重慶純水設備解讀：制備木基光熱材料的方法大全
【重慶水處理設備網(wǎng)http://xqccscq.com/】一、研究背景：
平安飲用水的短缺是目前面臨的一個全球性問題，尤其是偏遠貧困地區(qū)。近年來，基于光熱資料的太陽能海水淡化技術受到廣泛關注。不同于傳統(tǒng)的太陽能蒸發(fā)水技術，基于光熱資料的太陽能海水淡化技術可通過光熱資料高效地將太陽能轉化為熱能，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（無需對整體水進行加熱）因此其效率更高。對于這一新技術，光熱資料及其結構設計是關鍵。木材由于具有較低的密度（可漂浮在水面）內部富含大量的水通道以及低的熱導率，成為制備光熱材料的常用資料之一。
關鍵挑戰(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行碳化。這一技術需要較高的溫度，并且較難實現(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，導致其水下抗油黏附性能降低，易被水中油滴黏附堵塞孔道，導致產(chǎn)水性能大幅降低。外表涂層技術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資料，這些資料由于和木材之間沒有足夠的結合力，容易在外力作用下脫落。
除了光熱資料自身性質外，光熱資料的結構設計對于提高其海水淡化性能也尤為重要：良好的結構設計可以增大光熱資料外表積，提高光能利用率，進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，以便于結構優(yōu)化設計。而目前報道的外表碳化和外表涂層技術較難實現(xiàn)這一點。
二、研究的動身點：
針對以上問題，南昌大學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)則形狀木材轉變?yōu)楣鉄岵牧系男路椒ǎ嚓P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間，之后再將單寧酸處理的木材置于含有三價鐵離子的水溶液中浸漬，重慶純水設備就可將木材轉變?yōu)楹Ｋ玫墓鉄豳Y料，整個過程無需高溫高壓或特殊設備，綠色環(huán)保，且適用于任意形狀的木材。本文研究重點在于通過簡單、溫和、普適的方法制備木基光熱材料，并詳細研究論述該方法在提高木基光熱資料綜合性能方面的獨特優(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、基于該方法實現(xiàn)木基光熱材料的結構設計。
三、研究內容：
1該方法對各種木材的普適性及機理
該方法通過簡單的單寧酸處置及后續(xù)三價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）轉變?yōu)楣鉄岵牧稀Ρ仍囼灅嗣鳎摲椒▽ζ渌叻肿淤Y料如聚丙烯膜，聚酯布料和聚氨酯海綿等無效；此外，單獨的單寧酸和單獨的三價鐵離子也無法將大部分木材轉變?yōu)楣鉄岵牧稀Ｓ幸馑嫉膶τ阼夏径裕瑔为毜娜齼r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變?yōu)楣鉄岵牧稀⒃摲椒▽Ψ悄局瀑Y料無效、單獨用三價鐵離子處置木材無效果（柘木除外）注：對比試驗是為了更好地理解該方法的改性機理。
為了說明木材變黑的機理，作者以楊木為例，進一步對其外表形貌和化學組成進行了表征。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標明改性后的木材外表修飾上了單寧酸和三價鐵離子。結合對比試驗，作者推測了其改性機理：木材中的木質素和纖維素含有大量的羥基，且具有豐富的孔道和多級結構，其可以牢固地結合大量的單寧酸分子，這些單寧酸分子可以與三價鐵離子配位形成大量絡合物，絡合物內的d-d躍遷與木材表面的多級結構最終使木材外表變黑，成為良好的光熱資料。對于柘木而言，其自身內部本就含有大量的單寧類物質，因此其直接用三價鐵離子處置就可以變黑；而其他木材自身所含單寧類物質較少，單獨的三價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鐵離子絡合示意圖、木材變黑的關鍵因素
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對應的能量效率達到90%左右。這標明木基光熱材料的性能可通過選擇合適木材進行優(yōu)化提高。此外，作者進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、晝夜溫差導致的反復冷凍和融化等，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)長時間沖洗測試、連續(xù)冷凍-融化處置模擬了上述情況，結果標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，導致產(chǎn)水速率嚴重下降。
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)模化制備對于其實際應用也尤為重要，作者發(fā)展的此方法可以很容易地實現(xiàn)大塊木材的改性。此基礎上，作者設計了一個簡易的太陽能海水淡化裝置，進一步考察了所得木基光熱材料的實際海水淡化效果。
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構設計方面的獨特優(yōu)勢
光熱資料的結構設計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構設計仍鮮有報道，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構或不規(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，為進一步提高木基光熱材料的海水淡化性能提供了新的契機。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，并進一步測試了其在一個太陽光照下的產(chǎn)水速率。結果標明，經(jīng)過結構設計的木基光熱材料的產(chǎn)水速率達到1.8kgm-2h-1遠高于沒有進行結構設計的木基材料。
圖8木基光熱材料的結構設計、經(jīng)過結構設計后的木基光熱資料具有更高的性能。
四、總結與展望：
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構設計，太陽能海水淡化領域展現(xiàn)出良好的應用前景。該研究工作為設計開發(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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