【摘 要】
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淡水资源是人类社会以及各种生物生存和发展的重要因素。然而,随着现代工业的飞速发展、人口急速增加以及环境污染加剧,淡水资源短缺问题日益凸显。为了满足人类对淡水的需求并实现对能源和环境的保护,利用太阳能作为唯一输入能源的太阳能驱动界面蒸发技术成为了当前解决水资源危机的有效办法并受到了科研人员的广泛关注。然而,很多太阳能蒸发器在实际的应用中都患有机械性能差的问题并且在蒸发器处理海水时,表面盐结晶的问题使
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淡水资源是人类社会以及各种生物生存和发展的重要因素。然而,随着现代工业的飞速发展、人口急速增加以及环境污染加剧,淡水资源短缺问题日益凸显。为了满足人类对淡水的需求并实现对能源和环境的保护,利用太阳能作为唯一输入能源的太阳能驱动界面蒸发技术成为了当前解决水资源危机的有效办法并受到了科研人员的广泛关注。然而,很多太阳能蒸发器在实际的应用中都患有机械性能差的问题并且在蒸发器处理海水时,表面盐结晶的问题使其无法稳定高效地工作。此外受昼夜循环影响,大多数太阳能驱动界面蒸发系统只能在白天工作,这种间歇性操作对于实际应用非常不利,因此,设计和制备维持高效稳定蒸发的同时打破昼夜循环间歇性操作的太阳能蒸发器具有实际意义。基于此,本课题的研究将从光热转换材料的制备、蒸发器结构优化以及缓解间歇性操作问题等方面考虑,制备系列太阳能驱动界面蒸发系统。论文的主要研究内容如下:(1)以甲基橙(MO)为模板、吡咯(Py)为单体、氯化铁为催化剂,通过调节甲基橙与吡咯的摩尔比以及吡咯单体浓度合成了不同微观形貌的气凝胶PPy0.5、PPy1和PPy2。结果表明,优化后的气凝胶PPy1由超长聚吡咯纳米管相互缠绕交联形成三维网状结构,并且具有良好的机械性能,在30%形变下的抗压强度为2.47 k Pa。此外,将气凝胶经等离子体处理后作为太阳能蒸发器,气凝胶PPy1-P表现出较强的光吸收和超亲水性,可在1 k W m-2光照下实现1.41 kg m-2 h-1的蒸发速率和81.6%的光-汽效率。即使在高浓度Na Cl溶液中(20%),其光-汽效率也能达到74.5%。(2)以超长聚吡咯纳米管气凝胶作为内层的光热转换层,以海藻酸钠交联的亚麻纤维气凝胶作为外层水传输层,设计了一种隔离式三维漏斗太阳能蒸发器(F-PPy),在此基础上通过在聚吡咯气凝胶内部引入十八烷最终形成蒸发器O-PPy。研究发现,F-PPy蒸发器1 k W m-2光照条件下光照1小时后关灯15分钟内表面温度由38.3℃降低至初始温度,其蒸发速率和光-汽效率分别为2 kg m-2 h-1和80.2%。而由于相变材料的存在,O-PPy蒸发器在光照时同时实现水蒸发和能量储存并可在关灯后持续蒸发30分钟,最终实现高达2.38 kg m-2 h-1的蒸发速率和86.5%的光-汽效率。不仅如此,O-PPy蒸发器具有外部亲水内部疏水的双层结构,且外部亚麻纤维气凝胶具有优异的水传输性能。因此,O-PPy蒸发器在高浓度Na Cl溶液中依然能保持高效稳定的蒸发,其光-汽效率可达到77.8%,显示出优异的抗盐析能力。(3)将负载有十八烷的碳化超长聚吡咯纳米管气凝胶(Cppy)置于球形容器中作为相变储能部分,在球形容器表面缠绕聚吡咯浸渍的尼龙线(PNT)作为光热转换部分,并将该蒸发器命名为Cppy-O。研究发现,通过结合光热转换材料和相变材料,所制备的Cppy-O蒸发器具有优异的蒸发性能和储能性能,在1 k W m-2光照条件下1小时后关灯,该蒸发器可利用光照时储存的能量持续蒸发1小时15分钟,达到2.62 kg m-2 h-1的蒸发速率以及92.7%的光-汽效率,并且在光照6小时后关闭模拟灯可持续蒸发4小时10分钟。受益于PNT强大的水传输性能,该蒸发器可在高浓度Na Cl溶液中(20%)然能实现高性能蒸发且光-汽效率达到85.3%,并且在3.5%Na Cl水溶液中连续蒸发6小时无明显盐析现象。此外,在户外实验中,该蒸发器可在自然光照下实现产水量分别为8.42 L m-2(白天)和1.22L m-2(夜间),这对打破太阳能界面蒸发系统昼夜间歇运行具有实际意义。
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