太阳能光热膜的制备及其在水处理中的应用

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由于社会快速发展带来的各种环境污染及人口快速增长带来的用水需求,水资源已日益匮乏。事实上,据估计,全球三分之二的人口面临水资源短缺。为了解决这一问题,人们开发了许多海水淡化策略,例如超滤、纳滤和反渗透,然而,这些方法通常需要高能耗以及较高的设备成本。因此,探索出一种环保绿色的清洁水资源的方式显得尤为重要。而太阳能就是一种丰富的环保可再生能源,已有许多应用如制氢,发电,光伏电池,光催化,水净化,水脱盐。太阳能蒸发技术可以从废水或海水中产生水蒸汽,在一定程度上缓解水资源短缺带来的压力,是可持续解决的方案之一。然而,传统太阳能蒸发技术因为光热转换效率低,很大程度上阻碍了该技术的实际应用。因此,人们提出了一种利用漂浮在水-空气界面上的光热转换材料产生蒸汽的简便、高效的方法,它能充分吸收太阳能并将其转化为热能。此外,光热转换材料还可以通过将热量集中在其上部区域来减少对本体水的热损失,进而提高了光热转换效率。因此通过设计合理的太阳能吸收器材料,提高光热转换效率,扩大在水处理中的应用。本文通过改进吸收器的材料和对吸收器微结构的设计,构筑了结构有序的Ag3PO4@CW膜,提高了光热转换效率以及水的净化性能。在Ag3PO4材料的基础上,为了提高光热转换效率和对水纯化的性能,与常见光催化TiO2复合,设计了具有纤维通道的Ag3PO4/TiO2@FFP(STP)膜,有较高的光热转换效率,并提升了对水的纯化性能。此外,我们为了找寻成本低廉的太阳能吸收器,将Cu2O@C3N4复合材料与亲水性三聚氰胺泡沫组合,设计了 Cu2O/C3N4@MF(CCF)膜,用于太阳能界面蒸发和水处理。具体的研究内容如下:(1)采用一步合成法将具有纳米结构的Ag3PO4均匀地沉积在经过脱木素和碳化处理后的木块上得到了 Ag3PO4@CW膜。通过对膜的微观结构表征,证实膜具有多孔结构,木块的毛细力作用可以源源不断地为吸收器提供水源。固体紫外-可见漫反射光谱证明了 Ag3PO4@CW膜对太阳光吸收率较高。导热性能测试表明其有出色的热扩散率和良好的热导率。高效液相色谱(HPLC)和电感耦合等离子光谱(ICP)结果显示Ag3PO4@CW膜对有机染料,重金属和海水中的各种离子具有较高的去除率,其离子浓度低于世界卫生组织(WHO)规定的标准。通过对大肠杆菌蒸发前后数量的测定,表明具有良好的杀菌性能。海水脱盐循环实验,循环后的膜表面无明显结垢,进一步证实了其有良好的稳定性和耐用性。此外,其对10%甲醛水溶液有很高的去除效率。根据材料成本估算,每平方米的成本估算为8美金,具有良好的经济效益,使其有望用于水净化。(2)为了进一步提高光热转换效率和对污水的纯化性能,在Ag3PO4材料的基础上与合成的TiO2复合,得到了 Ag3PO4/TiO2复合材料,将其沉积在FFP上得到了太阳能吸收器Ag3PO4/TiO2@FFP(STP)膜。吸收器中的棉布可以源源不断地为STP膜表面提供水。对STP膜的微观结构表征,表明其有纤维状的通道,确保蒸汽的逆出。探究光热性能和水纯化性能,有缺陷的二氧化钛和磷酸银的表面等离子效应增强了对太阳光谱的吸收,固体紫外-可见漫反射光谱表明STP膜对太阳光吸收率较高。HPLC和ICP结果显示其对有机染料,重金属离子的去除率高于Ag3PO4@CW膜,净化后水中各种离子浓度低于WHO规定的饮用水标准。海水脱盐循环实验表明其可用于有效且持久的海水淡化。根据材料成本估算,每平方米的成本估算不足10美金,使其有望用于水净化。(3)为了降低太阳能吸收器的成本,找寻了比Ag价格低廉的Cu,通过三步合成法制备了 Cu2O/C3N4复合物做吸光材料,将其负载在具有优异隔热和水传输性能的碳化三聚氰胺(CMF)上,得到了 Cu2O/C3N4@MF(CCF)膜,自组装了太阳能吸收器,用于太阳能蒸发,进行废水纯化和海水脱盐。估算出每平方米的成本不足3美元,CCF膜极大地降低了成本,具有很高地经济效益。扫描电子显微镜(SEM)表明其有丰富的多孔结构,固体紫外-可见漫反射光谱表明CCF膜有很好的吸收率。HPLC和ICP结果显示拥有高效的污染物纯化性能和有效的脱盐性能,达到了 WHO规定的标准。
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