重慶純水設(shè)備解讀：制備木基光熱材料的方法大全
【重慶水處理設(shè)備網(wǎng)http://www.qdlhyd.com/】一、研究背景：
平安飲用水的短缺是目前面臨的一個(gè)全球性問題，尤其是偏遠(yuǎn)貧困地區(qū)。近年來，基于光熱資料的太陽能海水淡化技術(shù)受到廣泛關(guān)注。不同于傳統(tǒng)的太陽能蒸發(fā)水技術(shù)，基于光熱資料的太陽能海水淡化技術(shù)可通過光熱資料高效地將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，并將產(chǎn)生的熱量鎖定在水的外表，使外表水快速加熱生成水蒸氣（無需對整體水進(jìn)行加熱）因此其效率更高。對于這一新技術(shù)，光熱資料及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。木材由于具有較低的密度（可漂浮在水面）內(nèi)部富含大量的水通道以及低的熱導(dǎo)率，成為制備光熱材料的常用資料之一。
關(guān)鍵挑戰(zhàn)：
目前制備木基光熱材料的方法主要有兩種：一種是外表碳化；另一種是外表涂層。外表碳化是將平整的木材置于高溫的加熱板上，通過高溫將接觸面進(jìn)行碳化。這一技術(shù)需要較高的溫度，并且較難實(shí)現(xiàn)不平整或不規(guī)則木材外表的均勻碳化；此外，經(jīng)過高溫碳化后的木材外表會失去大量的親水基團(tuán)，導(dǎo)致其水下抗油黏附性能降低，易被水中油滴黏附堵塞孔道，導(dǎo)致產(chǎn)水性能大幅降低。外表涂層技術(shù)是將制備好的光熱資料涂敷在木材外表。常用的涂敷資料為炭黑及其他無機(jī)資料，這些資料由于和木材之間沒有足夠的結(jié)合力，容易在外力作用下脫落。
除了光熱資料自身性質(zhì)外，光熱資料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對于提高其海水淡化性能也尤為重要：良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以增大光熱資料外表積，提高光能利用率，進(jìn)而提高光熱資料的產(chǎn)水效率。這就要求制備木基光熱材料的方法要適用于任意形狀的木材，以便于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。而目前報(bào)道的外表碳化和外表涂層技術(shù)較難實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
二、研究的動身點(diǎn)：
針對以上問題，南昌大學(xué)王振興講師和李越湘教授合作開發(fā)了一種簡單溫和且能將各種不規(guī)則形狀木材轉(zhuǎn)變?yōu)楣鉄岵牧系男路椒ǎ嚓P(guān)效果已在NanoEnergi發(fā)表。該方法只需將木材置于單寧酸水溶液中浸泡一段時(shí)間，之后再將單寧酸處理的木材置于含有三價(jià)鐵離子的水溶液中浸漬，重慶純水設(shè)備就可將木材轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｋ玫墓鉄豳Y料，整個(gè)過程無需高溫高壓或特殊設(shè)備，綠色環(huán)保，且適用于任意形狀的木材。本文研究重點(diǎn)在于通過簡單、溫和、普適的方法制備木基光熱材料，并詳細(xì)研究論述該方法在提高木基光熱資料綜合性能方面的獨(dú)特優(yōu)勢。
圖1制備木基光熱材料的示意圖、所得木基光熱材料的穩(wěn)定性、基于該方法實(shí)現(xiàn)木基光熱材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
三、研究內(nèi)容：
1該方法對各種木材的普適性及機(jī)理
該方法通過簡單的單寧酸處置及后續(xù)三價(jià)鐵離子處置可將各種罕見木頭（1.櫸木、2.杉木、3.松木、4.柳木、5.橡木、6.楊木、7.柘木）轉(zhuǎn)變?yōu)楣鉄岵牧?。對比試?yàn)標(biāo)明，該方法對其他高分子資料如聚丙烯膜，聚酯布料和聚氨酯海綿等無效；此外，單獨(dú)的單寧酸和單獨(dú)的三價(jià)鐵離子也無法將大部分木材轉(zhuǎn)變?yōu)楣鉄岵牧?。有意思的對于柘木而言，單?dú)的三價(jià)鐵離子處置就可將其變?yōu)楣鉄豳Y料。
圖2利用該方法將各種罕見木材轉(zhuǎn)變?yōu)楣鉄岵牧?、該方法對非木制資料無效、單獨(dú)用三價(jià)鐵離子處置木材無效果（柘木除外）注：對比試驗(yàn)是為了更好地理解該方法的改性機(jī)理。
為了說明木材變黑的機(jī)理，作者以楊木為例，進(jìn)一步對其外表形貌和化學(xué)組成進(jìn)行了表征。經(jīng)過處置后的楊木在形貌上與原楊木無明顯區(qū)別，但XPS和AP-FTIR標(biāo)明改性后的木材外表修飾上了單寧酸和三價(jià)鐵離子。結(jié)合對比試驗(yàn)，作者推測了其改性機(jī)理：木材中的木質(zhì)素和纖維素含有大量的羥基，且具有豐富的孔道和多級結(jié)構(gòu)，其可以牢固地結(jié)合大量的單寧酸分子，這些單寧酸分子可以與三價(jià)鐵離子配位形成大量絡(luò)合物，絡(luò)合物內(nèi)的d-d躍遷與木材表面的多級結(jié)構(gòu)最終使木材外表變黑，成為良好的光熱資料。對于柘木而言，其自身內(nèi)部本就含有大量的單寧類物質(zhì)，因此其直接用三價(jià)鐵離子處置就可以變黑；而其他木材自身所含單寧類物質(zhì)較少，單獨(dú)的三價(jià)鐵離子處置只會使顏色變深，而無法變黑。對于聚丙烯等高分子資料，其外表化學(xué)惰性，單寧酸較難修飾在其表面（文中已通過XPS等證明）因此該方法無法使其變黑。
圖3楊木（斷面，垂直于其生長方向）改性前后的電子顯微鏡圖像、X射線光電子能譜分析、傅里葉全反射紅外光譜、木材外表單寧酸與三價(jià)鐵離子絡(luò)合示意圖、木材變黑的關(guān)鍵因素
2木基光熱材料的性能
所得木基光熱材料在寬波長范圍內(nèi)表現(xiàn)出高的光吸收（這對于提高資料光熱效率很重要）并且具有超親水和水下超疏油性（有利于賦予資料水下抗油黏附性）此外，該方法處置后的木基光熱資料仍保持良好的水傳輸性能重慶純水設(shè)備。
圖4木基光熱材料的光吸收、親水性及水下超疏油性、水傳輸性
作者們進(jìn)一步研究了所得木基光熱材料在1kWm-2下的水蒸發(fā)速率及能量效率。所得木基光熱資料中，楊木基光熱資料具有的蒸發(fā)速率（1.34kgm-2h-1對應(yīng)的能量效率達(dá)到90%左右。這標(biāo)明木基光熱材料的性能可通過選擇合適木材進(jìn)行優(yōu)化提高。此外，作者進(jìn)一步研究了楊木基光熱材料的海水淡化性能，該木基光熱資料所收集水中各離子的濃度均下降了3個(gè)數(shù)量級，高于世界衛(wèi)生組織的飲用水規(guī)范。
圖51kWm^-2下不同木基光熱材料的水蒸發(fā)量隨時(shí)間的變化、不同木基光熱材料的光熱效率、楊木基光熱資料用于海水淡化后所得水中不同離子含量及鹽度。
3木基光熱材料的穩(wěn)定性
光熱資料在應(yīng)用過程中可能會面臨各種各樣的情況：比如酸性或堿性環(huán)境、波浪的沖洗、晝夜溫差導(dǎo)致的反復(fù)冷凍和融化等，這就需要光熱資料具有良好的穩(wěn)定性。作者通過酸堿浸泡處理、超聲及連續(xù)長時(shí)間沖洗測試、連續(xù)冷凍-融化處置模擬了上述情況，結(jié)果標(biāo)明該方法處置所得木基光熱資料具有良好的穩(wěn)定性。值得一提的與碳化的木基光熱資料相比，該方法所得木基光熱資料具有優(yōu)異的水下抗油黏附性，其在含油廢水中性能穩(wěn)定，而碳化木基光熱資料則由于水通道易被油滴黏附堵塞，導(dǎo)致產(chǎn)水速率嚴(yán)重下降。
圖6木基光熱材料在酸性、堿性、超聲、連續(xù)沖洗、循環(huán)冷凍-融化條件下的穩(wěn)定性、該方法所得木基光熱資料和碳化木基光熱材料的水下抗油黏附性對比、含油水中的水蒸發(fā)速率對比。
改性方法是否利于規(guī)?；苽鋵τ谄鋵?shí)際應(yīng)用也尤為重要，作者發(fā)展的此方法可以很容易地實(shí)現(xiàn)大塊木材的改性。此基礎(chǔ)上，作者設(shè)計(jì)了一個(gè)簡易的太陽能海水淡化裝置，進(jìn)一步考察了所得木基光熱材料的實(shí)際海水淡化效果。
圖7該方法可以不同木基光熱材料的光熱效率、楊木基光熱資料用于海水淡化后所得水中不同離子含量及鹽度。
4該方法在木基光熱資料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的獨(dú)特優(yōu)勢
光熱資料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不但可以提高資料的外表積，還可增加其對光能的利用率，減少能量損失，從而大幅提高光熱資料的產(chǎn)水速率。目前為止，基于木基光熱材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍鮮有報(bào)道，其主要原因在于目前木基光熱材料的制備方法較難適用于具有特殊結(jié)構(gòu)或不規(guī)則形狀的木材。而本文所開發(fā)的方法可以適用于各種不規(guī)則形狀的木材，為進(jìn)一步提高木基光熱材料的海水淡化性能提供了新的契機(jī)。為了展示這一優(yōu)勢，作者在木材外表加工出具有不同深度和傾斜角度的溝槽，用以提高其外表積和減少能量損失，并進(jìn)一步測試了其在一個(gè)太陽光照下的產(chǎn)水速率。結(jié)果標(biāo)明，經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的木基光熱材料的產(chǎn)水速率達(dá)到1.8kgm-2h-1遠(yuǎn)高于沒有進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的木基材料。
圖8木基光熱材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后的木基光熱資料具有更高的性能。
四、總結(jié)與展望：
本文開發(fā)了一種極其簡單、溫和且通用的木基光熱資料制備方法，這一方法不但可以賦予木基光熱資料優(yōu)異的水下抗油黏附性能，還有利于木基光熱材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，太陽能海水淡化領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。該研究工作為設(shè)計(jì)開發(fā)高性能木基光熱海水淡化資料提供了新的思路和途徑。
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