木材表面亲疏水调控策略及高效太阳能蒸发材料的制备

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淡水资源短缺已经成为制约人类社会发展的重要问题。海洋水约占全球总水量的96.5%以上,在此背景下,海水淡化逐渐成为获取淡水的重要途径。太阳能作为一种可持续绿色能源,利用太阳能界面蒸发获取淡水的技术得到了广泛的关注。太阳能蒸发器开发和结构设计是目前研究热点问题之一,尤其以天然木材为基底的太阳能界面蒸发器引起了研究人员的广泛关注。许多光热材料,例如碳基材料、聚合物、半导体和金属纳米颗粒等,多被用于太阳能水热蒸发涂层。但以界面加热为基础的太阳能海水淡化技术仍存在着太阳能吸收率不佳、产生蒸汽通量较低和表面结垢等问题,需要围绕木材基底和光热转化涂层进行深入研究。基于此,本论文设计了具有不同表面浸润性的木材蒸发器,防止其表面结垢并提高蒸汽产生效率,主要的工作内容如下:(1)木材表面疏水调控策略。通过简单的浸渍法制备表面疏水性稳定耐用的改性木材,并探究不同价态离子、烘干温度、浸渍时间等对水接触角的影响;(2)在第一个工作的基础上,设计上层疏水、下层亲水的双层木材蒸发器。引入半导体四氧化三铁(Fe3O4)作为光热转换剂,聚乙烯醇(PVA)作为交联剂,制备稳定性好、自再生的Fe3O4涂层脱木质素木材蒸发器(Fe-D-Wood),来提高太阳能热水蒸发效率;(3)为进一步提高木材基太阳能蒸发器的蒸发速率,以氢氧化铜(Cu(OH)2)作为牺牲模板,制备了以木材为基础的MOF蒸发器,即铜基有机骨架木材(Cu-CAT/Wood)。论文开展的工作具体如下:(1)提出了一种简便有效的方法来提升木材表面的疏水性和耐损伤性,即金属离子诱导表面改性。通过将原始木块浸泡在盐溶液中,然后干燥,修饰过的木材表面表现出疏水行为。其中,高价态的Zr4+离子改性木材(Zr-Wood)的表面改性效果最为显著。垂直于木材生长方向的表面水接触角为145 o,而垂直于木材生长方向的表面水接触角为139 o。同时,对Zr-Wood的耐磨性和耐久性进行了研究,结果表明,Zr-Wood具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。亲水性到疏水性的转变归因于离子和羟基之间金属配合物的形成。这种简便的表面浸润性调控方法对拓展木材的使用很有前景。(2)采用疏水表层Fe3O4和脱木素木材基构筑木材蒸发器。其中半导体Fe3O4作为光吸收剂,PVA作为交联剂,脱木素木材为传输水分、蒸汽逸出和减少热传导的隔热层。结果表明,Fe3O4涂层脱木质素木材的蒸发速率为1.3 kg m-2 h-1,热转化效率为73%。另外Fe3O4带隙较窄,只有0.8 e V,其具有较宽的吸光性能;PVA的引入增强了Fe3O4与木材基底的亲合力。木材蒸发器还具有良好的防污性能,产生这种自再生能力的原因有三个:一是盐难以结晶沉积在疏水层上;二是PVA分子作为分离膜阻止盐离子进入上表层;三是脱木素底层的快速吸水促进了盐在水体中的再溶解。这种以木材为基础的蒸发器在实际的脱盐应用中具有很大的发展潜力。(3)为了进一步提高蒸发器的水蒸发速率,采用水热法在木材膜表面原位合成MOF,制备了Cu-CAT/Wood。该材料有良好的亲水性,在进行光热转换时可以高效传输水分。不仅如此,其在250-2500 nm处有良好的光吸收能力,在模拟光(1 k W m-2)的照射下,其表面温度可以从26 oC快速上升到54 oC,高于同等条件下木材表面的温度(38 oC),水蒸发速率可以达到1.8 kg m-2 h-1,热转换效率为82%。即使介质表面覆盖一层植物油及在油水混合乳液中,该木材膜仍然具有良好的蒸发性能。连续光照120 h,薄膜的光吸收能力和水蒸发速率仍然保持稳定,显示出了优异的循环稳定性。本文开发的Cu-CAT/Wood蒸发器成本低廉且有优异的抗油污污染能力,在废水处理领域有巨大的应用潜力。
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