论文部分内容阅读
淡水资源短缺问题日益严峻。太阳能界面蒸发技术作为一种从海水或废水中获取淡水的新技术,近年来取得了快速的发展,各种具有较高蒸发率和能量转换效率的太阳能蒸发器被开发。然而,很多蒸发器存在生产成本高,制备工艺复杂,机械性能差,需要支撑才能漂浮于水面上等问题。此外,部分蒸发器使用过程中存在对水体带来二次污染的风险,在长期蒸发或高浓度盐水处理过程中,蒸发器表面的盐沉积问题仍然是一个挑战。中空玻璃微球（HGM）是一种空心结构的球形微米级无机非金属材料,具有导热系数低、价格低廉、机械强度高和环境友好等诸多优点,这使得HGM在制备光热转换材料方面具有很大的优势,然而,目前HGM鲜有报道应用于该领域。基于目前太阳能蒸发器面临的问题,本论文设计并制备了基于HGM的球形、二维（2D）和三维（3D）光热转换材料,在研究其基本性能的基础上,进一步研究了所制备太阳能蒸发器的界面蒸发性能和耐盐性能。旨在使用低成本的材料制备具有良好机械性能、可规模化应用和长久自漂浮的高效耐盐太阳能蒸发器为实际太阳能海水淡化和废水处理应用提供参考。论文的主要研究内容及结论如下:（1）通过在3-氨基丙基三乙氧基硅烷改性后的HGM（MHGM）上逐层涂覆Fe3O4、Ti O2和Ag以及聚吡咯（PPy）制得一种新型球形可回收光热转换材料（MHGM/Fe3O4/Ti O2-Ag/PPy）,并将一定量的该光热转换材料自漂浮于水面上,作为太阳能蒸发器用于太阳能界面蒸发。MHGM/Fe3O4/Ti O2-Ag/PPy表面分布有纳米级孔,具有较高的光吸收率和低的导热系数,以及表面具有疏水浸润性,可自由移动的自漂浮微球之间的间隙为水传输提供了通道。所制备太阳能蒸发器在1 k W m-2（1 sun）模拟太阳光照下,其蒸发率高达1.5516 kg m-2h-1,同时具有优异的长久耐盐性能。此外,该蒸发器对亚甲基蓝（MB）溶液具有较高的光催化降解性能,对黄体假单胞菌和巨大假单胞菌有明显的抗菌性能,更重要的是该光热转换材料具有显著的磁性,可以磁回收。（2）以4,4’-二氨基二苯醚和均苯四甲酸二酐制得聚酰胺酸,并加入炭黑（CB）和MHGM为功能填料,以氯化钠为造孔剂制备了柔性亲水2D多孔杂化膜（PI-CB-MHGM）作为太阳能蒸发器的上层,并选取可自漂浮的聚氨酯海绵作为下层,制得一种双层太阳能蒸发器。PI-CB-MHGM膜具有微米级孔、超柔韧性、良好的机械强度、低的导热系数(0.0765 W m-1 K-1)、宽带高光吸收（约为90%）和超亲水性。基于以上性能,PI-CB-MHGM基双层太阳能蒸发器在1 sun光照下其蒸发率为1.4904 kg m-2 h-1,并具有优异的蒸发稳定性和耐盐性能,在15%的Na Cl溶液中其蒸发率为1.3233 kg m-2 h-1。（3）由可溶性聚酰胺酸、羧基化多壁碳纳米管和MHGM为原材料通过定向冷冻、冷冻干燥和热亚胺化制备了一种具有垂直孔道的3D气凝胶（PI-MWCNT-MHGM）。PI-MWCNT-MHGM气凝胶孔隙率高达89.75%,在润湿状态下具有较低的导热系数(0.0903 W m-1 K-1),以及良好的机械性能、隔热性能和光吸收性能（约为94%）。在1 sun光照下,PI-MWCNT-MHGM蒸发器的蒸发率为1.5060 kg m-2 h-1,并具有优异的耐盐性能。（4）以乙二胺为还原剂,通过水热法制备了还原氧化石墨烯/MHGM复合水凝胶,并通过两种干燥方法,一种是通过冷冻干燥制备了具有垂直孔道的气凝胶（GAHAF）,另一种是通过超临界CO2干燥制备了具有较小孔结构的气凝胶（GAHAS）。由于孔性能的不同,在润湿状态下GAHAS(0.0823 W m-1 K-1)的导热系数显著低于GAHAF(0.2317 W m-1 K-1)。此外,GAHAS（约93%）的光吸收率高于GAHAF（约85%）。在1 sun光照下,GAHAS的蒸发率为1.4856 kg m-2 h-1,高于GAHAF(1.2811 kg m-2 h-1)。GAHAS在室外平均光功率密度约为0.678 k W m-2的自然太阳光下,在模拟海水中的平均蒸发率为0.7356 kg m-2 h-1,纯化后水中主要离子的浓度完全符合饮用水标准。（5）以HGM为砌块单元,三聚氰胺海绵为造孔剂,磷酸二氢铝为粘合剂制备了一种无机复合材料（HGMAM）,并在表面喷涂合成PPy作为吸光层,制备了一种坚固的3D光热转换材料（PPy-HGMAM）。HGMAM具有互连网络多孔结构,密度和导热系数分别为0.32 g cm-2和0.056 W m-1 k-1。PPy-HGMAM在润湿状态下在15%应变下的压缩应力为957 k Pa,以及较高的光吸收率（约92%）和超亲水浸润性。在1 sun光照下,PPy-HGMAM的蒸发速率为1.5624 kg m-2 h-1,并具有优异的耐盐性能。通过室外实验发现在最强太阳光照下(约0.84 k W m-2)下,其蒸发率为1.14 kg m-2 h-1。