多孔纤维素基光热转换凝胶材料的制备及其性能研究

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水资源短缺是目前亟待解决的重要问题,太阳能水蒸发技术因其属于可再生清洁能源利用、无二次污染、成为当前研究热点之一。本论文为实现高效、绿色的太阳能水蒸发,选择来源广泛、可自然降解、亲水性强的天然纤维素为基体材料,通过溶胶-凝胶法制备多孔纤维素凝胶材料,并在此基础上与宽带吸收的碳基材料复合,制备出结构可调的界面型多孔纤维素基光热转换凝胶材料。具体研究内容如下:(1)分别以氯化锌水溶液和尿碱溶液为溶解体系,通过溶胶-凝胶法制备多孔纤维素凝胶材料(PCG),探究了纤维素含量对PCG结构的影响。研究发现,可通过调整纤维素含量实现对PCG结构的调控,在氯化锌水溶液体系中,纤维素含量为5 wt.%时,所制备的PCG具有高孔隙率、多级孔径三维网络结构;在尿碱体系中,纤维素含量为7 wt.%时,所制备的PCG孔隙率较高,孔径分布窄,形成蜂窝状孔隙结构。(2)以氯化锌水溶液作为溶解体系,通过杂化不同尺寸的导电碳基材料即微米级的活性炭(AC)和纳米级的多壁碳纳米管(CNTs),制备出活性炭/多孔纤维素光热转换凝胶材料(AC-PCG)和多壁碳纳米管/多孔纤维素光热转换凝胶材料(CNTs-PCG),探究了导电碳基材料含量对其结构和水蒸发性能的影响。通过研究发现:在1 k W·m-2的光照强度下,当AC含量为1.5 wt.%和CNTs含量为0.1 wt.%时,所制备的AC-PCG和CNTs-PCG最高水蒸发速率分别为1.239 kg·m-2·h-1和1.106 kg·m-2·h-1,相应的水蒸发效率分别为80.1%和70.0%,其中水蒸发速率分别是纯水对照组(0.563 kg·m-2·h-1和0.516 kg·m-2·h-1)的2.6和2.3倍,最高温度分别可达42.1℃和40.6℃。(3)以尿碱溶液作为溶解体系,分别加入AC和CNTs制备出AC-PCG和CNTs-PCG,同样探究了AC和CNTs的添加量对多孔纤维素基光热转换凝胶材料的结构和水蒸发性能的影响。通过研究表明:在1 k W·m-2的光照强度下,当AC的含量为3.5 wt.%和CNTs含量为0.2 wt.%时,所制备的AC-PCG和CNTs-PCG最高的水蒸发速率分别为1.021 kg·m-2·h-1和1.274 kg·m-2·h-1,相应的水蒸发效率分别为66.5%和82.3%,是纯水对照组(0.263 kg·m-2 h-1和0.307 kg·m-2 h-1)的3.6倍和4.2倍,最高温度分别可达43.2℃和44.4℃。
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