孫志強(qiáng), 周建華,2, 苗 蕾,2

(1.桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣西 桂林 541004;2.桂林電子科技大學(xué) 廣西信息材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004)

人類社會(huì)的快速發(fā)展導(dǎo)致了地球資源的快速消耗以及環(huán)境污染日益加劇,其中水資源短缺及水污染現(xiàn)象尤為嚴(yán)重,影響著人們的生存和可持續(xù)性健康發(fā)展。傳統(tǒng)的處理方法包括物理吸附、電化學(xué)沉積、膜分離等,具有設(shè)備安裝和運(yùn)行成本高、能耗高以及易產(chǎn)生二次污染等問(wèn)題,限制了這些技術(shù)的大規(guī)模使用,也難以滿足持續(xù)性發(fā)展的要求。而以太陽(yáng)能蒸汽技術(shù)為基礎(chǔ),通過(guò)太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換材料吸收太陽(yáng)能加熱液態(tài)水,使之快速蒸發(fā),并通過(guò)冷凝裝置獲得干凈的淡水,實(shí)現(xiàn)海水淡化、污水處理[1-4]。太陽(yáng)能蒸汽技術(shù)對(duì)材料和設(shè)備都沒(méi)有太高的要求,相比于傳統(tǒng)的海水淡化和水處理技術(shù),成本低廉,而且不需要消耗化石能源、化學(xué)藥品,對(duì)環(huán)境友好,已成為最具發(fā)展?jié)摿Φ暮Ｋ退幚砑夹g(shù)之一[5-8]。但在材料合成和應(yīng)用層面存在制備工藝復(fù)雜和穩(wěn)定性差的問(wèn)題,限制了系統(tǒng)的長(zhǎng)期高效運(yùn)行[9-12]。因此,研究具有高性能、穩(wěn)定的太陽(yáng)能蒸發(fā)器具有十分重要的意義。

相對(duì)于水凝膠而言,氣凝膠具有高孔隙率和低熱導(dǎo)率的優(yōu)點(diǎn),從而能夠?qū)崿F(xiàn)高效穩(wěn)定的太陽(yáng)能水蒸發(fā)。但在實(shí)際應(yīng)用中氣凝膠出現(xiàn)機(jī)械性能差、親水性不佳的缺點(diǎn),限制了其大規(guī)模使用[13-14]。因此,本研究利用聚乙二醇和聚多巴胺對(duì)聚丙烯酰胺進(jìn)行改性,提高機(jī)械性能的同時(shí)還增強(qiáng)了親水性[15-18]。經(jīng)過(guò)冷凍干燥法制備的改性氣凝膠具有良好的通道,可以在蒸發(fā)時(shí)將水穩(wěn)定輸送到蒸發(fā)界面。此外,大量親水基團(tuán)的加入使得改性氣凝膠具有良好的水化能力,這是形成中間水的基礎(chǔ)。由于中間水在蒸發(fā)時(shí)所需要的能量更低,所以能夠有效提高蒸發(fā)速率[19-20]。

1 材料制備和表征測(cè)試

1.1 PAM-PDA-PEG改性氣凝膠的制備

PDA的制備:取0.2 g鹽酸多巴胺和0.12 g三(羥甲基)氨基甲烷加入到100 mL去離子水中,并用NaOH 調(diào) 節(jié)p H 至8.5,然 后 攪 拌24 h 得 到PDA。

PAM-PDA-PEG(PG-PAM)改性氣凝膠的制備:取10 mL 制備的PDA 溶液并向其中加入0.2 m L PEG,攪拌10 min后再向其中加入0.1 mL多壁碳納米管分散液。然后依次加入2 g丙烯酰胺、0.2 g N,N'-亞甲基-雙丙烯酰胺、0.2 g 亞硫酸氫鈉和0.02 g過(guò)硫酸銨,攪拌1 min后倒入模具。最后將模具放入冷凍干燥機(jī)中,在-40℃下冷凍2 h再真空干燥20 h,得到PAM-PDA-PEG改性氣凝膠。

1.2 PAM-PDA-PEG改性氣凝膠的表征

PAM-PDA-PEG的表面形貌通過(guò)SEM 進(jìn)行觀察,利用FTIR分析了PAM-PDA-PEG的化學(xué)組成,其吸光性能由UV-Vis-NIR測(cè)試,通過(guò)水接觸者表征了PAM-PDA-PEG的親水性,利用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)測(cè)量蒸發(fā)液的離子濃度,通過(guò)Raman分析了氣凝膠內(nèi)部水的組成。

1.3 太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換性能測(cè)試

將容器放在電子天平上,容器內(nèi)盛有水,上方被聚乙烯泡沫覆蓋。聚乙烯泡沫中間有一小孔,氣凝膠上端插入空中,下端接觸到水。然后使用氙燈照射模擬太陽(yáng)光,電子天平另一端連接電腦,容器的質(zhì)量變化通過(guò)電子天平輸出到電腦上。實(shí)驗(yàn)溫度被控制在25℃±1℃,濕度為50%±2%。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 SEM

圖1為PAM-PDA-PEG 改性氣凝膠的SEM 圖片。從圖中可以看出氣凝膠內(nèi)部具有良好的孔洞結(jié)構(gòu),可以保證水在氣凝膠內(nèi)部穩(wěn)定的輸送。PEG 的加入使得單體丙烯酰胺可以很好地分散在溶液內(nèi),經(jīng)過(guò)低溫冷凍時(shí),單體聚合形成的網(wǎng)格狀將逐漸形成的冰晶包圍在其中,接著真空干燥時(shí),冰晶升華,從而在聚合物中留下均勻的孔洞結(jié)構(gòu)。

圖1 PAM-PDA-PEG的SEM 圖

2.2 FTIR和UV-vis-NIR

圖2為兩種氣凝膠的紅外光譜圖。由于聚丙烯酰胺上含有大量的氨基和羰基,所以從圖2中可以看出,在3 190 cm-1處是N—H 的拉伸振動(dòng)峰,在1 678 cm-1的峰是由C=O 的拉伸振動(dòng)引起的。由于PDA的加入不僅加強(qiáng)了氨基峰,還帶來(lái)了許多的羥基基團(tuán),PAM-PDA-PEG 上3 415 cm-1的峰便是由O—H的拉伸振動(dòng)引起。大量親水基團(tuán)的引入不僅提升了改性氣凝膠的親水性,也能促進(jìn)中間水的生成。

圖2 PAM-PDA-PEG的FTIR光譜

圖3是2種氣凝膠的紫外吸收光譜,它是通過(guò)計(jì)算得到,式中:A為吸光率;R為反射率;T為透過(guò)率[21-22]。由于PAM 的透過(guò)率比較高,所以導(dǎo)致了其實(shí)際吸光率比較低。而PAM-PDA-PEG的透過(guò)率接近于零,并且多壁碳納米管的加入使得其吸光率有效提升到了95%。

圖3 PAM-PDA-PEG的UV-vis-NIR吸收光譜

2.3 水接觸角

圖4是兩種不同樣品的水接觸角圖片,樣品的親水性可以通過(guò)水接觸角更直觀的展現(xiàn)出來(lái)。如圖4(a)所示,PAM 的接觸角為36.33°,說(shuō)明PAM 本身親水性良好。而大量親水基團(tuán)的加入進(jìn)一步改善了樣品的親水性,如圖4(b)所示,PAM-PDA-PEG 的接觸角為12.59°,說(shuō)明其毛細(xì)作用得到加強(qiáng),更加有利于水分的輸送。

圖4 不同樣品的接觸角圖片

2.4 Raman

圖5是PG-PAM 的蒸發(fā)焓分析。通過(guò)拉曼光譜分析了PAM-PDA-PEG內(nèi)水分的組成,如圖5(a)所示,在3 123 cm-1和3 258 cm-1處的兩個(gè)峰是自由水的O—H 伸縮峰,而3 412 cm-1和3 601 cm-1處的O—H 伸縮峰代表的是具有弱氫鍵的中間水。通過(guò)對(duì)中間水和自由水的峰面積積分對(duì)比,得到PAMPDA-PEG中的中間水與自由水之比為1.37。進(jìn)一步根據(jù)公式

計(jì)算了不同樣品的蒸發(fā)焓,式中:Eequ為樣品的等效蒸發(fā)焓;Uin為相同輸入功率;E0為水的蒸發(fā)焓;m0為水的質(zhì)量變化;mg為裝置的質(zhì)量變化[23]。如圖5(b)所示,PAM 的蒸發(fā)焓為1 806 J·g-1,而PAMPDA-PEG內(nèi)由于含有許多的中間水,降低了蒸發(fā)所需要的能量,所以它的蒸發(fā)焓為1 508 J·g-1,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水的蒸發(fā)焓2 460 J·g-1,因此相同條件下更有利于提高蒸發(fā)速率。

圖5 蒸發(fā)焓分析

2.5 蒸發(fā)性能測(cè)試

圖6是樣品的水蒸發(fā)性能研究。不同樣品的蒸發(fā)性能如圖6(a)所示,在1 kW·m-2光照強(qiáng)度下,可以根據(jù)曲線斜率計(jì)算出PAM 的蒸發(fā)速率為1.51 kg·m-2·h-1。由于PAM-PDA-PEG 的親水性和吸光率都比PAM 高,且還含有許多中間水,所以PAMPDA-PEG的蒸發(fā)速率達(dá)到了2.40 kg·m-2·h-1,是純水蒸發(fā)速率(0.48 kg·m-2·h-1)的5倍。進(jìn)一步的測(cè)量了PAM-PDA-PEG在不同的光照強(qiáng)度下的蒸發(fā)速率,如圖6(b)所示,即便是在0.5 k W·m-2光照強(qiáng)度下,蒸發(fā)速率仍然有1.68 kg·m-2·h-1。隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng),蒸發(fā)速率也隨之提升。當(dāng)光照強(qiáng)度為3 kW·m-2時(shí),蒸發(fā)速率達(dá)到了5.41 kg·m-2·h-1。

圖6 水蒸發(fā)性能研究

2.6 脫鹽分析

圖7是PAM-PDA-PEG的脫鹽性能研究。如圖7(a)所示,PAM-PDA-PEG 在不同濃度鹽水測(cè)試下的蒸發(fā)速率也有所不同。當(dāng)鹽水濃度為3.5%時(shí),蒸發(fā)速率為2.22 kg·m-2·h-1。由于擁有良好的水輸送通道將水運(yùn)輸?shù)秸舭l(fā)表面,所以即便是在20%的高濃度鹽水測(cè)試下,PAM-PDA-PEG 的蒸發(fā)速率仍然達(dá)到1.92 kg·m-2·h-1。進(jìn)一步使用濃度為1 000 mg/L的不同離子溶液進(jìn)行蒸發(fā)實(shí)驗(yàn),測(cè)量了PAMPDA-PEG蒸發(fā)后的水質(zhì),結(jié)果如圖7(b)所示,所有離子都去除了99%以上,其中鈣離子濃度低于最低檢測(cè)值,水的質(zhì)量明顯優(yōu)于世界衛(wèi)生組織的安全飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 PAM-PDA-PEG的脫鹽性能研究

2.7 應(yīng)用研究

PAM-PDA-PEG的實(shí)際應(yīng)用能力對(duì)其大規(guī)模拓展至關(guān)重要,圖8為PAM-PDA-PEG 的應(yīng)用研究。通過(guò)對(duì)模擬有機(jī)污染物的去除來(lái)證明PAM-PDAPEG的凈化能力,如圖8(a)所示,甲基橙和羅丹明B水溶液(50 mg/L)的吸收峰比較明顯。接著用兩種水溶液進(jìn)行蒸發(fā)實(shí)驗(yàn),將蒸發(fā)后的冷凝液通過(guò)UVvis-NIR進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果顯示兩種污水凈化后的吸光度接近于零,表明水中的污染物得到有效去除。此外還通過(guò)戶外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了PAM-PDA-PEG的實(shí)際水蒸發(fā)能力。如圖8(b)所示,氣凝膠在戶外實(shí)際蒸發(fā)速率受光照強(qiáng)度變化的影響產(chǎn)生波動(dòng),蒸發(fā)速率隨著光照強(qiáng)度的增加而提升,最高實(shí)際蒸發(fā)速率達(dá)到1.69 kg·m-2·h-1。經(jīng)計(jì)算,戶外實(shí)驗(yàn)一天平均的蒸發(fā)速率為1.09 kg·m-2·h-1。這說(shuō)明PAM-PDAPEG在戶外擁有良好的蒸發(fā)性能。

圖8 PAM-PDA-PEG的應(yīng)用研究

3 結(jié)束語(yǔ)

以聚丙烯酰胺基底,通過(guò)冷凍干燥法制備了PAM-PDA-PEG改性氣凝膠,其具有良好的親水性和吸光性,規(guī)則的多孔結(jié)構(gòu)保證了水分的穩(wěn)定輸送。此外,PAM-PDA-PEG內(nèi)還含有大量的中間水,有效地降低了蒸發(fā)所需要的能量,因此它的蒸發(fā)焓為1 508 J·g-1。蒸發(fā)性能測(cè)試結(jié)果表明,PAM-PDAPEG的蒸發(fā)速率達(dá)到了2.40 kg·m-2·h-1,并且在不同光照強(qiáng)度和鹽濃度下都具有穩(wěn)定的蒸發(fā)速率。通過(guò)對(duì)蒸發(fā)后的冷凝液檢測(cè),證明了PAM-PDAPEG可以有效降低水中的離子濃度和去除污染物。最后將PAM-PDA-PEG放至戶外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其實(shí)際的應(yīng)用能力,受光照強(qiáng)度的影響蒸發(fā)速率和實(shí)驗(yàn)值相比有一定的差距,蒸發(fā)器在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定性需要進(jìn)一步提升。