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    太陽能驅(qū)動的木基表面水蒸氣發(fā)生器的制備及性能測試1)

    2020-06-26 04:40:20楊林濤李淑君張顯權(quán)陳志俊
    關(guān)鍵詞:原木光熱炭化

    楊林濤 李淑君 張顯權(quán) 陳志俊

    (東北林業(yè)大學(xué),哈爾濱,150040)

    據(jù)了解,樹木是地球上最大的生物工廠,維持著動物和人類的生命,在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。同時木材也是地球上最豐富的可再生資源之一,具有高機(jī)械強度、低成本和良好的可加工性[10-13]。這些垂直排列的微通道賦予了木材獨特的孔徑結(jié)構(gòu),樹木依靠木材這些孔徑結(jié)構(gòu)不斷地從土壤中吸收水分,從底部向頂部輸送,最終通過蒸發(fā)釋放到大氣中。最近報道了由天然、豐富的生物質(zhì)材料組成的水蒸發(fā)裝置的相關(guān)研究工作:火焰處理木材[14]、CNT/木材復(fù)合物[15]、表層炭化木材[16]等。

    椴木是一種性能優(yōu)良的木材,其管孔均勻,極少有侵填體堵塞管孔,通量高,能夠保證滲透均勻,導(dǎo)管有螺紋加厚,支撐性能好。根據(jù)樹木的結(jié)構(gòu)啟發(fā),本研究對椴木塊進(jìn)行了水熱炭化處理,該方法炭化均勻、溫和,降低了對木材的破壞,使其很少發(fā)生開裂和變形。通過簡單反應(yīng)過程一步法制取具有較高光學(xué)吸收及良好水輸送能力的均勻炭化木(Uniform carbonized wood,UCW),并探索了不同時間、不同溫度對樣品性能的影響。通過光熱和水蒸發(fā)性能測試篩選出較優(yōu)條件,并使用多種方法對原木和較優(yōu)樣品進(jìn)行表征和分析,從而為均勻炭化木的高效水蒸發(fā)提供理論依據(jù)。相對于之前報道的研究來說,本研究的原材料豐富、制備過程簡單、蒸發(fā)效果顯著,可以證明均勻炭化木是一種很有前景的水蒸發(fā)材料。

    1 材料與方法

    實驗所需椴木塊,由杭州阿里巴巴網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司提供,面積為4 cm×2 cm,厚度為2 cm。去離子水作為反應(yīng)溶劑。

    均勻炭化木的制備:將面積為4 cm×2 cm,厚度為2 cm的椴木塊放到反應(yīng)釜中,并加入30 mL去離子水,分別在100 ℃和140 ℃下反應(yīng)8 h,180 ℃下反應(yīng)3 h、5 h和8 h。反應(yīng)結(jié)束后,將樣品取出,并用100 mL去離子水沖洗表面3~5次;然后擦干表面的水,放到冷凍干燥機(jī)中凍干,即可獲得均勻炭化木(UCW),分別記作UCW1、UCW2、UCW3、UCW4、UCW5。

    樣品光熱性能測試:將干態(tài)樣品放入去離子水中充分浸濕后,在1個太陽光照強度下,用Testo869型紅外熱像儀每分鐘記錄一次樣品表面溫度的變化,持續(xù)20 min。以時間為橫坐標(biāo),樣品的表面溫度為縱坐標(biāo)作出曲線,并分析樣品的光熱性能。

    樣品水蒸發(fā)性能測試:將浸濕后的各個樣品放入盛有20 mL去離子水的燒杯中,并放置在天平上,在1個太陽光照強度下,記錄樣品和水的總質(zhì)量變化,每分鐘記錄一次,記錄60 min。以時間為橫坐標(biāo),單位面積上的質(zhì)量變化為縱坐標(biāo)作出曲線,并求出樣品的蒸發(fā)速率。

    掃描電鏡(SEM)分析:將切好的原木和UCW5在荷蘭Philips公司生產(chǎn)的FEI Sirion 200掃描電鏡下測試微觀形貌。

    “思辨缺席論”者認(rèn)為在英語傳統(tǒng)教學(xué)模式的影響下,英語專業(yè)學(xué)生大部分時間都在進(jìn)行記憶、模仿等機(jī)械性學(xué)習(xí),很少有機(jī)會或者有意識進(jìn)行批判性思考。教師們的正確引導(dǎo)會對學(xué)生的寫作能力起到很大的作用,而大部分的教師只強調(diào)模仿,忽視了學(xué)生創(chuàng)新能力、提出疑問、分析問題并解決的培養(yǎng)。一味的模仿雖然學(xué)生在寫作結(jié)構(gòu)上有了很好的提升,卻造成學(xué)生自己思辨能力的退化。因此教師要不斷更新自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)和專業(yè)素養(yǎng),采用有效的方法培養(yǎng)學(xué)生的思維能力,學(xué)生能夠養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣。

    紫外-可見-近紅外分光光度計(UV-Vis-NIR)分析:將粉末狀的原木和UCW5在中國Agilent公司生產(chǎn)的Cary 5000紫外-可見-近紅外分光光度計下,測試370~1 400 nm波長范圍內(nèi)的光吸收情況。

    X射線光電子能譜(XPS)分析:采用美國Thermo公司生產(chǎn)的PHI5700型X射線光電子能譜分析儀,測量了原木和UCW5的C、O元素。

    接觸角分析:采用德國Krüss的DSA25液滴形狀分析儀,使用5 μL液滴體積,在室溫下測量UCW5弦切面的接觸角情況。

    熱重(TG)分析:采用德國Netzsch公司生產(chǎn)的STA449 F3型熱重差熱綜合分析儀,測量原木和UCW5的熱穩(wěn)定性。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 均勻炭化木的性能測試

    在1個太陽光照強度下照射20 min后,UCW1、UCW2和UCW5的表面溫度基本穩(wěn)定不變,分別由17.9 ℃,17.4 ℃和17.8 ℃的初始溫度穩(wěn)定在29.9 ℃,31.6 ℃和33.7 ℃,分別升高了12 ℃,14.2 ℃和15.9 ℃(如圖1a)。同樣在1個太陽光照強度下照射20 min后,UCW3從17.5 ℃升高到31.9 ℃,UCW4從17.4 ℃升高到32.6 ℃,UCW5從17.8 ℃升高到33.7 ℃,分別升高了14.4 ℃,15.2 ℃和15.9 ℃(如圖1b)。結(jié)果表明:與其他反應(yīng)條件下的樣品相比,UCW5的光熱轉(zhuǎn)化效果較好。

    在1個太陽光照強度下,UCW1、UCW2和UCW5蒸發(fā)速率分別為1.15、1.28和1.62 kg·m-2·h-1(如圖2a),與UCW1和UCW2相比,UCW5的蒸發(fā)速率分別增長了40.87%和26.56%。UCW3、UCW4和UCW5蒸發(fā)速率分別為1.41、1.53和1.62 kg·m-2·h-1(如圖2b),與UCW3和UCW4相比,UCW5的蒸發(fā)速率分別增長了14.89%和5.88%。結(jié)果表明:與其他反應(yīng)條件下的樣品相比,UCW5的蒸發(fā)速率較高,水蒸發(fā)性能較好。

    2.2 均勻炭化木的結(jié)果表征

    2.2.1 SEM分析

    為了探究原木和UCW5內(nèi)部形貌和結(jié)構(gòu)的變化,對原木和UCW5的橫、弦切面進(jìn)行了SEM分析。從原木和UCW5的橫切面SEM可以看出,木材炭化處理后仍然保留了木材本身的結(jié)構(gòu),比如一些導(dǎo)管及管胞,這些通道有利于水的輸送,并且UCW5的整體形貌保存完好、無碎裂情況發(fā)生(圖3a、3c)。從原木和UCW5的弦切面SEM可以看出,在UCW5的導(dǎo)管中有一些球狀物,可能是高溫反應(yīng)下,木材中的一些糖類被降解(圖3b、3d)。

    a.原木橫切面;b.原木弦切面;c.UCW5橫切面;d.UCW5弦切面;刻度尺=40 μm。

    圖3原木和UCW5的SEM圖

    2.2.2 UV-Vis-NIR分析

    為了探索原木和UCW5的光學(xué)性質(zhì),由圖4中原木和UCW5的UV-Vis-NIR圖可以看出,在380~780 nm可見光范圍內(nèi),原木光吸收率在30%左右。經(jīng)過水熱炭化處理后的UCW5,表面顏色加深,光吸收率明顯提高,達(dá)到60%左右,是原木的兩倍。在780~1 400 nm的近紅外光范圍內(nèi),UCW5的光吸收率也明顯高于原木的光吸收率。結(jié)果表明:與原木相比,UCW5的光吸收率明顯提高、光吸收能力明顯增強,為光熱轉(zhuǎn)化的進(jìn)一步實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

    2.2.3 XPS分析

    為了明確水熱炭化處理對木材化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響,對原木和UCW5進(jìn)行了XPS分析。從原木總峰和UCW5總峰的對比可以看出,經(jīng)過水熱炭化處理后,UCW5的C、O元素的比例明顯降低,更有利于與水形成氫健,促進(jìn)水的吸收。這種結(jié)果可能歸因于,高溫水熱處理過程使木材中部分組分發(fā)生水解,而炭化由于條件較溫和、脫水炭化不足(圖5a,5d)。

    在原木和UCW5的C1s分峰擬合中,一共分出4種類型的C峰,大約分別在284.8、286.3、288和289.1 eV處,對應(yīng)著—C—H/—C—C、—C—O—C/—C—O—H、—CO/—O—C—O—和—O—CO這4種不同類型的C,分別記為C1、C2、C3、C4[17]。C1的譜峰主要來自于具有木質(zhì)素的苯基丙烷結(jié)構(gòu)以及脂肪酸、脂肪、蠟等碳?xì)浠衔锖洼祁惢衔锏饶静某樘嵛?;C2的譜峰主要來源于纖維素、半纖維素,以及木質(zhì)素等分子中與單個氧相連的碳原子;而纖維素和半纖維素分子中的縮醛結(jié)構(gòu)和木質(zhì)素中的羰基具有C3結(jié)構(gòu)特征;半纖維素分子中的乙酰基、葡萄糖醛酸基和抽提物樹脂酸、脂肪酸等物質(zhì)具有C4結(jié)構(gòu)特征。比較原木和UCW5的C1s峰可以發(fā)現(xiàn),在原木中C1的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于C2的含量,而在UCW5中C1的數(shù)量只是略高于C2的含量,分析其中原因,可能是水熱處理使木材組分發(fā)生水解,使得—C—H/—C—C的數(shù)量減少,—C—O—C/—C—O—H的數(shù)量增加,進(jìn)一步增加了親水性基團(tuán)的比例(圖5b、5e)。

    在原木和UCW5的O1s分峰擬合中,大約在531.5、532.8和533.4 eV處分出3種不同類型的O峰,分別記為O1、O2和O3,分別對應(yīng)—CO、—C—O—C/—C—O—H和Ar—O[18]。從原木和UCW5的O峰對比可以看出,原木中O2和O3的數(shù)量基本持平,而在UCW5中O2的數(shù)量明顯增加,與C峰的結(jié)果一致(圖5c,5f)。

    2.2.4 接觸角分析

    通過接觸角分析來探究UCW5的親水性,結(jié)果如圖6所示。當(dāng)5 μL的水滴剛剛滴在UCW5弦切面上時,接觸角為40°,4 s之后,水滴被完全吸收了。同樣5 μL的水滴剛剛滴在原始椴木弦切面上時,接觸角為81°,6 s之后,接觸角變?yōu)?5°[19]。對比發(fā)現(xiàn),經(jīng)過水熱炭化處理的UCW5,比原木具有更好的親水性,更有利于對水的吸收和輸送,進(jìn)一步為UCW5的水蒸發(fā)提供了充足的水源供應(yīng)。

    2.2.5 TG分析

    根據(jù)原木的TG/DTG曲線可以看出,原木的熱解過程基本分為3個階段。第一階段為45~240 ℃,該階段處于部分熱降解及水分蒸發(fā)狀態(tài);在低溫時,蒸發(fā)游離水及物理吸附水,隨著溫度的升高開始失去結(jié)晶水,進(jìn)而內(nèi)部開始發(fā)生熱解反應(yīng)。第二階段為240~350 ℃,主要為原木的加速熱解階段;該階段纖維素發(fā)生降解,同時伴隨著半纖維素的大量熱降解,于是分解速率隨溫度的升高而加快,到350 ℃是達(dá)到最大值。第三階段為350~530 ℃,此階段原木中纖維素已大部分發(fā)生降解,只剩下少量的纖維素繼續(xù)發(fā)生熱解反應(yīng),分解速率隨溫度的升高而減緩,到530 ℃時分解結(jié)束(圖7a,7b)。

    與原木相比,UCW5的熱重曲線與較大的不同,3個階段的溫度分別是45~288 ℃、288~350 ℃和350~598 ℃。第一階段(45~288 ℃)也是由水分蒸發(fā)和部分熱降解引起的質(zhì)量損失,降解過程較為緩慢。第二階段(288~350 ℃)為UCW5的主熱解階段,UCW5的分解速率隨著溫度的升高而加快,在350 ℃時達(dá)到最大值。第三階段(350~598 ℃)為UCW5的降速熱解階段,一直到598 ℃時UCW5才降解完全。相比較而言,盡管UCW5最大熱解速率較大,但是UCW5的主熱解階段(288~350 ℃)相對于原木(240~350 ℃)來說窄很多。原木在530 ℃時就完全分解,而UCW5最終結(jié)束溫度可以達(dá)到598 ℃。因此,UCW5的整體熱解速率偏低,熱穩(wěn)定性相對較好(圖7a,7b)。

    3 結(jié)論

    椴木塊以去離子水為溶劑,在均相反應(yīng)釜中,100、140 ℃下反應(yīng)8 h,180 ℃下反應(yīng)3、5和8 h,得到5種均勻炭化木,分別記作UCW1、UCW2、UCW3、UCW4、UCW5。通過光熱和水蒸發(fā)性能測試表明,UCW5的光熱和水蒸發(fā)性能較好,在1個太陽光照強度下,浸濕的UCW5在20 min之后可以升高15.9 ℃。并且在1個太陽光照強度下,UCW5的水蒸發(fā)速率為1.62 kg·m-2·h-1,明顯高于其他樣品??梢缘贸觯涸诒狙芯康臈l件中,反應(yīng)溫度180 ℃,反應(yīng)時間8 h的條件較優(yōu),樣品性能也較好。

    SEM、UV-Vis-NIR、XPS、接觸角和TG分析結(jié)果表明:水熱炭化處理得到的樣品,保留了原始椴木基本的形貌和結(jié)構(gòu),但由于高溫炭化處理,導(dǎo)致表面顏色變深,內(nèi)部部分糖類降解,并且反應(yīng)過程發(fā)生水解,而脫水炭化不足,C、O元素比例下降,親水基團(tuán)相對含量增加,這使得UCW5的光吸收性能以及親水性能進(jìn)一步增強,更有利于UCW5對水分的輸送和蒸發(fā)。而且UCW5主熱解階段相對較窄,總熱解速率相對較低,具有一定的熱穩(wěn)定性。研究結(jié)果進(jìn)一步證明了UCW5可以作為一個很好的光熱轉(zhuǎn)化材料,在水蒸發(fā)方面有巨大的應(yīng)用價值。

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