玄武岩纤维纱线(线密度为98 tex),安徽华茂集团有限公司;棉纱线(直径为1 mm),博爱县月山金强制线厂;发泡聚乙烯(EPE)泡沫板,上虞市一诺包装有限公司;去离子水,实验室自制;无水乙醇(纯度为99%),上海麦克林生化科技股份有限公司;氯化钠(NaCl),国药集团化学试剂有限公司。所有试剂均未经进一步提纯,直接使用。

首先使用YG086型半自动绕线机(常州天祥纺织仪器有限公司)制备经纱:将50根2 m长的棉纱线以恒定张力(0.5 cN/tex)卷绕成纱线卷,供后续织造使用。采用SGA598型半自动织机(江阴市通源纺织机械有限公司)织制织物,后梁高度+3格,综平时间290°。配置5页综框并将经纱按1→2→3→4→5顺穿法穿综,循环8次,每页综框提升规律根据组织类型调整。选取筘号为50的钢筘,每筘齿穿入1根经纱,确保经密为50 根/(10 cm)。纬纱全部使用玄武岩纤维纱线。设置织物幅宽为8 cm,通过调整上机纹板图分别织制3种组织结构织物:平纹织物、斜纹织物和缎纹织物,纬密分别设定为48、44、40 根/(10 cm)。织物下机后,采用KQ-500DE型超声波清洗机(广东蓝鲸超声波清洗技术有限公司)在40 kHz、150 W条件下用无水乙醇清洗1 h(液固比20∶1),随后用去离子水冲洗3次(每次5 min),于(25±2) ℃下避光晾干24 h后备用。进一步地,将10 cm×10 cm EPE泡沫板中央划2条8 cm间距缝隙,穿入不同组织结构的织物,形成桥式结构,即得对应的织物基蒸发器样品。

将待测样品裁剪成50 mm×50 mm,确保边缘整齐,然后平整铺放在配套的载物台上。使用RH-2000型数字视频显微镜(广州特准仪器仪表有限公司)观察织物样品的表面形貌及其组织结构。启动自动多焦平面合成功能,通过三维景深合成获取全幅清晰图像。

参照ASTM D724—1999(2003)《纸表面可湿性的测试方法(接触角法)》,使用OCA15EC型静态接触角仪器(德国德克菲斯公司)测量样品的水接触角。首先将待测样品裁剪成10 mm×5 mm,利用双面胶将其粘贴在载玻片上,室温下将0.05 mL去离子水滴在样品上,水滴接触表面后0.5 s开始记录。每个样品至少测试3个不同位置,取平均值。

在恒温恒湿(温度为25 ℃,相对湿度为55%)实验室内开展太阳能水蒸发实验,其装置如图1所示。将蒸发器件置于装有水的培养皿中,使用CEL-S500-T5型氙灯(北京中教金源有限公司)配合AM 1.5滤光片模拟太阳辐射。使用CEL-FZ-A型光功率计(北京中教金源有限公司)校准辐照度(光强误差≤3%)。通过MTL324型电子天平(南京伯尼塔科学仪器有限公司)监测蒸发过程,每30 s记录1次水的质量变化,测量精度为0.001 g。每个样品进行5次蒸发测试,取平均值。蒸发速率v和光热转换效率η的计算公式如下:

式中:m为蒸发掉的水的质量,kg;a为系统蒸发界面的投影面积,m2;t为光照时间,h;ΔHLV为水蒸发焓,J/g;Copt为入射光的光学强度;I为直射太阳光标准强度,kW/m2。

图1   太阳能水蒸发实验测试装置的实物图

通过ICP720型电感耦合等离子体光谱仪(安捷伦科技有限公司)对比分析处理前后海水中主要金属离子浓度变化。

图2示出平纹、斜纹、缎纹3种机织物的组织结构差异。显微镜照片显示:平纹织物呈现1∶1正交交织特征,纬纱与经纱交替贯穿,形成均匀的网格状表面;斜纹织物通过3上2下交织规则产生连续斜向纹路,使纤维产生约45°的定向排列;缎纹织物采用五枚二飞纬面结构,纬纱跨越4根经纱形成0.8~1.2 mm的连续浮长线,显著减少交织点密度。随着组织结构从平纹向缎纹演变,玄武岩纤维在织物表面的连续暴露区域逐步扩大,光吸收能力随之增强。

图2   不同织物的组织图及对应的三维显微镜照片

图3示出缎纹织物的在静态水接触角测试照片。缎纹组织因纬纱连续跨越多根经纱形成长浮线,表面玄武岩纤维暴露面积最大,孔隙率更高,同时得益于亲水性棉纱的混用,导致水滴快速铺展,在3 s内完全消失,表明其具有强亲水性。这种结构通过Wenzel效应放大了棉纱的固有亲水性,促进毛细作用加速水分渗透,这对于蒸发过程中水分的传输和水蒸气的散逸至关重要。

图3   缎纹织物的静态水接触角照片

图4(a)示出水的质量损失随时间变化曲线。曲线斜率代表蒸发速率。实验数据显示,由于纯水在200~2 400 nm波段内吸光性能微弱,且导热损耗显著,因此在1.0 kW/m2辐照下的蒸发速率仅为0.23 kg/(m2·h)。相比之下,基于平纹、斜纹和缎纹织物的SDIE系统的蒸发速率分别高达1.25、1.32和1.59 kg/(m2·h),分别是纯水蒸发速率的5.43、5.74和6.91倍。这主要得益于玄武岩纤维中含Fe、Ti等金属氧化物(如Fe2O3、TiO2),其禁带宽度(约3.2 eV)可吸收紫外光(波长<387 nm),能够吸收太阳光转换为热能供水蒸发[14]。引入玄武岩复合织物可显著提高SDIE系统的蒸发速率。

图4   不同样品在1.0 kW/m2光照条件下水的质量随时间变化及相应的蒸发速率和光热转换效率

图4(b)示出3种样品的蒸发速率和光热转换效率。基于平纹、斜纹和缎纹织物的SDIE系统的光热转换效率分别为78.4%、82.8%和94.5%。结果表明,缎纹织物基蒸发器具有最优的蒸发性能。缎纹组织的结构优势源于其独特的交织方式:单根经纱或纬纱仅形成孤立且均匀分布的组织点,并被另一系统纱线的长浮线完全覆盖,从而在织物表面呈现连续而紧密的浮线效果。缎纹织物表面密集的玄武岩纤维浮长线不仅增加了光热材料的吸收面积,保障了高效的光热转换,还兼具较高的孔隙率,确保水蒸气的顺利溢出。基于上述优势,后续实验均采用缎纹织物基蒸发器。

图5示出缎纹织物基蒸发器在不同光照强度下的水蒸发性能。实验数据表明,随着光照强度从0 kW/m2增至2.0 kW/m2,其蒸发速率从0.22 kg/(m2·h)增至2.74 kg/(m2·h)。进一步分析表明缎纹织物基蒸发器对光强变化的响应接近线性,这表明其能够适应实际环境中的光强波动(如阴晴交替),从而在地域适应性应用中具有重要意义[15]。

图5   缎纹织物基蒸发器在不同光照强度下水的质量随时间变化

为研究缎纹织物基蒸发器用于海水淡化时的蒸发性能,用质量分数为3.5%、5%、10%和15%的氯化钠溶液模拟真实海水,测试其在1.0 kW/m2太阳光辐照强度下的蒸发性能,结果如图6所示。实验数据显示,随着盐质量分数的增加,缎纹织物基蒸发器的蒸发速率略有下降,但其在15%的NaCl溶液中的蒸发速率依然达到1.34 kg/(m2·h),显著优于同类材料。

图6   缎纹织物基蒸发器在不同质量分数盐水中的质量变化

图7示出缎纹织物基蒸发器在模拟海水中的循环稳定性能。当缎纹织物基蒸发器表面的盐浓度逐渐升高时,得益于织物下层亲水棉纱提供的充足的双侧供水通道,能及时补充低浓度盐水进行稀释,防止了盐分进一步析出。这种对流效应能够较好地抑制蒸发器表面的盐结晶[16]。结果表明,在5%的NaCl溶液中运行了10 h后缎纹织物基蒸发器的蒸发速率没有出现明显的下降,证实其具备工程应用所需的稳定特性。

图7   缎纹织物基蒸发器在5%的氯化钠溶液中循环蒸发性能

为评估缎纹织物基蒸发器的海水净化效能,本研究采用黄海现采海水样本开展蒸发-冷凝实验(实验装置见图8)。装置主体由有机玻璃方盒、半球形冷凝罩和玻璃培养皿构成。将缎纹织物基蒸发器置于盛装海水的亚克力方盒中,模拟太阳辐照条件下,蒸发产生的水蒸气在冷凝罩内表面快速凝结形成液滴,随后沿弧形内壁导流至底部培养皿完成收集。

图8   冷凝水收集装置实物图

图9示出净化前后海水的离子浓度变化。由图可知,海水中4种主要的金属离子的质量浓度经净化处理后显著下降了2~4个数量级。各离子浓度均低于世界卫生组织与美国环境保护署(WHO/EPA)联合饮用水标准限值[17-18](如图中灰色虚线标示),该结果证明所研发的太阳能蒸发装置具备高效海水淡化性能。

图9   净化前后的离子质量浓度变化

本研究通过机织工艺织制了平纹、斜纹及缎纹3种组织结构的玄武岩纤维/棉复合机织物,揭示了织物组织对光热蒸发性能的调控机制,得出以下主要结论。

1)缎纹组织因纬纱浮长线连续分布,显著增加玄武岩纤维暴露面积,在1.0 kW/m2光强下,缎纹织物基蒸发器的蒸发速率达1.59 kg/(m2·h),光热转换效率为94.5%,较平纹和斜纹织物分别提升27.2%和20.5%。

2)缎纹织物基蒸发器在15% NaCl溶液中仍保持1.34 kg/(m2·h)的蒸发速率,连续10 h循环实验蒸发速率衰减率小于5%,表明其在高盐环境下有较好的稳定性。

3)缎纹织物基蒸发器处理后的黄海海水样本中,Na+、Mg2+、Ca2+等离子浓度降幅达2~4个数量级,净化水质符合世界卫生组织与美国环境保护署所规定的饮用水标准。