丝瓜络织物基高效光热蒸发器件的结构设计及其性能研究

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太阳能界面蒸发技术可以直接吸收太阳能将其转化为热能,对液态水进行加热产生水蒸汽,从而生产清洁水。在这整个过程中并不会产生任何污染,是缓解淡水资源短缺问题的有效途径之一。多孔材料由于自身固有的高孔隙率,不仅可以提供更多有效的蒸发面积、通过增强光散射来提高对太阳光的吸收,还可以促进水的输送和蒸汽的逃逸,对提高光热水蒸发速率具有重要作用。现已报道的多孔光热材料有合成的凝胶、三聚氰胺泡沫以及生物质材料等。但这些材料大多存在制备工艺复杂,成品困难;力学性能差,结构极易损坏等缺陷,使其很难在实际应用当中发挥作用。丝瓜络具有孔隙率高、比表面积大、机械性能好以及价格低廉等优点,是理想的光热基底材料之一。本论文以丝瓜络作为光热基底材料,使用具有优异光热性能的聚吡咯为其修饰,构建了可以实现水调控的丝瓜络基太阳能界面蒸发器;织造了可以尺寸化以及实现海水淡化和染液净化的一体化结构光热蒸发器以及可实现高浓度盐水淡化的双层抗盐蒸发器件。通过设计不同的器件结构来使其应用在不同的实际领域当中,并研究了不同结构蒸发器件的光热蒸发性能,具体进行的研究如下:(1)丝瓜络基太阳能界面蒸发器的制备及其光热性能研究。以生物质多孔材料丝瓜络为基底,在其纤维表面聚合具有优异光热性能的聚吡咯,对其吸光性能、机械性能和稳定性进行了研究。通过与涤纶长丝柱和发泡聚乙烯泡沫进行组合,构建出了丝瓜络基太阳能界面蒸发器。然后对其供水系统、热量管理、光热转换性能以及光热水蒸发性能进行了测试与分析。结果表明,聚吡咯修饰后的丝瓜络光热性能优异,丝瓜络基太阳能界面蒸发器在一个太阳光强下的蒸发速率可达到2.38 kg m-2 h-1。并通过冷冻电子显微镜观察到水分在丝瓜纤维内部独特的存在方式,揭示了其蒸发原理,即通过其独特的亲水分层通道使待蒸发的水在多孔骨架上形成膜态,可以有效地调节光热材料中的水含量。(2)丝瓜络织物基一体化光热水蒸发器件的编织及其性能研究。为了解决生物质材料蒸发器件的一体化和尺寸化问题,用聚吡咯修饰后的丝瓜络为纬纱,棉线为经纱,织造了丝瓜络织物基一体化光热水蒸发器件,改良了生物质材料的尺寸限制问题;此蒸发器件将供水层和蒸发层紧密连接在一起,组成桥式蒸发器,可以保证充足供水的同时,减少热量的流失、增大蒸发面积。对改性前后丝瓜络织物的吸光性以及光热转化性能进行测试与分析,并对丝瓜络织物基一体式蒸发器件进行太阳能水蒸发实验。研究结果表明:聚吡咯修饰后的丝瓜络织物吸光性和光热转换性能得到了显著的提升,丝瓜络织物基一体化光热水蒸发器在一个太阳的光照强度下的蒸发速率稳定在1.89 kg m-2 h-1左右,可以实现户外染液废水净化。(3)丝瓜络织物基双层抗盐界面蒸发器件的编织及其性能研究。以聚吡咯修饰后的丝瓜络为基底,利用1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷对其进行疏水改性,再对其亲疏水性以及官能团进行了探究。采用双层组织进行机织,以疏水丝瓜络为上层纬纱,尼龙为经纱;棉线为下层经纱和纬纱进行织造,再结合低导热系数的发泡聚乙烯泡沫,构建出丝瓜络织物基双层抗盐界面蒸发器件。对蒸发器件的吸光性、光热转换性能以及结构稳定性进行测试,研究该蒸发器在高浓度盐水中的蒸发速率以及结盐问题,探究风速在蒸发过程中对蒸发器蒸发性能的影响。结果表明,此双层蒸发装置具有优异的光热性能和结构稳定性,在高浓度盐水蒸发中可以有效的避免盐在光热材料表面的析出;通过增加风的对流,蒸发速率有了很大的提高,在3m/s的风速和一个太阳光强下的水蒸发速率可高达2.60 kg m-2 h-1。这些研究为具有独特结构的天然生物质材料在太阳能界面蒸发领域的应用提供一定的理论基础和技术支持。
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