【摘 要】
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界面式太阳能海水淡化技术是一种能够解决淡水危机的绿色、可持续的重要策略。聚合物光热转换材料具有成本低、成膜性好以及光热转换效率高等优点,同时,石墨烯是一种具有太阳能广谱宽带吸收、机械性能高等优点的新兴二维纳米材料。因此,本论文以高光热转换及低热导率的聚苯胺(PANI)膜为研究基础,通过对其进行掺酸改性,提高膜在近红外波段的光吸收率;再利用石墨烯与该改性膜进行复合改性制备光热转换性能更好的石墨烯-聚
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界面式太阳能海水淡化技术是一种能够解决淡水危机的绿色、可持续的重要策略。聚合物光热转换材料具有成本低、成膜性好以及光热转换效率高等优点,同时,石墨烯是一种具有太阳能广谱宽带吸收、机械性能高等优点的新兴二维纳米材料。因此,本论文以高光热转换及低热导率的聚苯胺(PANI)膜为研究基础,通过对其进行掺酸改性,提高膜在近红外波段的光吸收率;再利用石墨烯与该改性膜进行复合改性制备光热转换性能更好的石墨烯-聚苯胺复合膜。首先,采用浸没沉淀相转化法(NIPs)制备聚苯胺膜,然后对膜进行掺酸改性,研究了掺杂酸的种类对聚苯胺光热转化性能的影响。结果表明,掺杂对甲基苯磺酸(PTSA)改性聚苯胺-对甲基苯磺酸(PANI-PTSA)膜为微孔结构,改性膜的亲水性获得很大提高。其红外吸收较PANI原膜提高了18.5%,在整个太阳光谱范围内的平均吸收率较原膜提高了14.4%。由于其优良的光热转化性能,将PANI-PTSA膜应用于太阳能界面蒸发实验,在一个太阳光(1k W/m~2)照射下,水蒸发速率和太阳能转换效率分别为1.38 kg/(m~2h)和80.7%,较原膜均有显著提高。由于PTSA对阴离子带负电的SO3-的静电排斥效应使得Na+与Cl-分离,减少了蒸发器上的盐结晶。经过13次循环后,PANI-PTSA膜的蒸发率仍能保持在1.16 kg/(m~2h)左右,实验表明PANI-PTSA膜在太阳能海水淡化实验中具有一定的抗盐性能。然后,为了进一步提高光热转化性能,采用光热材料石墨烯(Gr)以抽滤自组装的方式制得石墨烯-聚苯胺(m PANI-Gr)光热膜。研究m PANI-Gr膜的光热和蒸发性能。结果表明,由于Gr与m PANI的共轭π键的协同作用以及Gr的宽带吸收使得m PANI-Gr1膜的红外光谱吸收较m PANI膜有所提升,在一个太阳光(1 sun)下,抽滤7 mg Gr的m PANI-Gr1膜的水蒸发速率和太阳能转换效率分别达到1.55 kg/(m~2h)和93.0%,Gr的掺杂减少了复合膜表面的盐沉积,提高了抗盐性能,使其在1sun下循环13次后仍保持相对稳定高效的蒸发性能。最后,通过共混的形式将石墨烯掺杂在聚苯胺膜中,由于Gr和m PANI之间π-π键共轭的协同作用使得复合膜的红外吸收有进一步提升,0.1Gr/m PANI膜的红外吸收最高达到91.0%,又由于Gr的全光谱的宽带吸收使得Gr/m PANI膜的全光谱吸收也获得很大提高,0.1Gr/m PANI膜的全光谱吸收可达89.3%,Gr/m PANI膜优越的孔结构和亲水性能也为界面蒸发提供良好条件,在界面蒸发实验中0.1Gr/m PANI膜的水蒸发速率升至1.66 kg/(m~2h),太阳能转换效率高达100%。在太阳能海水淡化实验中0.1Gr/m PANI膜在1sun下循环13次后模拟海水蒸发速率能保持在1.32 kg/(m~2h)左右,水蒸发速率和太阳能转换效率均没有明显下降。膜表面只有少量的盐沉积,验证了0.1Gr/m PANI膜具有良好的循环稳定性,是一种实用高效的太阳能界面蒸发和海水淡化材料。
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