)太陽(yáng)光照下的63.75%。推測(cè)是由于大量熱量位于蒸汽產(chǎn)生界面，木材的通量難以滿足較高光強(qiáng)條件下的批量蒸汽生成，并且光熱界面與周圍環(huán)境的溫差增大，從而加速了熱損失，故而導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率降低[10]。

圖4 PA-BW在0.5、1、2個(gè)太陽(yáng)光照下的蒸發(fā)速率和光-汽轉(zhuǎn)化效率

3 結(jié)論

綜上所述，通過一步法利用植酸對(duì)輕木表面進(jìn)行改性，增強(qiáng)其光熱轉(zhuǎn)化性能并利用木材天然豐富的孔道結(jié)構(gòu)進(jìn)行水分的運(yùn)輸。得益于以上優(yōu)勢(shì)，PA-BW蒸發(fā)器在1個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下有著1.64 kg·m-2·h-1的蒸發(fā)速率和高達(dá)94.1%的光-汽轉(zhuǎn)化效率。優(yōu)異的蒸發(fā)性能使其可以將海水淡化后的蒸餾水用于農(nóng)作物灌溉，降低土地鹽堿化的風(fēng)險(xiǎn)，為未來太陽(yáng)能水蒸發(fā)器在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用提供了新的思路。