【摘 要】
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众所周知,地球上的淡水资源十分有限。地表水和地下水的净化、大气水的收集以及海水的淡化有望减轻淡水短缺问题。太阳能水净化和相关热管理作为一种可持续的新兴技术,是解决淡水资源短缺的重要手段,其中界面水蒸发系统因具有理想的太阳能热转换效率和可重复使用性而备受关注。作为光吸收器的光热材料,其光热转换的效率与长时间使用的稳定性成为了研究人员关注的焦点。在蒸发过程中,各种因素如海水淡化带来的盐沉积,水样中的酸
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众所周知,地球上的淡水资源十分有限。地表水和地下水的净化、大气水的收集以及海水的淡化有望减轻淡水短缺问题。太阳能水净化和相关热管理作为一种可持续的新兴技术,是解决淡水资源短缺的重要手段,其中界面水蒸发系统因具有理想的太阳能热转换效率和可重复使用性而备受关注。作为光吸收器的光热材料,其光热转换的效率与长时间使用的稳定性成为了研究人员关注的焦点。在蒸发过程中,各种因素如海水淡化带来的盐沉积,水样中的酸碱成分的腐蚀等对光吸收器不可避免会造成影响,使蒸发速率下降。借助光热材料不同层次的孔隙与空间的维度协同,光吸收器的吸光性与蒸发效率能有较大的提升,有效避免盐沉积,延长光吸收器的使用寿命。基于此,本论文致力于多孔光热纳米材料的制备与太阳能界面水蒸发性能的研究。具体研究内容如下:1.将具有强光吸收和低热导率特点的Co@C/NCNT负载于亲水性的尼龙膜上,得到具有Janus膜特征的Co@C/NCNT光热膜。由Co@C/NCNT光热膜构成的界面蒸发系统,在自然蒸发速率为0.24 kg·m-2·h-1,光照强度为1 kW·m-2的模拟太阳光照射下,其蒸发速率能够达到1.55 kg·m-2·h-1,蒸发效率高达90.37%,且在10个循环内能保持稳定。此外,废水净化过程测试的产水速率与纯水的蒸发速率相差无几。Co@C/NCNT光热膜蒸发系统的离子截取率可达99%以上,能达到理想的净水效果。2.为进一步延长光吸收器的使用寿命,选择金属泡沫镍作为基底制备得到无须后续处理就能直接使用的复合光热材料Co-NCNT/NF。该材料除了具备碳纳米管的强吸光性特点,泡沫镍基底的大孔径,在增加对光捕获的同时,也能保证水的向上输运。在自然蒸发速率为0.23 kg·m-2·h-1,光照强度为1 kW·m-2的模拟太阳光照射下,蒸发速率则能达到1.65 kg·m-2·h-1,蒸发效率高达97.47%,并在20个循环内保持稳定。作为普适的太阳能净水系统,各类水样在净化过程中的产水量能够保持在1.6-1.7 kg·m-2·h-1范围内。通过不同测试方法与技术手段对净化效果进行评价。引入温差发电片对光热转换性能进一步测试,证实了Co-NCNT/NF能对光能迅速响应,表面温度陡然上升会产生对应的电压。3.通过对泡沫镍进行原位硫化制得了对光能进行宽带吸收的Ni3S2纳米片。纳米片的附着改善了原本泡沫镍骨架的粗糙度与大孔径,黑色的Ni3S2/NF表现出超高的吸光性能和超亲水表面,可直接适用于光热水蒸发系统。在光照强度为1 kW·m-2的模拟太阳光照射下,空白组的蒸发速率为0.38 kg·m-2·h-1,泡沫镍为0.82 kg·m-2·h-1,Ni3S2/NF能够达到1.28 kg·m-2·h-1,蒸发效率分别为24.0%、55.7%和87.2%,Ni3S2/NF能在15个循环内保持稳定。在不同水样条件下,Ni3S2/NF依旧保持相对较高的产水量和良好的净水效果,Ni3S2/NF的大孔径还能克服海水淡化过程中盐堆积导致的产水量下降问题,Ni3S2/NF的可洗涤性赋予了它预期的可回收特点。利用光热吸收器与水之间固有的温差,将温差发电片引入蒸发器中,设计了集成光-热-电能量转化的多功能装置,将太阳能净水与温差发电相结合。在光照强度为1 kW·m-2的模拟太阳光的辐照下,能实现最大输出功率为0.175 W·m-2。太阳能蒸汽净水热管理与协同电力生产不仅可以进一步提升对太阳能的利用率,还可以满足日益增长的清洁水和电力的需求。
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