【摘 要】
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近两年,出现了一种新的海水淡化技术——太阳能界面蒸馏。由于其无需外加能源、操作简单等特点,是一项可以作为面向特殊条件供水的新兴技术。该技术把太阳能转化为热能加速水体蒸发,通过水的相变实现水和水中杂质的分离。然而,在海水或者地表水中普遍含有成分复杂的有机物,水的相变过程可以有效分离无机盐,对有机物的分离效果却不尽人意。因此,去除太阳能界面蒸馏中蒸出的有机物是一项很有意义,也是很有必要的工作。针对这个
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近两年,出现了一种新的海水淡化技术——太阳能界面蒸馏。由于其无需外加能源、操作简单等特点,是一项可以作为面向特殊条件供水的新兴技术。该技术把太阳能转化为热能加速水体蒸发,通过水的相变实现水和水中杂质的分离。然而,在海水或者地表水中普遍含有成分复杂的有机物,水的相变过程可以有效分离无机盐,对有机物的分离效果却不尽人意。因此,去除太阳能界面蒸馏中蒸出的有机物是一项很有意义,也是很有必要的工作。针对这个问题,本工作研究了太阳能界面蒸馏中有机物的蒸出情况;随后,对蒸馏膜进行改性,引入催化功能,在蒸馏膜内原位降解蒸出的有机物。目前所取得的研究成果如下:首先以苯酚等挥发性物质、牛血清蛋白等不挥发物质为模型污染物,考察模型污染物在太阳能蒸馏中的蒸出情况,挥发性有机物苯酚等可以大量地从原水中蒸出,蒸出比例都在50%以上;非挥发有机物牛血清蛋白、腐殖酸、罗丹明B、葡萄糖溶液也可以在太阳能蒸馏中蒸出,蒸出比例分别为16.2%、7.7%、13.0%、14.6%。随后又以实际地表水和海水为蒸馏对象,研究复杂水质条件下,有机物的蒸出情况。不同的地表水样,有机物蒸出比例不同,白洋淀水样有机物蒸出比例最低,原水TOC为10.58 mg/L,收集冷凝水TOC为3.14 mg/L,有机物蒸出比例为29.7%。右江水样有机物蒸出比例最高,原水TOC为1.26 mg/L,冷凝水TOC为0.78 mg/L,有机物蒸出比例为61.9%。结合三维荧光分析技术研究太阳能界面蒸馏前后水质变化,发现亲水的蛋白类物质较容易被蒸出,而疏水的腐殖质较难被蒸出。推测有机物的蒸出与有机物分子和水分子形成的氢键有关,与水形成的氢键越多,有机物分子越容易被蒸出。蒸馏不同分子量的聚乙二醇溶液,随着聚乙二醇分子量的增加,聚乙二醇分子与水分子形成的氢键增多,蒸出的比例也随之变多。由于水中有机物易蒸出,通过材料改性的方法将过硫酸盐活化功能引入太阳能蒸馏膜,从而实现蒸出有机物的原位降解。首先通过浸渍煅烧的方法将钴锰复合金属氧化物生长在碳纤维膜上（C/Mn Co）。C/Mn Co纤维膜的太阳能吸收率为94.58%,蒸馏速率为1.29 kg m-2 h-1。C/Mn Co纤维膜蒸馏10 mg/L苯酚溶液的时候,蒸馏冷凝水苯酚浓度为10.20 mg/L（苯酚蒸出率为102%）,在待蒸苯酚原溶液内分别加入PMS和PDS,苯酚蒸出率降为40.2%和50.4%。又以C/Mn Co纤维膜太阳能界面蒸馏松花江水,无氧化剂情况下,TOC蒸出率为56.6%,分别加入PMS和PDS,TOC蒸出率降为15.0%和21.8%。结合电子顺磁共振检测技术,发现PMS和PDS在氧化过程中起主要作用的都是·OH。C/Mn Co纤维膜活化过硫酸盐也能有效降解高盐水中蒸出的有机物。虽然过硫酸盐活化可以有效降解太阳能界面蒸馏中蒸出的有机物,但是需要源源不断地投加氧化剂,在实际使用中操作不便利。为此,需要一种无需投加氧化剂又能源源不断降解蒸出有机物的技术。首先通过溶胶凝胶法和高温还原法将m-TiO2-x包覆在SiO2纤维外面形成m-TiO2-x壳层,得到黑色的m-TiO2-x纤维膜,太阳能吸收率为82.2%,太阳能界面蒸馏速率为1.08 kg m-2 h-1,光-汽转换效率为73.3%。m-TiO2-x纤维膜蒸馏体系中,无光照,体相加热蒸馏收集到的冷凝水中苯酚浓度为10.5 mg/L（蒸出率为105%）;光照时,太阳能界面蒸馏中苯酚蒸出率为4.5%。以实际松花江水为蒸馏对象,无光照时,体相加热蒸馏中TOC蒸出率为47.3%;光照时,太阳能界面蒸馏中TOC蒸出率为20.1%。该过程中m-TiO2-x既充当光热转换材料,又充当光催化材料。m-TiO2-x内部电子被辐照激发跃迁到高能级以后,小部分激发电子与m-TiO2-x表面的O2分子结合生成超氧自由基,大部分电子弛豫过程中与空穴复合,进而放热。同时,m-TiO2-x纤维膜具有很好的机械性和抗腐蚀性,循环浸泡使用30天以后,催化性能没有下降。本课题首先研究了太阳能界面蒸馏中有机物的蒸出情况。通过蒸馏膜改性,引入了过硫酸盐活化功能和光催化功能,实现了太阳能界面蒸馏中蒸出有机物的有效去除。在接下来的研究工作中,可进一步深挖有机物的蒸出规律,尝试代入数学模型,同时可以进一步优化蒸馏膜的催化活性,使其降解有机物的性能更好。
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