论文部分内容阅读
水是生命之源,是人类赖以生存的基本物质。根据《中华人民共和国食品安全法》定义,水不仅是一种重要的食品,而且是其它食品生产、加工过程中必需的原料。但是随着人口激增与环境恶化,人类社会正面临着严重的水资源危机。目前,作为解决该危机的海水淡化与废水处理技术,由于能耗高、污染严重制约了其进一步发展和广泛应用。因此,开发低能耗、环保的水处理技术对于实现社会的可持续发展及我国碳达峰和碳中和目标具有重要意义。太阳能蒸发技术是近年来一种新兴的绿色可持续水处理技术。该技术主要基于材料的光热效应将太阳能转换为热能,用于提供水蒸发所需要的能量。太阳能界面蒸发实现高效水蒸发主要取决于以下两个方面:一是增强对太阳光的捕获能力;二是有效减少漫反射引起的能量损失和热辐射引起的热量损失。因此,开发新型光热转换材料与蒸发器件是增强太阳能界面蒸发系统对太阳光捕获能力、减少漫反射和热辐射引起的能量损失的重要途径。论文开发了提高黑磷（black phosphorus,BP）稳定性的方法并将其成功应用于太阳能界面蒸发,开发了基于高粱秸秆的新型生物质碳材料并将其用于构建太阳能蒸发器,构建了新型基于碳化高粱秸秆的三维（three-dimensional,3D）杯状太阳能蒸发器,实现了高效太阳能海水淡化与废水处理。目前取得的研究成果如下:（1）构建了一种基于BP的太阳能界面蒸发器。针对BP光热转换效率高、稳定性差、难以用于构建太阳能蒸发器件的问题,通过原位封装技术,将BP封装到沸石咪唑骨架-8（zeolitic imidazole framework-8,ZIF-8）中,制备了BP@ZIF-8复合材料。通过透射电镜（transmission electron microscope,TEM）、拉曼光谱和X射线衍射（X-ray diffraction,XRD）等表征技术对所制备的材料进行表征,证明成功将BP封装到了ZIF-8内部。利用热像仪和电感藕合等离子体质谱（inductively coupled plasma-mass spectrometry,ICP-MS）对BP@ZIF-8在水中和磷酸盐缓冲液（phosphate buffered saline,PBS）中的稳定性进行了考察,结果表明BP@ZIF-8具有良好的稳定性。利用热像仪对BP@ZIF-8的光热转换效率进行了测试,其光热转换效率可达30.86%。将BP@ZIF-8涂覆于亲水聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride,PVDF）膜上,构建了一种基于BP@ZIF-8的太阳能界面蒸发器,在1个太阳光照射条件下其蒸发速度可达1.8342 kg m-2 h-1,太阳能蒸汽转换效率为79.84%,经过5次循环蒸发测试,蒸发性能没有显著下降。分别选用渤海海水、强酸（p H 1.0）/强碱（p H 14.0）废水和含有机染料废水作为模拟水源,进一步考察了该蒸发器的实际应用性能。渤海海水经过蒸发后,K+、Ca2+、Na+和Mg2+浓度分别降低到原来浓度的1/6883、1/952、1/2087和1/12095,电阻从163.2KΩ升至2.52 MΩ,细菌等微生物也可在净化过程中被同时去除,符合饮用水标准。处理后的酸碱废水p H接近7.0。处理后的有机染料废水基本不含染料。通过基于BP@ZIF-8蒸发器制备的淡化水用于绿豆芽生长状况的考察,表明制备的淡化水在食品生产领域具有一定的应用潜力。（2）构建了一种基于生物质碳材料的太阳能蒸发器。选取来源广泛的高粱秸秆,通过简单碳化处理,得到了生物质碳材料。X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy,XPS）、XRD、拉曼光谱结果表明碳化高粱秸秆中主要是无定形碳。扫描电子显微镜（scanning electron microscope,SEM）显示,碳化高粱秸秆具有丰富的龙形维管束结构和龙鳞状薄壁细胞,压汞仪测试结果表明,其孔径分布范围为3-130μm。傅里叶变换红外光谱（fourier transform infrared spectrometer,FT-IR）结果表明,碳化高粱秸秆含有丰富的羧基基团。通过测试其接触角接近0°。这些组成及结构特点使碳化高粱秸秆具有良好的水传输性能和保温性能。紫外-可见-近红外光谱（ultraviolet-visible-near-infrared spectrometer,UV-vis-NIR）结果表明,碳化高粱秸秆在200-1200 nm范围内具有良好的光吸收性能。热成像结果表明,碳化高粱秸秆具有良好的光热性能。碳化高粱秸秆的热导率为0.0405 W m-1 K-1。基于碳化高粱秸秆的太阳能蒸发器,在1个太阳光照射条件下,蒸发速度可达3.173 kg m-2 h-1,太阳能蒸汽转换效率可达100%。在1-4个太阳光照射条件下,经过20次循环测试,蒸发性能未发生显著变化,表现出优异的蒸发性能。此外,该太阳能蒸发器还表现出良好的抗盐结晶性能,在20 wt%Na Cl溶液中连续蒸发6 h其蒸发速度没有发生明显降低。分别选用渤海海水、强酸（p H 1.0）/强碱（p H 14.0）废水和含有机染料废水作为模拟水源,进一步考察了该蒸发器的实际应用性能。渤海海水经过蒸发后,K+、Ca2+、Na+和Mg2+浓度分别下降到原来浓度的1/2083、1/1066、1/3020和1/9755,电阻从156.9 KΩ升至1.4 MΩ,细菌等微生物也可在净化过程中被同时去除,符合饮用水标准。处理后的酸碱废水p H接近7.0。处理后的有机染料废水基本不含染料。通过基于生物质碳材料蒸发器制备的淡化水用于绿豆芽生长状况的考察,表明制备的淡化水在食品生产领域具有一定的应用潜力。基于碳化高粱秸秆的太阳能蒸发器为优化和制备高效太阳能蒸发器开辟了一条新的途径。（3）构建了一种基于碳化高粱秸秆的3D杯状太阳能蒸发器。表征结果表明,虽然碳化处理时升温速度不同,但是所制备的碳化高粱秸秆其形貌、组成、亲水性、光吸收性能与前一部分基本相同。孔径分布范围较前一部分有所变宽（2-150μm）。在1个太阳光照射条件下3D杯状太阳能蒸发器蒸发速度可达3.27 kg m-2 h-1,太阳能蒸汽转换效率可达131.2%。与二维（two-dimensional,2D）太阳能蒸发器相比,其蒸发速度提高了2.15倍。利用热像仪对3D杯状太阳能蒸发器高效水蒸发原理进行了探讨,3D杯状太阳能蒸发器的杯壁可以吸收反射光和热辐射,从而有效减少能量和热量损失。通过高浓度盐水蒸发测试,3D杯状太阳能蒸发器具有良好的耐盐性能,在3.5 wt%和20 wt%Na Cl溶液中蒸发速度可达3.19 kg m-2 h-1和3.16 kg m-2 h-1。在不同浓度的Na Cl溶液中,3D杯状太阳能蒸发器表现出稳定的蒸发性能。分别选用渤海海水、强酸（p H 1.0）/强碱（p H 14.0）废水和含有机染料废水作为模拟水源,进一步考察了该蒸发器的实际应用性能。渤海海水经过蒸发后,K+、Ca2+、Na+和Mg2+浓度分别下降到原来浓度的1/162333、1/805、1/2102和1/41709,电阻从151.9 KΩ升至1.78 MΩ,细菌等微生物也可在净化过程中被同时去除,符合饮用水标准。处理后的酸碱废水p H接近7.0。处理后的有机染料废水基本不含染料。通过3D杯状太阳能蒸发器制备的淡化水用于绿豆芽生长状况的考察,表明制备的淡化水在食品生产领域具有一定的应用潜力。3D杯状太阳能蒸发器为构建高效太阳能蒸发器提供了新的思路。