李 艷，彭賢漢，洪文鵬，蘭景瑞，李浩然

·農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程·

碳化木的水熱制備及其光熱水蒸發(fā)性能強(qiáng)化

李 艷，彭賢漢，洪文鵬，蘭景瑞，李浩然※

（東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 132012）

針對(duì)目前太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)技術(shù)材料成本高、制備過(guò)程復(fù)雜、蒸發(fā)速率較低等問(wèn)題，該研究基于農(nóng)林樟子松自然進(jìn)化的多孔結(jié)構(gòu)，采用操作簡(jiǎn)單的一步熱水法制備了親水性強(qiáng)、蒸發(fā)速率接近理論極限的多孔光熱材料?；诠鉄岵牧系奶蓟潭扰c供水高度調(diào)節(jié)，結(jié)合太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)試驗(yàn)，考查了不同碳化溫度、碳化時(shí)間和光熱材料高度對(duì)界面光熱水蒸發(fā)特性的影響規(guī)律?；谖⒂^結(jié)構(gòu)、元素分布、毛細(xì)水輸運(yùn)與傳熱規(guī)律分析，重點(diǎn)闡述了碳化木強(qiáng)化界面水蒸發(fā)的潛在機(jī)理。結(jié)果表明，溫和的碳化過(guò)程保留了原木的原始孔隙結(jié)構(gòu)，但木纖維被大量碳微球覆蓋，形成了更加粗糙的表面，增強(qiáng)原木對(duì)入射光的吸收能力，使蒸發(fā)表面的溫度提升了2.3 ℃。碳化反應(yīng)去除了原木的部分疏水性木質(zhì)素和半纖維素，增加了親水基團(tuán)-OH的比例，因此芯吸時(shí)間為120 s時(shí)，水在碳化木中的爬升高度由4.2 mm增加至22.3 mm。碳化木的穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)速率相比水和原木分別提高了130%和28%。碳化溫度和時(shí)間分別為200 ℃和8 h的碳化木獲得了最大蒸發(fā)速率1.24 kg/(m2·h)。光熱材料側(cè)壁高度的增加降低了頂部蒸發(fā)面的供水速率和平均溫度，因蒸發(fā)器熱阻和熱損失的減少而提升了蒸發(fā)速率。當(dāng)側(cè)壁高度為15 mm時(shí)，蒸發(fā)效率為66.2%，其等效蒸發(fā)速率為1.48 kg/(m2·h)，與理論極限接近。該研究為農(nóng)林廢棄物資源化利用和太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)過(guò)程熱濕平衡調(diào)控理論的發(fā)展提供了重要參考。

太陽(yáng)能；生物質(zhì)；碳化木；水熱法；水蒸發(fā)；水處理；蒸發(fā)速率

0 引 言

目前，中國(guó)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展面臨著能源結(jié)構(gòu)低碳清潔轉(zhuǎn)型難度大與淡水資源短缺問(wèn)題相互交織所帶來(lái)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1?2]。一方面，中國(guó)的能源消費(fèi)依然以化石能源為主，2021年化石能源消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的74.7%。另一方面，根據(jù)《2020年中國(guó)水資源公報(bào)》與《第七次全國(guó)人口普查公報(bào)》的數(shù)據(jù)測(cè)算，中國(guó)目前共有20省的人均水資源量低于輕度缺水線，其中8省還低于極度缺水線。由此可見(jiàn)，淡水資源短缺問(wèn)題已成為影響社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素[3–5]。大規(guī)模水處理項(xiàng)目的投產(chǎn)有效緩解了水資源危機(jī)，但現(xiàn)行水處理技術(shù)仍面臨著清潔水回收率低和廢水濃度高兩大難題[6?7]。

作為新能源形態(tài)之一，可再生能源所具有的低碳排放特征為開(kāi)發(fā)新型水處理技術(shù)帶來(lái)契機(jī)。采用生物質(zhì)和其他可再生清潔能源聯(lián)合制取清潔水的新型技術(shù)不斷涌現(xiàn)。界面光熱蒸發(fā)技術(shù)利用儲(chǔ)量巨大、開(kāi)采靈活、傳輸過(guò)程無(wú)公害的太陽(yáng)能制水，該技術(shù)擺脫了天然水體的地域限制[6]，為開(kāi)發(fā)高效、低成本和便攜的太陽(yáng)能清潔水生產(chǎn)裝備提供了可能[8]。針對(duì)中國(guó)農(nóng)村生活污水處理問(wèn)題，界面光熱蒸發(fā)器利用太陽(yáng)光直接加熱表層水，水體的局域高溫促進(jìn)了水凈化[9]。該方法有望緩解大部分農(nóng)村地區(qū)水量不足、取水不便、水質(zhì)較差等問(wèn)題[10]。

蒸發(fā)速率快是實(shí)現(xiàn)界面光熱蒸發(fā)技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用的技術(shù)前提。為了提高蒸發(fā)速率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在先進(jìn)光熱材料設(shè)計(jì)和蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面開(kāi)展了大量研究工作，開(kāi)發(fā)了多種全光譜吸收的光熱材料[11]。研究結(jié)果表明，界面光熱蒸發(fā)器應(yīng)同時(shí)具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效率、較低的熱損失和豐富的輸水通道[12]。供水速率影響多孔光熱材料的芯吸行為和蒸發(fā)前緣高度[13]，是決定蒸發(fā)界面位置的主要因素。當(dāng)供水速率與蒸發(fā)速率平衡時(shí)，蒸發(fā)發(fā)生于多孔光熱材料表面，速率較高；供水速率大于蒸發(fā)速率時(shí)，吸光表面濕潤(rùn)過(guò)度[14]，吸光層和蒸發(fā)界面的空間分離導(dǎo)致蒸發(fā)速率降低；供水速率小于蒸發(fā)速率時(shí)，吸光表面的水力連續(xù)無(wú)法保證，表現(xiàn)為毛細(xì)通道內(nèi)水分的遷移、汽化與擴(kuò)散[15]，因熱質(zhì)傳輸阻力的增加而降低蒸發(fā)速率。

基于太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換與傳輸性能良好的光熱材料，針對(duì)其熱濕不平衡引起的低蒸發(fā)速率問(wèn)題，調(diào)節(jié)其吸光表面的水分供給速率是開(kāi)發(fā)高效、連續(xù)的界面光熱蒸發(fā)器的有效途徑。本課題組前期工作設(shè)計(jì)了一種分層多孔結(jié)構(gòu)光熱材料[16]，調(diào)節(jié)孔隙率，使其在1倍標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)輻照強(qiáng)度（1 kW/m2）下獲得了1.64 kg/(m2·h)的蒸發(fā)速率。然而由碳納米顆粒和聚乙烯醇組成的光熱材料成本較高、制備過(guò)程較復(fù)雜，因此有必要進(jìn)一步探究?jī)r(jià)格低廉、制備過(guò)程簡(jiǎn)單、親水性強(qiáng)、蒸發(fā)速率快的多孔光熱材料。本文借助生物質(zhì)自然進(jìn)化的多孔結(jié)構(gòu)[17]，采用一步水熱法制備碳化木，通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)與元素分析，結(jié)合毛細(xì)水輸運(yùn)試驗(yàn)，考查水在碳化木中的芯吸規(guī)律；基于碳化木的碳化程度與供水高度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)面熱濕平衡，提升界面光熱蒸發(fā)速率。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

天然林木樟子松購(gòu)自上海禎沐木業(yè)有限公司，無(wú)水乙醇由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供。光熱材料制備試驗(yàn)均使用華潤(rùn)怡寶純凈水，界面光熱蒸發(fā)試驗(yàn)用水為實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水。

1.2 光熱材料制備

通過(guò)一步水熱法制備了碳化木。首先，將長(zhǎng)×寬×高為40 mm×40 mm×15 mm的長(zhǎng)方體原木垂直放置于裝有20 mL純水的聚四氟乙烯反應(yīng)釜內(nèi)膽中；然后，將反應(yīng)釜在KSL-1200X-J型馬弗爐（合肥科晶材料技術(shù)有限公司）中恒溫加熱2 h，再自然冷卻至室溫，獲得碳化木；其次，將碳化木在200 mL無(wú)水乙醇中浸泡2 h，再用純水反復(fù)沖洗，去除木材碳化過(guò)程滲出的油漬；最后，將碳化木在Biosafer-12B型真空冷凍干燥機(jī)（南京賽飛生物科技有限公司）中冷凍2 h，再真空干燥12 h。通過(guò)調(diào)節(jié)碳化溫度（c= 100、125、150、175、200 ℃，分別標(biāo)記為CW100、CW125、CW150、CW175和CW200）和時(shí)間（= 2、4、6、8、10、12 h，分別標(biāo)記為CW200-2、CW200-4、CW200-6、CW200-8、CW200-10和CW200-12)，得到不同碳化程度的碳化木樣品。

1.3 材料表征

樣品的表面形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)通過(guò)日本Hitachi公司Regulus8100型掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）觀察；結(jié)晶特性采用德國(guó)布魯克AXS公司D8-Advance型X射線衍射儀（X-Ray Diffraction，XRD）分析，輻射源為單色Cu-K射線；元素信息通過(guò)美國(guó)Thermofisher Scientific公司EscaLab250Xi型X射線光電子能譜儀（X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）揭示。借助Practum313-1CN型精密電子天平（德國(guó)Sartorius）考查樣品的吸水能力；基于實(shí)驗(yàn)室搭建的芯吸試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試毛細(xì)水輸運(yùn)特性[16]。

1.4 界面光熱蒸發(fā)試驗(yàn)

界面光熱蒸發(fā)試驗(yàn)在溫度和濕度約為26 ℃和40%的無(wú)風(fēng)條件下進(jìn)行。將砂紙打磨后的樣品在水中充分浸泡2 h，使其達(dá)到飽和吸水狀態(tài)，隨后將樣品漂浮在裝有自來(lái)水的長(zhǎng)方體容器（長(zhǎng)×寬×高為30 mm×30 mm×100 mm）表面，并用34155型無(wú)塵紙（美國(guó)Kimberly-Clark）擦去樣品表面多余水分；蒸發(fā)器在精密電子天平上靜置0.5 h，使其與環(huán)境達(dá)到熱平衡，隨后以輻照強(qiáng)度為1倍標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)輻照強(qiáng)度的7IS1003A型太陽(yáng)能模擬器（北京賽凡光電儀器有限公司）光線連續(xù)照射樣品上表面。電子天平以30 s的間隔記錄水的蒸發(fā)量；同時(shí)使用T240型紅外熱像儀（美國(guó)FLIR）測(cè)量樣品的表面溫度。每個(gè)樣品等精度測(cè)量3次取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀結(jié)構(gòu)與元素分析

樟子松作為典型的軟木，具有孔隙細(xì)長(zhǎng)且均勻的管胞。管胞不僅能提供機(jī)械支撐，還可以通過(guò)其邊緣的凹坑輸送水分[18]。同時(shí)，作為中國(guó)防腐木材的主要原材料之一，樟子松能夠有效防止微生物侵蝕，其變形系數(shù)較小且生長(zhǎng)速度快[19]。樟子松的這些特點(diǎn)有助于界面光熱蒸發(fā)器的長(zhǎng)期運(yùn)行及大量制備。圖1給出了原木和碳化木的SEM圖像。原木結(jié)構(gòu)由異質(zhì)木質(zhì)纖維和維管束組成。維管束通過(guò)木質(zhì)纖維互連，形成維管系統(tǒng)，主要用于為植物運(yùn)輸水分、無(wú)機(jī)鹽和有機(jī)養(yǎng)分。微米級(jí)維管束賦予原木豐富的輸水通道和優(yōu)異的隔熱性能[20]。碳化溫度和時(shí)間分別為200 ℃和2 h時(shí)，碳化木基本保留了原木的原始結(jié)構(gòu)，但木纖維被大量碳微球覆蓋，形成了更加粗糙的表面，增強(qiáng)原木對(duì)入射光的吸收能力。

圖1 原木和碳化木的表面形貌

采用XRD分析了水熱碳化反應(yīng)對(duì)結(jié)晶度的影響，同時(shí)利用XPS定量分析了樣品的結(jié)構(gòu)信息。圖2對(duì)比了原木和碳化木的XRD圖譜和XPS能譜。原木顯示出I型纖維素的特征衍射峰（圖2a），衍射角2為16.3°、22.4°和34.7°處的衍射峰分別對(duì)應(yīng)(101)、(002)和(040)晶面。由于宏觀殘余應(yīng)力引起晶格各向異性收縮，碳化木的衍射峰向小角度方向發(fā)生位移，表明其拉應(yīng)力增加。相比于原木，碳化木的(101)和(002)晶面的衍射峰略微變寬，表明對(duì)應(yīng)晶面法線方向的晶體粒徑減小。原木和碳化木的XRD曲線形狀基本相同，說(shuō)明碳化反應(yīng)期間纖維素的原始晶體結(jié)構(gòu)未被改變。XPS光譜顯示樣品的2個(gè)主要特征峰出現(xiàn)在285（C1s）和532 eV（O1s）的結(jié)合能處（圖 2d）。從高分辨率C1s XPS光譜圖可以看出，表征原木（圖2b）和碳化木（圖2e）C1s的3個(gè)特征峰位于284.8、286.4和288.3 eV處，分別對(duì)應(yīng)C-H/C-C、C-O-C/C-OH和C=O/O-C-O鍵[17,21]。C-H/C-C鍵的譜峰主要來(lái)自木質(zhì)素中的苯丙基團(tuán)和多糖結(jié)構(gòu)，C-O-C/C-OH鍵的譜峰來(lái)自纖維素和半纖維素分子，C=O/O-C-O鍵的譜峰是縮醛和羰基結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。

注：(101)、(002)和(040)是衍射角為16.3°、22.4°和34.7°處的衍射峰分別對(duì)應(yīng)的晶面；O1s是O原子在532 eV、1s軌道上的強(qiáng)度；C1s是C原子在285 eV、1s軌道上的強(qiáng)度。

水熱碳化環(huán)境較溫和，與常壓、高溫碳化環(huán)境制備的樣品相比，生物質(zhì)的固定碳含量更高且揮發(fā)分與灰分含量更低[17?21]；另外，水熱碳化具有更顯著的脫氫效果，因此生物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生豐富的含氧官能團(tuán)，增加材料親水性，加快光熱材料中液相水的輸運(yùn)速度[22]。表1列出了原木和碳化木的C和O元素分布。原木中C-H/C-C鍵的比例（51.5%）明顯高于C-O-C/C-OH鍵（37.7%）；然而，碳化木中C-H/C-C鍵的比例降至37.8%，且低于C-O-C/C-OH鍵（48.3%），說(shuō)明碳化反應(yīng)使親水基團(tuán)-OH的比例增加了10.6%。此外，原木中C=O/O-C-O鍵的比例為10.8%，略低于碳化木（13.9%）。上述結(jié)果表明，水熱碳化過(guò)程中發(fā)生了脫水和碳化程度較低的水解反應(yīng)，降低了C-H/C-C鍵的相對(duì)含量且增加了C-O-C/C-OH和C=O/O-C-O鍵的含量。另一方面，在原木（圖2c）和碳化木（圖2f）的高分辨率O1s XPS光譜中，對(duì)應(yīng)于C-O-C/C-OH鍵的特征峰出現(xiàn)在約532.8 eV處。碳化木中C-O-C/C-OH鍵的譜峰面積高于原木（表1）。

表1 C和O元素分布

2.2 毛細(xì)水輸運(yùn)特性

由光熱材料結(jié)構(gòu)和表面親水基團(tuán)控制的毛細(xì)水輸運(yùn)特性決定蒸發(fā)前緣的位置，是保證蒸發(fā)連續(xù)性的重要因素[16]。原木中木質(zhì)素和半纖維素的存在使其疏水，碳化木因其部分木質(zhì)素和半纖維素被去除而具有更多的親水基團(tuán)。親水材料的比重可反映其儲(chǔ)水能力，原木完全干燥與飽和吸水后的比重分別為0.512和0.670 g/cm3（圖 3a），表明其孔隙率為15.8%；對(duì)應(yīng)條件下，碳化木的比重分別為0.384和0.697，孔隙率為31.3%。因此，碳化過(guò)程增加了親水基團(tuán)的比例，這與基于XPS能譜分析的結(jié)論一致。

圖3 原木和碳化木的毛細(xì)水輸運(yùn)特性

沿木材生長(zhǎng)方向的垂直通道將水和養(yǎng)分從地面輸送到樹(shù)冠；同時(shí)，廣泛分布在管胞壁的凹坑將水和鹽離子沿樹(shù)干徑向分散，形成了全方位的輸水通道[23?24]。垂直通道提供了較高的毛細(xì)水通量，增大孔道有利于結(jié)晶鹽的快速溶解[25]。沿垂直方向的毛細(xì)水輸運(yùn)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：芯吸時(shí)間為120 s時(shí)，水在原木內(nèi)僅爬升4.2 mm（圖3b）；水解過(guò)程賦予碳化木更多的親水基團(tuán)且通過(guò)溫和水熱反應(yīng)的碳化木具有更小的管腔結(jié)構(gòu)，因此水沿垂直方向迅速上升，芯吸120 s時(shí)達(dá)到22.3 mm。相同時(shí)間內(nèi)樣品橫向的水輸運(yùn)能力較弱，原木和碳化木中水的橫向芯吸高度分別為3.1和9.0 mm。木材孔隙結(jié)構(gòu)中的毛細(xì)水輸運(yùn)可視為Hagen-Poiseuille流動(dòng)，因此體積流量正比于壓降和管半徑的4次方；由Lucas-Washburn芯吸模型可知，垂直方向較大的孔徑尺度導(dǎo)致芯吸高度的增加。

2.3 碳化木增強(qiáng)界面光熱蒸發(fā)性能

采用紅外熱成像技術(shù)考查了1倍標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)輻照強(qiáng)度下原木和碳化木蒸發(fā)器的表面溫度。如圖4a所示，僅照射2 min，2種蒸發(fā)器的表面溫度明顯不同，水和原木蒸發(fā)器頂部的平均溫度分別為29.2和29.5 ℃；隨著碳化溫度的升高，碳化木蒸發(fā)器頂部的平均溫度由29.9 ℃（CW100）逐漸增加到32.7 ℃（CW175），最后下降到31.3 ℃（CW200），表明相比于原木蒸發(fā)器，碳化木蒸發(fā)器的溫度響應(yīng)更快。光照60 min時(shí)，水和原木蒸發(fā)器頂部的平均溫度分別為33.2和33.7 ℃，與200 ℃碳化2 h的碳化木蒸發(fā)器頂部的平均溫度（36.0 ℃）相比，分別低2.8和2.3℃。

注：CW100、CW125、CW150、CW175和CW200是在100、125、150、175和200 ℃下碳化2 h的碳化木。

圖4b給出了水、原木和碳化木蒸發(fā)器的蒸發(fā)量隨光照時(shí)間的變化。由于光熱材料表層吸收的熱量不斷累積，蒸發(fā)量逐漸增加。光照約10 min后，由于蒸發(fā)器內(nèi)的熱吸收、水蒸發(fā)與熱損失之間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，因此水的蒸發(fā)量隨光照時(shí)間線性增加。盡管碳化木具有較強(qiáng)的親水性，但飽和吸水后其密度仍低于水的密度（圖3a），因此碳化木始終漂浮在水面。通過(guò)線性擬合光照30 min后樣品的蒸發(fā)量隨光照時(shí)間的變化關(guān)系曲線可得，碳化木（CW200）的穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)速率為1.01 kg/(m2·h)，相比于水（0.44 kg/(m2·h)）和原木（0.79 kg/(m2·h)）分別提高了130%和28%。為了探清碳化溫度對(duì)蒸發(fā)性能的影響，比較了100 ℃ ≤c≤ 200 ℃范圍內(nèi)不同碳化木的蒸發(fā)量，發(fā)現(xiàn)由于碳化溫度的升高增加了樣品的碳化程度，水的蒸發(fā)速率加快。

2.4 水和熱管理提升碳化木的蒸發(fā)速率

對(duì)于漂浮在水面的多孔光熱材料，其蒸發(fā)表面的熱濕不平衡問(wèn)題導(dǎo)致蒸發(fā)速率較低。合理調(diào)節(jié)光熱材料內(nèi)的水輸運(yùn)和熱傳遞是提高蒸發(fā)速率的有效方法，本文通過(guò)改變碳化溫度和蒸發(fā)器側(cè)壁高度提升蒸發(fā)速率。

由于反應(yīng)釜聚四氟乙烯內(nèi)襯耐溫性的限制（≤200 ℃），通過(guò)延長(zhǎng)碳化時(shí)間提升蒸發(fā)速率。如圖5a所示，界面光熱蒸發(fā)試驗(yàn)結(jié)果表明，碳化木蒸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)速率從1.01 kg/(m2·h)（CW200-2）增加到1.24 kg/(m2·h)（CW200-8）；當(dāng)碳化時(shí)間從8 h增加到12 h時(shí)，其蒸發(fā)速率逐漸下降。由此可知，盡管碳化時(shí)間的增加提高了碳化木的碳化程度，賦予其更強(qiáng)的光吸收和毛細(xì)水輸運(yùn)能力，但碳化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的碳化木表面明亮且光滑，增加了入射光的反射損失，表現(xiàn)為蒸發(fā)器表面溫度的下降。例如，光照60 min時(shí)的紅外溫度測(cè)量結(jié)果顯示，碳化8和12 h的碳化木表面溫度分別為37.4和36.6 ℃（圖 5b）。原木的光吸收能力較弱，而碳化溫度和時(shí)間分別為200 ℃和8 h的碳化木（CW200-8）在太陽(yáng)光譜波段內(nèi)表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸收能力（圖5c）。原木與碳化木的吸光能力差異與碳化層密切相關(guān)，碳化木呈黑色，減少了入射光在樣品表面的反射損失。

注：CW200-2、CW200-4、CW200-6、CW200-8、CW200-10和CW200-12是在200 ℃下分別碳化2、4、6、8、10和12 h的碳化木。

圖3b顯示碳化木中水的上升速率逐漸減小，反映出不同芯吸高度下水的供給速率不同，為通過(guò)改變側(cè)壁高度實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)和供水速率的平衡提供了可能性[26?27]。為了獲得更高的蒸發(fā)速率，本文在碳化溫度和時(shí)間分別為200 ℃和8 h的反應(yīng)條件下制備了長(zhǎng)度為15 mm的碳化木，開(kāi)展了側(cè)壁高度分別為0、5、10、15 mm的界面光熱蒸發(fā)試驗(yàn)。如圖6a所示，在1倍標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)輻照強(qiáng)度照射下，側(cè)壁高度為0、5、10、15 mm的碳化木蒸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)速率分別為1.24、1.35、1.43和1.48 kg/(m2·h)。與已報(bào)道的碳化生物質(zhì)材料的蒸發(fā)速率（如：椴木1.08 kg/(m2·h)[28]、水稻1.2 kg/(m2·h)[29]、玉米芯（1.43 kg/(m2·h)[30]）相比，碳化木在界面光熱蒸發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用具有明顯優(yōu)勢(shì)。雖然玉米芯因具有豐富的松散結(jié)構(gòu)輸水通道而展現(xiàn)出較高的蒸發(fā)速率，但浸泡在水中的玉米芯易腐爛，難以保證蒸發(fā)器長(zhǎng)期運(yùn)行。由于無(wú)光照的碳化木側(cè)壁也暴露在空氣中，側(cè)壁高度的增加引起自然蒸發(fā)面積的增加。為了比較僅由太陽(yáng)能加熱而引起的蒸發(fā)性能變化，必須減去黑暗環(huán)境下的自然蒸發(fā)量。結(jié)果表明，側(cè)壁高度為5、10、15 mm時(shí)，以蒸發(fā)器頂部面積為基準(zhǔn)計(jì)算的黑暗條件下的等效蒸發(fā)速率分別為0.34、0.39和0.44 kg/(m2·h)。以上結(jié)果說(shuō)明，由太陽(yáng)能加熱引起的等效蒸發(fā)效率分別為64.3%、65.2%和66.2%。側(cè)壁高度的增加降低了頂部蒸發(fā)面的供水速率（圖 3b），降低了吸光表面的潤(rùn)濕度，減小了吸光表面到蒸發(fā)界面的熱阻；同時(shí)，側(cè)壁高度的增加還降低了蒸發(fā)器頂部的平均溫度（圖6b），導(dǎo)致由蒸發(fā)器傳遞到環(huán)境中的輻射和對(duì)流熱損失減少。

界面光熱蒸發(fā)器的經(jīng)濟(jì)成本是消費(fèi)者是否采用太陽(yáng)能制取清潔水的決定性因素之一。由于太陽(yáng)能和自然水資源分布的不均勻性以及以人為本的水資源管理模式的影響，清潔水消費(fèi)模式的選擇取決于界面光熱蒸發(fā)器的總投資。作為界面光熱蒸發(fā)器的核心部件，光熱材料是進(jìn)行熱吸收、水輸運(yùn)和蒸汽逃逸的主要場(chǎng)所，其生產(chǎn)成本不可忽視。如1.2節(jié)所述，碳化木的制備過(guò)程無(wú)毒無(wú)害、操作簡(jiǎn)單且化學(xué)反應(yīng)條件易于實(shí)現(xiàn)。此外，因試驗(yàn)需要而定制的樟子松原木（長(zhǎng)×寬×高為40 mm×40 mm×15 mm）價(jià)格為1元/片，大片原材料的價(jià)格更低（例如：4 000 mm×40 mm×15 mm時(shí)單價(jià)為11.2元，即70￥/m2）。與碳基聚乙烯醇水凝膠（58 $/m2[16]）和木質(zhì)氣凝膠（9.29 $/kg[17]）的材料成本相比，碳化樟子松木原材料的成本更低，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

圖6 側(cè)壁高度對(duì)蒸發(fā)性能的影響

3 結(jié) 論

本研究以天然木材樟子松為基質(zhì)，采用一步水熱法制備了碳化生物質(zhì)多孔光熱材料；基于毛細(xì)水芯吸特性，結(jié)合界面光熱蒸發(fā)試驗(yàn)，考查了不同碳化溫度、碳化時(shí)間和光熱材料側(cè)壁高度對(duì)界面光熱蒸發(fā)速率的影響規(guī)律，獲得的主要結(jié)論如下：

1）SEM圖像觀測(cè)發(fā)現(xiàn)碳化木表面粗糙，結(jié)合XRD圖譜和XPS光譜分析得出水熱碳化過(guò)程中發(fā)生了脫水和碳化程度較低的水解反應(yīng)，親水基團(tuán)-OH的比例增加了10.6%。

2）碳化木的親水性較原木明顯增強(qiáng)，毛細(xì)水沿其垂直方向快速上升并在芯吸120 s時(shí)達(dá)到22.3 mm，使其蒸發(fā)速率相對(duì)水和原木分別提高了130%和28%。

3）延長(zhǎng)碳化時(shí)間可提高碳化木的蒸發(fā)速率，但碳化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)使蒸發(fā)速率下降，200 ℃碳化8 h碳化木的穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)速率最大，達(dá)到1.24 kg/(m2·h)。

4）側(cè)壁高度的增加降低了蒸發(fā)面的供水速率和平均溫度，減少了熱阻和熱損失，因此蒸發(fā)速率從側(cè)壁高度為0時(shí)的1.24 kg/(m2·h)增加到15 mm時(shí)的1.48 kg/(m2·h)。

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Hydrothermal preparation of carbonized wood for photothermal water evaporation performance enhancement

Li Yan, Peng Xianhan, Hong Wenpeng, Lan Jingrui, Li Haoran※

(,,132012,)

Interfacial photothermal evaporation is expected to resolve the water shortage, inconvenient water intake, and low water quality in most rural areas. However, the high material cost, complex preparation process, and low evaporation rate of the solar absorber are restricting the development of this novel technique. It has been reported that adjusting the water supply rate on the light-absorbing surface is an important approach to developing an efficient and continuous interfacial photothermal evaporator. In this work, the naturally evolved, porous, and photothermal material of pinus sylvestris was prepared with simple preparation, strong hydrophilicity, and evaporation rate close to the theoretical limit using a one-step hydrothermal method. Subsequently, the solar-driven interfacial water evaporation experiments were conducted to clarify the effects of carbonization degree and water supply height of the photothermal material on the interfacial evaporation performance. The surface temperature and evaporation reduction were considered at the different carbonization temperatures (100, 125, 150, 175, and 200℃), carbonization time (2, 4, 6, 8, 10, and 12 h), and the heights of the photothermal material (5, 10, and 15 mm). The underlying mechanism was then determined using the microstructure, element distribution, capillary water transport, and heat transfer. Importantly, the enhanced interfacial water evaporation was enabled by the carbonized wood. The results showed that the original pore structure of the log was retained with the rough surface formed by carbon microspheres after the mild carbonization process. There was a 2.3 ℃ temperature rise of the evaporation surface, particularly beneficial to the increase of light absorption. Moreover, the proportion of the C-H/C-C bond in the log (51.5%) was higher than that of the C-O-C/C-OH bond (37.7%), whereas, the proportion of the C-H/C-C bond (37.8%) in the carbonized wood was lower than those. It infers that the carbonization process greatly contributed to the log with more hydrophilic groups. This was because the parts of hydrophobic lignin and hemicellulose were removed during carbonization. Therefore, the climbing height of water in the carbonized wood increased from 4.2 to 22.3 mm during the climbing time (120 s). By contrast, the rising heights of water were 3.1 and 9.0 mm in the log and carbonized wood, respectively, indicating the weak capacity of transverse water transport. The data also agreed well with the classical Lucas-Washburn imbibition model. The steady-state evaporation rate of the carbonized wood-based evaporator increased by 130% and 28%, respectively, compared with the water- and log-configured evaporators. The maximum evaporation rate reached 1.24 kg/(m2?h) at the temperature of 200 ℃ after 8 h carbonization. It was noted that the excessive carbonization formed a bright and smooth surface, leading to the reflection loss of incident light with the reduced surface temperature of the evaporator. As a result, the evaporation rate dropped significantly. More importantly, the sidewall height of the material reduced the average temperature of the evaporation surface, resulting in the reduction of radiative and convective heat losses from the evaporator to the surroundings, thus improving the evaporation rate. Once the sidewall height was 15 mm, the evaporation rate reached 1.48 kg/(m2?h), and the corresponding solar-to-vapor conversion efficiency was 66.2%. This finding can also provide an important reference for the utilization of agricultural and forestry wastes, particularly for the heat-moisture balance during solar-driven interfacial water evaporation.

solar energy; biomass; carbonized wood; hydrothermal method; water evaporation; water treatment; evaporation rate

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.024

TK123

A

1002-6819(2022)-18-0222-07

李艷，彭賢漢，洪文鵬，等. 碳化木的水熱制備及其光熱水蒸發(fā)性能強(qiáng)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(18)：222-228.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.024 http://www.tcsae.org

Li Yan, Peng Xianhan, Hong Wenpeng, et al. Hydrothermal preparation of carbonized wood for photothermal water evaporation performance enhancement[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(18): 222-228. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.024 http://www.tcsae.org

2022-07-14

2022-09-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52106195）

李艷，博士生，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)廢棄物資源化利用。Email：liyan@neepu.edu.cn

李浩然，博士，副教授，研究方向?yàn)槎嘞嗔鱾鳠醾髻|(zhì)。Email：haoran@neepu.edu.cn