多孔聚合物泡沫的制备及其太阳能界面蒸发性能的研究

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水是人类赖以生存和发展的重要物质基础。随着世界人口的急剧增长、工业化水平的不断提高,水污染问题日益加剧,人类社会正面临着严峻的淡水资源紧缺问题,解决这一问题首选的途径是利用清洁能源进行经济高效的海水淡化。太阳能驱动海水淡化技术既能利用绿色能源生产清洁水,还能缓解化石能源短缺问题。太阳能界面蒸发技术无需对整个水体加热,仅在水体与空气的界面处通过蒸发器利用太阳能加热水面产汽,极大地提高了蒸汽转化效率,将太阳能驱动海水淡化技术向前推进了一大步,是目前该领域的研究热点。蒸发器的设计是太阳能界面蒸发系统的研究基础和关键问题。等离激元金属,碳,有机多孔聚合物,天然生物质以及水凝胶等光热材料已被用于制备界面蒸发器。通过人们不断的探索,蒸发器的蒸汽转化效率不断提高。然而,大多数蒸发器材料存在成本过高,稳定性差等缺点,而且海水中的盐分有可能沉积在蒸发器表面导致效率大大降低甚至失去海水淡化的能力。因此,设计和制备成本低廉,光热产汽性能优异,具有良好耐盐性能和可加工性的蒸发器是今后太阳能海水淡化领域的研究重点。针对现有光热材料制备工艺复杂,成本过高以及能量转换效率与耐盐性能不佳等问题,本课题以价格低廉的大宗化学品为原材料,采用简单的一锅合成或改性的方法,制备了一系列具有低表观密度和导热系数的有机多孔聚合物泡沫,通过调控孔性能,表面浸润性能以及光学吸收性能等,实现光吸收、水输运、隔热、光热转换以及耐盐性能的协调和强化,为太阳能海水淡化和工业废水处理等领域提供高性能低成本的光热材料,为蒸发器的可规模化生产提供新的设计思路。论文研究的主要内容及结论如下:(1)以苯乙烯为单体,二乙烯苯为交联剂,1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐为致孔剂,在四氢呋喃/水的二元溶剂中通过水热法制备出交联芳香族多孔聚合物泡沫(PDVB-PS)。PDVB-PS具有可控的多孔结构,低的表观密度及低热导率(0.038 W·m-1·k-1)。进一步利用海藻酸钠和聚吡咯(PPy)对PDVB-PS进行表面改性,改性后的多孔聚合物泡沫(PPy-M-PDVB-PS)展现出超亲水性(水接触角为0°)和高的光吸收能力(90%)。太阳能蒸发测试中,PPy-M-PDVB-PS作为蒸发器在一个太阳光辐射强度下的太阳能蒸汽转化效率可达87.6%。(2)以苯乙烯和1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐为单体,N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,在四氢呋喃/水的二元溶剂中通过水热法制备出超亲水多孔聚合物泡沫(VMP)。VMP具有良好的机械性能,高的孔隙结构(孔隙率达73.81%),低的表观密度及低热导率(0.032 W·m-1·k-1)。PPy-VMP蒸发器在一个太阳光辐射强度下,太阳能蒸汽转化效率高达88.3%。单体中离子液体的加入,使制备的VMP在太阳能海水淡化过程中可以实现快速的水传输,在材料表面及时补充蒸发消耗的水分,不仅促进了太阳能蒸汽转化效率的提高,更是防止盐颗粒在蒸发器表面的析出与聚集。(3)以对苯乙烯磺酸钠为单体,N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,制备出超亲水的有机多孔聚合物泡沫(HPSS)。接着在HPSS表面原位生长Fe3O4粒子,之后通过液相界面反应表面聚合吡咯,构建二元吸光层,合成蒸发器(HPSS/Fe3O4/PPy)。与具有单一吸光层PPy的蒸发器(HPSS/PPy)对比,探讨HPSS/Fe3O4/PPy的光吸收性能和光热转化能力。HPSS/Fe3O4/PPy具有更强的光热转换能力及稳定性。HPSS/Fe3O4/PPy在一个太阳光辐射强度下,太阳能蒸汽转化效率高达94.7%,在模拟海水中和高浓度盐溶液中依然保持光热产汽的稳定性。此外,HPSS/Fe3O4/PPy具有磁性,使该蒸发器在实际应用场景中便于定位及回收。(4)以黑色的聚乙烯发泡棉EPE-1为原料,利用浓硫酸,五氧化二磷和过硫酸钾组成的混合氧化体系对其进行改性,改性后的泡沫M-EPE在保持了EPE-1强韧机械性能和低导热能力的同时,还具备超亲水表面以及更强的光吸收能力。将其作为蒸发器应用于太阳能驱动界面蒸发体系,发现M-EPE的蒸汽转化能力受泡沫厚度、孔径以及孔类型等因素影响,通过实验得出:泡沫厚度为5 mm,孔径为0.5 mm的斜孔泡沫(M-EPE-5)具有最优的蒸汽转化能力。M-EPE-5在一个太阳光辐射强度下,太阳能蒸汽转化效率高达93.8%。
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