Page 129 - 《精细化工》2023年第3期

第 3 期 王 兴，等: 改性 PU 海绵三维多孔界面蒸发器的制备及性能 ·585·

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solution) evaporation process, the evaporation rate could reach 1.80 kg/(m ·h), while the unmodified PU
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sponge evaporation rate was only 0.44 kg/(m ·h).
Key words: multi-walled carbon nanotubes; interfacial evaporation; Janus structure; photothermal conversion;
functional materials

随着社会的快速发展和全球淡水资源的短缺， 水滴接触其表面时，呈现极小的固液接触面积，并
人类对清洁水的需求不断增加，如何提高淡水产量 且其超疏水自清洁性能可防止太阳能界面蒸发器被
已成为亟需解决的问题 [1-2] 。地球上可利用的淡水资 污染，保障太阳能界面蒸发器在户外应用时光热转
源仅占水总量的 0.325%，而海水资源极其丰富，海 换性能不受影响，从而有利于长期的海水淡化。三
水淡化是解决淡水资源短缺行之有效的方法。目前， 维多孔材料具有更大的蒸发面积和更高的孔隙率，
主要通过工厂淡化设备和船用淡化设备来实现海水 其不仅可对入射太阳光进行多次散射促进光吸收，
淡化，但这些设备存在成本高、操作复杂和能耗高 而且有利于水的运输。因此，制备具有超疏水表面
等缺点，从而限制了其进一步的发展。基于光热转 的三维多孔界面蒸发器具有重要意义。
换纳米材料的新型太阳能界面蒸发器具有环保和低 本文拟以商用疏水聚氨酯海绵（简称 PU 海绵）
成本的特点 [3-4] ，是近年发展起来的新型海水淡化技 为基材，MWCNTs 为光热转换材料、PVA 为亲水物
术 [5-11] 。 质、聚二甲基硅氧烷（PDMS）为疏水物质来制备
新型太阳能界面蒸发器中太阳能收集和蒸汽产 一种应用于海水淡化的三维多孔界面蒸发器。利用
生都发生在空气-水界面的太阳能吸收器上，太阳能 MWCNTs 的宽波段高太阳光吸收率（>95%）及其
吸收器将光热转换捕获的热能集中在空气-水界面， 光 热转换 效应 提供溶 液界 面蒸发 作用 ；利 用
并用于加热表面的薄层水体，使水在低于沸点的温 MWCNTs 的纳米结构对材料表面粗糙化结合 PDMS
[8]
度下产生蒸汽 [12-15] 。例如：HU 等 采用定向冷冻干 的低表面能性质赋予光热吸收层超疏水性，使改性
燥技术将多壁碳纳米管（MWCNTs）/碳纳米纤维素 PU 海绵不仅可漂浮于水面，同时还具有自清洁及阻
（CNF）混合液组装成低弯曲度气凝胶，然后在气 盐作用；利用 PVA 的亲水性使其改性的 PU 海绵在
凝胶一侧喷涂一层六甲基二硅氮烷（HDMS）处理 底层及内部形成优异的水传输通道。旨在制备一种
的 SiO 2 作为疏水层，制备低弯曲度的蒸发器。在一 成本低廉、易扩展的三维多孔超疏水界面蒸发器，
个太阳光强下，光热转换效率达 80%，蒸发速率达 利用该蒸发器表面的自清洁性能以避免光热涂层
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到 1.25 kg/(m ·h)。ZHANG 等 [16] 报道了一种柔性自 被污物污染，从而保障其光热转换效率的持久稳定
组装疏水/亲水卟啉-碳化钛（Ti 3 C 2 T x ）MXene 膜。 性，可为淡水资源短缺且能源匮乏的地区解决用水
首先，通过盐酸+LiF 对 MXene 前驱体进行刻蚀处 难题。
理，并在去离子水中剥离得到 Ti 3 C 2 T x MXene；然后，
将甲基丙烯酸丁酯加入其中获得了亲水性 MXene 1 实验部分
膜，卟啉在 MXene 上的自组装能有效产生良好的疏 1.1 试剂与仪器
水表面，该膜在光热脱盐过程中表现出高效的输水、 MWCNTs（长度为 10~30 μm，直径为 10~
热定位和耐盐性， 1 个太阳光强下蒸发速率为 30 nm），成都中科时代纳能科技有限公司；四氢呋
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1.41 kg/(m ·h)。ZHAO 等 [17] 通过氧基氯化铁（FeOCl） 喃（THF），分析纯，天津市富宇精细化工有限公司；
模板法合成了聚吡咯（PPy）纳米带；采用化学交联 PDMS 预聚物（Sylgard 184，包括预聚体 A 和固化
和反复冷冻干燥法制备了力学稳定、多孔的聚乙烯 剂 B 组分），化学纯，美国道康宁公司；PVA（1799
醇（PVA）水凝胶。通过将 PPy 纳米带直接加载在 型），分析纯，上海麦克林生化科技股份有限公司；
PVA 水凝胶的顶部制备了 PPy 纳米带@PVA 水凝胶 PU 海绵，1 cm 厚，中密度，1.5 m×2.0 m，永嘉海
蒸发器。在 1 个太阳光强下可实现 98.3%的太阳吸 绵制品；NaCl，分析纯，天津市天力化学有限公司。
收率，光热转换效率为 82.5%。目前研究的大部分 JH-GHX-300 氙灯光源，骥辉分析仪器（上海）
太阳能界面蒸发器的光吸收表面都是以亲水或者疏 有限公司；TES-132 光密度计，泰仕电子工业股份
水为主，但在实际应用时，暴露在环境中的亲水或 有限公司；UT58E 万用表，优利德科技（中国）有
者疏水表面的太阳能界面蒸发器会因灰尘污染、雨 限公司；JK-804 多路式测温仪，常州市金艾联电子
水侵蚀等影响其光热转换能力，进一步降低其长期 科技有限公司；E390 红外热像仪，美国 FLIR Systems
稳定性。超疏水材料具有独特的微纳粗糙结构，当 公司；SU-4800 场发射扫描电子显微镜，日本 Hitachi