【摘 要】
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水是人类赖以生存的必备自然资源,太阳光是生命的使者。合理利用能源与水的关系,从中生产淡水已经成为目前普遍解决淡水资源匮乏和能源短缺的途径。新型海水淡化技术中,尤其是光致界面海水淡化技术,由于其原料储备丰富、产物无污染且无需大型设备等优势引起了广泛的研究。然而,现有光致界面蒸发器对太阳光能的利用率并不高且易产生盐结垢的问题,因此本文选取具有价格低廉和制备方法简便等优点的纳米碳基材料为光致界面蒸发器基
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水是人类赖以生存的必备自然资源,太阳光是生命的使者。合理利用能源与水的关系,从中生产淡水已经成为目前普遍解决淡水资源匮乏和能源短缺的途径。新型海水淡化技术中,尤其是光致界面海水淡化技术,由于其原料储备丰富、产物无污染且无需大型设备等优势引起了广泛的研究。然而,现有光致界面蒸发器对太阳光能的利用率并不高且易产生盐结垢的问题,因此本文选取具有价格低廉和制备方法简便等优点的纳米碳基材料为光致界面蒸发器基底材料用于光致海水脱盐领域,主要研究内容如下:（1）基于静电纺丝技术制备了一种还原氧化石墨烯/聚丙烯腈膜纳米纤维光致界面蒸发器膜。利用扫描电子显微镜、紫外-可见-近红外光谱仪等表征方法,系统研究了蒸发器膜的微观结构。结果显示界面蒸发器膜的内部由平均直径约为600 nm的纳米纤维交叉堆叠和大量孔组成,在整个紫外-可见-近红外波段的吸光能力达到了80%以上。碳基材料与电纺膜结构二者的协同作用使得所制界面蒸发器在1 kW m-2标准光强照射下,蒸发速率可达到1.46 kg m-2 h-1,光热转换效率达到89.4%。此外,所制备的光致界面蒸发器通过太阳能淡化后获得的冷凝水符合可利用淡水标准,具有良好的应用前景。（2）针对静电纺丝光致界面蒸发器在光致海水淡化中由于长时间的热局部性和界面蒸汽的快速形成造成的盐结垢的问题,受水凝胶材料自身功能的启发,将静电纺丝技术与水凝胶材料相结合应用于光致界面蒸发器膜的开发。利用简单化学交联法制备了一种纳米纤维凝胶膜,由于富含亲水性基团且由纳米纤维构成的输水通道确保了该膜优异的持续水供应能力。经过碳纳米管的掺杂,碳纳米管纳米纤维凝胶膜在整个紫外-可见-近红外波段的吸光能力达到了90%以上。在1 kW m-2标准光强照射下,该纳米纤维凝胶蒸发器的蒸发速率可达到2.16 kg m-2 h-1。此外,在长期盐水和真实海水中,其自清洁能力也保证了连续的高蒸发性能。在不同pH值废水、重金属废水和染料废水中均表现出优异稳定的净化效果,这些结果均展现了该蒸发器具有广泛的应用前景。（3）针对蒸发器的制备需要额外的支撑层,极大限制了在实际应用时的便携性的问题。利用萝卜为基底制备了廉价的一体式Janus结构光致界面海水淡化蒸发器,并验证了环境能量与太阳光能的协同作用将促进光致界面蒸发器的蒸发性能。结果显示,在1kW m-2光强照射下,该蒸发器蒸发速率可达到2.35 kg m-2 h-1,且光热转换效率达到121.6%。同时,得益于结构的改良,在盐度为20 wt%盐水中碳纳米管生物质膜可以10天保持2.00 kg m-2 h-1的蒸发性能,且盐去除率保持在99%以上,具有潜在的实际应用前景。本研究中,所制备的纳米碳基光致界面蒸发器均展现出优异的光热转换性能,并在光致界面海水淡化中表现出高效的脱盐能力,为海水淡化提供了一种快速、简便、绿色且经济效益高的方法。
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