【摘 要】
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太阳能海水淡化是一项能够同时解决“能源危机”与“淡水危机”两大难题的绿色可持续技术。近年来,开发高效光热转换的材料和高能量利用率的结构装置是提高太阳能-水蒸发速率的主要手段。影响水蒸发速率的因素主要有温度、水/空气界面面积和环境中水的蒸汽压（即相对湿度）,在不考虑环境因素的情况下,静态光热水蒸发时温度主要取决于材料的光热转换效率和热能利用率,水与空气的界面面积则依赖于装置的结构。然而,目前的研究多
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太阳能海水淡化是一项能够同时解决“能源危机”与“淡水危机”两大难题的绿色可持续技术。近年来,开发高效光热转换的材料和高能量利用率的结构装置是提高太阳能-水蒸发速率的主要手段。影响水蒸发速率的因素主要有温度、水/空气界面面积和环境中水的蒸汽压（即相对湿度）,在不考虑环境因素的情况下,静态光热水蒸发时温度主要取决于材料的光热转换效率和热能利用率,水与空气的界面面积则依赖于装置的结构。然而,目前的研究多集中于前者,对于水/空气界面的研究相对较少。所以,通过结构优化改变装置中的水/空气界面面积是提高太阳能-水蒸发速率的有效策略。本论文以构建高效光热转换器件为研究目标,通过设计和优化器件的结构实现了分级水管理,并利用水凝胶材料构建了三维多孔结构的装置,致力于解决太阳能-水蒸发装置中的水/空气界面面积小和热能利用率低两大科学问题,促进了高效光热转换器件设计的发展。具体工作内容如下:（1）提出了“单位表面积含水量（Water Mass per Unit Surface Area,WMUA）”的概念,并揭示了分级水管理是提高光热-水蒸发速率的有效策略。通过设计具有不同孔结构的多层装置（包括储水层、水限制层和光热层）实现了有效的水管理,并用“单位表面积含水量”评价每一层结构中的水含量。在选取的几种不同WMUA的材料中,仿麂皮海绵由于具备较高的含水量(WMUA≈39.07 g·m-2)和较快的水传输速率,能够保证在水蒸发过程中供给足够的水而被用作最优的“储水层”材料;滤纸则因为水含量相对较低(WMUA≈1.62 g·m-2),并能将传到光热层的水量进一步降低而被用作最佳的“水限制层”材料。在装置利用以上两层结构实现分级水管理之后,顶部“光热层”材料（硫化铜、聚吡咯等）即可通过加热少量水来实现快速的水蒸发。该装置成功利用分级水管理策略实现了在1个太阳强度下,利用光热转换性质一般（本征光热转换效率约为1%-2%）的材料即可达到1.6-1.8 kg·m-2·h-1的水蒸发速率,同时实现86.1%-92.0%的太阳能-水蒸气转换效率。（2）利用水凝胶的三维网状结构实现了步骤更简化的分级水管理,并进一步提高了太阳能-水蒸发器件的热能利用率,得到了蒸汽产生速率更快的高效光热转换器件。通过使用吸光范围更宽、光热转换效率更高的碳纳米球和亲水性强、具备三维网状结构的聚乙烯醇水凝胶分别作为“光热层”和“水限制层”材料,与仿麂皮海绵一起构建了一种“双层结构复合型光热-水蒸发器件”。由于水凝胶材料本身具备的三维网状结构能够有效增加系统中水的比表面积（即水/空气界面面积）,因此,我们利用溶胶-凝胶法将碳纳米球镶嵌在了水凝胶独特的三维骨架中,实现了对水量与热量间平衡的控制,进一步提高了蒸汽产生速率。因此其可以在1个太阳光强度(1 k W·m-2)下达到2.15 kg·m-2·h-1的水蒸发速率和93.7%的太阳能转换效率。此外,该材料有效的海水脱盐性能和稳定的循环使用性能使它在将来被推广到海水淡化的实际应用中具备一定的潜力,并且对拓宽太阳能海水淡化装置的选材范围具有一定的启发意义。
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