蒸发脱盐的树木仿生编织纤维骨架及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及纺织加工和海水淡化技术领域，尤其涉及蒸发脱盐的树木仿生编织纤维骨架及其制备方法和应用。

背景技术

淡水资源的短缺正日益引起人们的关注。传统缓解水资源短缺的方法有膜蒸馏和反渗透，但其在实际使用中会消耗大量的电能或燃料，导致碳排放。太阳能蒸发器件是一种利用太阳能进行水蒸发的装置，它能利用太阳能的辐射热量使得水面上的液体汽化，然后凝结成水滴，以此去除溶质和提高水的纯度。太阳能蒸发器件的能源效率高，设备灵活高，并能输出清洁的水分，因此备受关注。在所有太阳能蒸发器件中，宽频带的太阳能、充足的水分供应以及适当的热管理设计均能改善其光热蒸发效率。然而，太阳能蒸发器件的耐久性会受到盐垢的影响，盐垢不仅会严重影响太阳能吸收效率，而且会不可避免地堵塞供水通道。具有高蒸发速率的3D蒸发器容易造成盐分积聚而形成盐垢，特别是在高溶解度盐水中。堵塞的供水通道会限制水的相变和蒸汽扩散，使得在长时间脱盐过程中蒸发效率下降。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种蒸发脱盐的树木仿生编织纤维骨架及其制备方法和应用，它具有卓越的光热蒸发和高效脱盐能力，解决3D光热蒸发器件在海水淡化中因盐分积聚导致的光热效率下降等问题。

本发明的一种蒸发脱盐的树木仿生编织纤维骨架，由碳纤维与经聚吡咯修饰的天丝纱线进行混合编织而成。

进一步的，所述树木仿生编织纤维骨架由多根碳纤维/天丝复合编织纱线编织而成，所述碳纤维/天丝复合编织纱线由碳纤维编织体旋转交错缠绕在经聚吡咯修饰的天丝纱线上构成，所述碳纤维编织体由多根碳纤维交织形成。

进一步的，所述碳纤维/天丝复合编织纱线中，经聚吡咯修饰的天丝纱线的根数为4-40根，所述碳纤维的根数为8-16根。

进一步的，经聚吡咯修饰的天丝纱线的制备方法如下：将天丝纱线先放入十二烷基苯硫酸钠溶液中浸泡一段时间，然后放入三氯化铁溶液中浸泡一段时间，再向浸泡有天丝纱线的三氯化铁溶液加入一定量的聚吡咯，充分搅拌反应后，将天丝纱线捞出烘干得聚吡咯修饰的天丝纱线。

进一步的，所述十二烷基苯硫酸钠溶液的浓度为0.005-0.02g/ml；所述三氯化铁溶液的浓度为0.026-0.06g/ml；所述聚吡咯与三氯化铁的质量比为1-3：4-6。

进一步的，天丝纱线在100-120℃烘干30-45分钟；天丝纱线先放入十二烷基苯硫酸钠溶液中浸泡5-10分钟，然后放入三氯化铁溶液中浸泡5-10分钟。

一种如上述的蒸发脱盐的树木仿生编织纤维骨架的制备方法，包括如下步骤：

S1，通过原位聚合的方法用聚吡咯对原始天丝纱线进行预处理，得到经聚吡咯修饰的天丝纱线；

S2，通过绕线机将碳纤维缠绕在纱轴上，再将纱轴固定在高速编织机的纱盘上，经聚吡咯修饰的天丝纱线被缠绕在恒定线轴上，并通过预紧装置送入高速编织机轴心处；多根碳纤维之间交织形成编织体，编织体随着圆盘旋转交错缠绕在经聚吡咯修饰的天丝纱线上形成碳纤维/天丝复合编织纱线；

S3，将一部分碳纤维/天丝复合编织纱线通过绕线机将其缠绕在纱轴上，并固定在高速编织机的纱盘上，同时，另一部分碳纤维/天丝复合编织纱线被缠绕在多个恒定线轴上，并通过预紧装置送入高速编织机轴心处；通过高速编织机编织得到树木仿生编织纤维骨架。进一步的，步骤S2中，纱线由纱轴旋转实现连续供应，卷绕纱线所需的纱轴数量取决于喂纱轴的数量，喂纱轴的数量为8-16个，恒定线轴的数量为4-40个，通过改变喂纱轴和恒定线轴的数量配比，得到不同规格的碳纤维/天丝复合编织纱线；高速编织机以5-25r/min的编织速度、0.5-5m/min的卷绕速度以及60-120mm的编织间距运行；从一个圆盘到另一个圆盘的往复运动有利于碳纤维束紧密包缠经聚吡咯修饰的天丝纱线；步骤S2中，通过绕线机将碳纤维缠绕在纱轴上，其中碳纤维缠绕圈数为3000-5000圈；步骤S3中，将一部分碳纤维/天丝复合编织纱线通过绕线机将其缠绕在纱轴上，其中缠绕圈数为500-1000圈。

进一步的，树木仿生编织纤维骨架中碳纤维/天丝复合编织纱线的根数为12-56根。

一种太阳能高效脱盐光热蒸发器，包括透明箱体，所述透明箱体内设有盐水池和淡水池，所述透明箱体的顶端设有倾斜的箱盖，所述箱盖由盐水池向下倾斜在淡水池的上方，所述盐水池上插设有多根蒸发脱盐的树木仿生编织纤维骨架。

本发明提出的树木仿生编织纤维骨架，利用经聚吡咯修饰的天丝纱线供水，采用原位聚合法将聚吡咯颗粒修饰在天丝纱线表面，具有一定的光吸收能力，以增强其光热转化能力，碳纤维吸收太阳光，产生热量并蒸发水分，通过高速编织加强骨架的稳定性，解决了以往蒸发器件因脱盐导致表面产生大量的盐垢而导致脱盐效率下降的难题，并改善了光热蒸发器无法大批量生产的问题，有很广泛的应用前景。

为实现树木仿生编织纤维骨架的可调控性，采用了现有的成熟编织集成技术，并调控编织速度与编织间距来改变树木仿生编织骨架的密度，或调控复合编织纱线的根数和分布来改变树木仿生编织骨架的形态，在降低制造成本的同时，也进一步提高树木仿生编织纤维骨架的稳定性和可靠性，使其具有更好的光热效能和供水速率，从而实现纤维骨架的优化设计和制造。

本发明提出的树木仿生编织纤维骨架的制备方法在编织树木仿生编织纤维骨架前，首先要编织碳纤维与经聚吡咯修饰的天丝形成碳纤维/天丝复合编织纱线，碳纤维根数决定着树木仿生编织纤维骨架对光的利用效率，经聚吡咯修饰的天丝纱线的根数决定着树木仿生编织纤维骨架供水速率。通过调节碳纤维与经聚吡咯修饰的天丝纱线的根数来调节复合纱线的粗细，再通过调节碳纤维/天丝复合编织纱线的根数，进而使树木仿生编织纤维骨架光热效能与供水速率的达到平衡。

本发明以天然树木(根、干、叶)的生态结构为灵感，采用碳纤维与经聚吡咯修饰的天丝纱线为原料，采用可调控编织技术制备树木仿生编织纤维骨架。同时，通过调节仿生编织纤维骨架的外部形态和光照面积，以模拟树干粗壮、树叶繁茂的树木形态，并达到盐水扩散和能量利用的平衡状态，以在长时间运行中实现高效脱盐。考虑到给水与蒸汽蒸发速率不平衡导致的盐垢问题，提出了仿生编织纤维骨架的合理设计方案，以实现稳定的脱盐性能。仿生编织纤维骨架具有优越的耐久使用性能，在盐水中运行多个周期后仍能利用太阳能实现稳定高效地脱盐。在实际应用环境中，该系统的脱盐和净化性能具有竞争力，日采水量充足且可观。这种仿生蒸发器平衡了光热蒸发效率和实用性，为太阳能海水淡化提供了一条可行的途径。

经过仿生模拟和调控，在1个太阳光照射下，卤水的蒸发和脱盐效率均较高。经过持续三天的高浓度盐水测试后，树木仿生编织纤维骨架保持完整，并没有由于多孔纤维结构而导致盐分颗粒沉积或堵塞。除此之外，室外海水淡化和净化性能与日常集水率同样十分可观。总之，稳定和有效的树木仿生编织纤维骨架使得提供一种潜在的绿色脱盐方法成为可能。

附图说明

图1本发明的一种蒸发脱盐的树木仿生编织纤维骨架，其中，1-碳纤维，2-经聚吡咯修饰的天丝纱线，3-碳纤维/天丝复合编织纱线，4-树木仿生编织纤维骨架；

图2为采用不同根数的碳纤维/天丝复合编织纱线编织的蒸发脱盐的树木仿生编织纤维骨架的实物图；

图3a-图3c分别为采用不同根数的碳纤维/天丝复合编织纱线编织的蒸发脱盐的树木仿生编织纤维骨架供水通量、水质量变化、蒸发温度的对比；

图4a-图4b为不同根数的经聚吡咯修饰的天丝纱线和相同根数的碳纤维编织的碳纤维/天丝复合编织纱线编织成蒸发脱盐的树木仿生编织纤维骨架的供水通量和在15wt％NaCl溶液中运行8h的脱盐性能；

图5a为太阳能高效脱盐光热蒸发器的结构示意图；

图5b为一种可实施方式的太阳能高效脱盐光热蒸发器的实物图；

图5c为脱盐前后离子浓度的对比。

1-透明箱体；2-盐水池；3-淡水池；4-箱盖；5-树木仿生编织纤维骨架。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

图1为仿生复合纤维骨架的制造示意图。通过原位聚合的方法用聚吡咯对原始天丝纱线进行预处理，得到具有强太阳光吸收性能的碳纤维/天丝复合编织纱线。其中天丝纱线作为供水的芯纱，碳纤维缠绕在其外部，以吸收入射的太阳光并将其转化为热能。具体操作步骤如下：

将20根天丝纱线放入由2g十二烷基苯硫酸钠溶于200ml去离子水所配成的溶液中，浸泡8分钟后取出。将浸泡后的天丝纱线放入由5.7g无水三氯化铁溶于100ml去离子水所配成的溶液中，同样浸泡8分钟。取3g聚吡咯，倒入浸泡天丝纱线的三氯化铁溶液，充分搅拌反应后，将天丝纱线放入电热鼓风箱中，120℃烘干45分钟。通过绕线机将碳纤维缠绕在纱轴上，再将纱轴固定在高速编织机的纱盘上，其中缠绕圈数为3000圈。经聚吡咯修饰的天丝纱线被缠绕在恒定线轴上，并通过预紧装置送入高速编织机轴心处。多根碳纤维之间交织形成编织体外壳，编织体随着圆盘旋转交错缠绕在经聚吡咯修饰的天丝纱线上。高速编织机以15r/min的编织速度、3m/min的卷绕速度以及80mm的编织间距运行。从一个圆盘到另一个圆盘的往复运动有利于碳纤维束紧密包缠经聚吡咯修饰的天丝纱线，形成碳纤维/天丝复合编织纱线。

然后，将一部分碳纤维/天丝复合编织纱线通过绕线机将其缠绕在纱轴上，并固定在高速编织机的纱盘上，其中缠绕圈数为1000圈。同时，另一部分碳纤维/天丝复合编织纱线被缠绕在多个恒定线轴上，并通过预紧装置送入高速编织机轴心处。

纱线由纱轴旋转实现连续供应，卷绕纱线所需的纱轴数量取决于喂纱轴的数量。喂纱轴的数量为16个，恒定线轴的数量为24个，通过改变喂纱轴和恒定线轴的数量配比，可以得到不同规格的碳纤维/天丝复合编织纱线，从而得到不同规格的树木仿生编织纤维骨架，树木仿生编织纤维骨架中碳纤维/天丝复合编织纱线的总根数为40根。不同规格的树木仿生编织纤维骨架的光热蒸发效率不尽相同。

图2为采用不同根数的碳纤维/天丝复合编织纱线编织的蒸发脱盐的树木仿生编织纤维骨架的实物图。

在制备碳纤维/天丝复合编织纱线时采用16个喂纱轴，即碳纤维束的数量为16根，经聚吡咯修饰的天丝纱线数量为20根，固定在线轴上通过预紧装置送入高速编织机轴心处。制备树木仿生编织纤维骨架同样采用了16个喂纱轴，当树木仿生编织纤维骨架中的碳纤维/天丝复合编织纱线总根数设定为16、24、32、40、48、56根时，相应的树木仿生编织纤维骨架被标记为B16、B24、B32、B40、B48、B56。

图3a-图3c分别为采用不同根数的碳纤维/天丝复合编织纱线编织的蒸发脱盐的树木仿生编织纤维骨架供水通量、水质量变化、蒸发温度的对比。树木仿生编织纤维骨架的直径随着碳纤维/天丝复合编织纱线的增多而增加，其供水量也逐渐增加，并且B56的供水量几乎是B16的两倍。然而，光照/蒸发面积由碳纤维/天丝复合编织纱线的独特结构和弹性模量决定。由于碳纤维密度的变化，不同光照区域对太阳光的持续吸收程度存在差异。光照/蒸发面积在B40达到极限，比B16高约1.8倍。随着投影面积的增大，太阳能吸收和光热转换性能的持续提升。树木仿生编织纤维骨架在200-2500nm光谱范围内的太阳能吸收性能差异几乎可以忽略不计，其优异的光学性能归因于天丝的三维孔隙网络结构和碳纤维紧密包缠结构的协同效应，这证明树木仿生编织纤维骨架的光热性能主要归因于结构的特性而不是材料本身。随着碳纤维数量的增加，在宏观结构中实现了多重太阳能吸收，这意味着更强的光热转换和更高的表面温度。但是，当产生的热量达到其最大值时，过量的水供应导致表面温度降低。B16、B24、B32、B40、B48和B56的蒸发速率分别为3.16、3.39、3.83、4.58、4.39和4.25kg·m

图图4a-图4b为不同根数的经聚吡咯修饰的天丝纱线和相同根数的碳纤维编织的碳纤维/天丝复合编织纱线编织成蒸发脱盐的树木仿生编织纤维骨架的供水通量以及在15wt％NaCl溶液中运行8h的脱盐性能。

当天丝纱线根数从10根变化到40根时，测得相应的供水流量分别为4.98、6.13、7.82和9.99kg·m

树木仿生编织纤维骨架的微通道能被精确地调节，以提高太阳能脱盐过程中的脱盐率和耐久性。盐水扩散和对流性能可以通过对天丝纱线根数进行调节来改进，以减轻盐分的积聚。

当天丝纱线为10、20、30、40根时，相应的树木仿生编织纤维骨架被标记为C10、C20、C30和C40。C10、C20、C30和C40的蒸发速率分别为3.05、3.54、4.58和4.22kg·m

图5a为本实施例的太阳能高效脱盐光热蒸发器的结构示意图，一种太阳能高效脱盐光热蒸发器，包括透明箱体1，透明箱体内设有盐水池2和淡水池3，透明箱体1的顶端设有倾斜的箱盖4，箱盖4由盐水池2向下倾斜在淡水池3的上方，盐水池2上插设有多根蒸发脱盐的树木仿生编织纤维骨架5。这里插设的树木仿生编织纤维骨架两端被剪，呈散开状。

图5b为本实施例的太阳能高效脱盐光热蒸发器的实物照片图，透明箱体由透明的丙烯酸有机玻璃组成。针对实际应用，采用可扩展的9阵树木仿生编织纤维骨架进行了室外实验。选择投影面积约为300cm

图5c为脱盐前后离子浓度的对比，实验采用中国武汉黄海未净化盐水中进行，改变太阳通量和温度。经太阳能高效脱盐光热蒸发器处理后，Ca

综上所述，本发明提出的树木仿生编织纤维骨架，利用经聚吡咯修饰的天丝纱线供水，碳纤维吸收太阳能蒸发，通过高速编织加强骨架的稳定性，解决了以往蒸发器件因脱盐导致表面产生大量的盐垢而导致脱盐效率下降的难题，并改善了光热蒸发器件无法大批量生产的问题，有很广泛的应用前景。

以上未涉及之处，适用于现有技术。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。