自然启发太阳能水蒸发器的制备及性能研究

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受环境污染和人口增长影响,淡水资源短缺严重威胁着人类社会发展。合理开发有效的清洁水生产技术迫在眉睫。与传统的海水淡化技术相比,太阳能海水淡化技不需要以消耗化石燃料为代价,具有清洁、绿色可持续等优点,引起人们广泛关注。当前报道的光热水蒸发器的研究主要集中在开发高效的吸光材料以提高光热转换能力实现蒸汽的快速产生。然而,大量研究表明具有垂直取向结构的蒸发器可以实现快速的水传输有助于蒸汽的产生,此外,自然界水中富含各类细菌、真菌等微生物,它们会附着在蒸发器表面大量繁殖从而堵塞其孔道结构,使得蒸发器的蒸发效果大大降低。因此,理想的太阳能水蒸发器还需抑制生物污损的产生实现长效稳定使用。本论文的主要研究内容如下:(1)天然再力花秆具有丰富的固有导管通路和纤维壁,可通过毛细作用力为顶部快速供水,为开发新型太阳能水蒸发器提供思路。受植物蒸腾作用启发,我们通过对天然再力花秆分别进行火焰碳化和管式炉碳化,从而提升其光捕获吸收及光热转换性能,在1个太阳光强辐照下,火焰碳化和管式炉碳化再力花秆水蒸发器分别实现1.33 kg·m-2·h-1和1.63 kg·m-2·h-1蒸汽产生速率。火焰碳化再力花秆水蒸发器可对人工模拟海水有效淡化,可以实现离子浓度近3个数量级的降低。此类蒸发器具有制备工艺简单、低成本、绿色环保等优点,有望作为一种便捷手段获取清洁水。(2)我们通过人工合成的方法制备了模仿再力花秆垂直取向孔道结构的磁性丝素蛋白硫化银气凝胶光热水蒸发器,在1 sun光照强度下可达到2.12 kg·m-2·h-1的蒸发速率。此外,通过一系列抗菌实验可以说明,该气凝胶具备抑制生物污损性能,可有效抑制大肠杆菌及金黄色葡萄球菌大量繁殖,保证蒸发器水传输孔道的通畅,为界面太阳能水蒸发器的长效使用提供保障。此外磁性纳米粒子使气凝胶具备磁响应性,为未来智能化水蒸发器的研究提供思路。
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