离子液体耐盐型太阳能界面蒸发系统的构建及其性能研究

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水是人类赖以生存和发展的生命源泉,人类社会的生存和发展都离不开水资源。我国人口众多,淡水资源总量少,是全球水资源最为贫乏的国家之一。随着人口增长、气候变化和水源污染,淡水资源短缺日益严峻,严重威胁着现代社会的可持续发展。为了有效缓解淡水资源短缺问题,离子交换法、反渗透膜法、电渗析法、蒸馏法等多种海水淡化技术已被广泛研究。然而,这些海水淡化技术通常伴随着巨大的能源消耗,严重阻碍了其大规模应用。近年来,随着太阳能蒸发技术的深入研究和光热转换材料在能源领域的蓬勃发展,科研工作者提出了新型太阳能驱动界面蒸发(ISSG)技术。此技术直接将太阳辐照产生的能量定位在光热材料上表面的薄层空气-水界面处,与传统蒸发技术相比,在最大限度上减少了能量损失,有效提高了光热转换效率。经过近几年的探索,太阳能驱动界面蒸发系统的研究发展迅速,已报道了以金属纳米材料、半导体材料、碳基材料和有机聚合物材料等为光热转换材料的多种太阳能驱动界面光热蒸发系统。然而,从太阳能界面蒸发系统的发展趋势来看,进一步提高界面蒸发系统耐盐性能,拓宽界面蒸发系统的应用仍是该领域的研究焦点。由于太阳能驱动界面蒸发器在高浓盐水、油水或有机污染废水中很容易出现盐的析出、油渍的聚集、染料的富集,从而严重堵塞材料的孔道,影响其太阳光吸收能力和水分子的传输,从而降低界面蒸发系统的蒸发效率和使用寿命,因此通过合理设计提高蒸发系统的耐盐和抗污性能具有重要意义。基于此,本论文拟利用离子液体的离子基团对盐溶液中离子的排斥效应,选用离子液体接枝材料或聚离子液体喷涂的方法提高界面蒸发系统的耐盐性能,通过对界面蒸发系统表面进行亲水疏油改性提高其抗污性能,并对所制备材料的光热转换效率和耐盐、抗污性能进行了测试,初步探讨了影响离子液体耐盐界面蒸发系统光热转换效率的主要因素和耐盐、抗污机理。论文研究的主要内容及研究结论如下:(1)以1-烯丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐为单体,溴化铜为催化剂,偶氮二异丁腈为引发剂,预处理后的二氧化硅(Si O2-Cl)为载体,N,N-二甲基甲酰胺为溶剂,通过原子转移自由基聚合(ATRP)反应,制备得到接枝离子液体的二氧化硅(Si O2-PILs)。再将Si O2-PILs与淀粉掺杂糊化后制备得到水凝胶,最后在水凝胶的上表面通过喷涂的方法原位合成聚吡咯吸光层制备得到Si O2-PILs/starch。Si O2-PILs/starch的孔隙率为60.56%,总孔面积为0.195 m~2g-1,湿态下的导热系数为0.411 W m-1K-1,黑色上表面的光吸收率为91%,呈现良好的亲水性和回弹性。基于Si O2-PILs/starch的大孔结构、低的导热系数、优异的光吸收性能和良好的水传输能力。在1 k W m-2太阳光照强度下的测试条件下,Si O2-PILs/starch作为太阳能驱动界面蒸发器的光热转换效率为91.72%,并对20wt%Na Cl溶液表现出优异的长期耐盐性能,对模拟染料废水和含细菌废水也具有良好的净化效果。(2)以1-乙烯基-3-己基咪唑四氟硼酸盐为单体,偶氮二异丁腈为引发剂,N,N-二甲基甲酰胺为溶剂,通过自由基聚合制备得到具有优异抗菌性能的聚离子液体(PILs)。再以乙基纤维素(EC)为原料,通过溶剂挥发法制备得到乙基纤维素微球(ECM)。将海藻酸钠(SA)和ECM混合,Ca2+溶液为交联剂,采用定向冷冻的方法,制备得到具有定向排列孔道结构的乙基纤维素微球气凝胶(ECM-PILs),对气凝胶外表面通过原位聚合法合成聚吡咯(PPy)作为吸光层,最后在底部和侧面喷涂PILs,制备得到PPy-ECM-PILs。PPy-ECM-PILs具有良好的亲水性、较强的太阳吸收率(约98%)、较低的湿态导热系数(0.2064 W m-1K-1)和较低的表观密度(0.31 g cm-3),且在1 k W m-2太阳光照强度下,纯水的蒸发速率高达1.603 kg m-2h-1。得益于PPy-ECM-PILs的垂直排列的通道,即使在高浓度盐水中也表现出良好的耐盐性能(在20 wt%Na Cl溶液中蒸发效率为78.78%)。此外,PPy-ECM-PILs具有良好的抗菌性能。(3)以1-乙烯基-3-丁基咪唑溴盐为单体,N,N’-羰基二咪唑为键合剂,偶氮二异丁腈为引发剂,脱墨后的废报纸(DNP)为载体材料,二甲基亚砜(DMSO)为溶剂,通过原子转移自由基聚合(ATRP)反应,制备得到离子液体接纸废报纸气凝胶(INP),为增加其在含油废水中的适用性及稳定性,对其底面和侧表面喷涂具有亲水疏油的聚合物PDDA-PFO/Si O2,制备得到具有良好耐盐疏油性能的太阳能蒸发器(OR-INP)。OR-INP得益于在湿态下太阳的广泛吸收(约92%)、低的导热系数(0.1108 W m-1K-1)、强大的水输送能力,强的亲水疏油性能,在1 k W m-2太阳光照强度下,在纯水、20 wt%Na Cl和5 wt%含油废水的光热转换效率分别高达93.25%、84.96%和78.46%。此外,气凝胶对含有有机染料、重金属离子或细菌的模拟废水也具有良好的净化效果。
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