【摘 要】
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利用太阳能生产清洁淡水是解决当前全球水资源短缺的一条重要思路。太阳能蒸馏技术是一种重要的利用太阳能生产清洁水的方式。因其绿色环保等特点,近年来得到了广泛关注。该过程模拟自然界中的水循环,利用太阳能加热海水或污水,通过冷凝蒸汽得到淡水。然而,在传统太阳能蒸馏加热蒸发水过程中,由于通过太阳能对水进行体相加热,导致热量损耗、蒸发效率不高等问题。为解决这一问题,利用光热转化材料通过太阳能界面加热的光热蒸汽
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利用太阳能生产清洁淡水是解决当前全球水资源短缺的一条重要思路。太阳能蒸馏技术是一种重要的利用太阳能生产清洁水的方式。因其绿色环保等特点,近年来得到了广泛关注。该过程模拟自然界中的水循环,利用太阳能加热海水或污水,通过冷凝蒸汽得到淡水。然而,在传统太阳能蒸馏加热蒸发水过程中,由于通过太阳能对水进行体相加热,导致热量损耗、蒸发效率不高等问题。为解决这一问题,利用光热转化材料通过太阳能界面加热的光热蒸汽转化技术应运而生。该技术由于其能量利用率高、水蒸发速度快等优势在光热蒸汽转化领域得到了快速发展。太阳能界面光热蒸汽转化技术通过利用光热转化膜吸收太阳光能并转化为热能对水的表面局部加热,从而提高水的蒸发速率和能量利用率。光热转化膜作为太阳能界面光热蒸汽转化技术的核心,其界面性质对光热膜的加热性能具有重要影响。此外,用于太阳能光热蒸汽转化的光热膜使用过程中需长时间浸入到高盐水中,由此带来的膜污染也将影响太阳能界面光热蒸汽转化效率。本论文以聚合物光热转化材料为基础,通过对聚合物光热膜和聚合物光热水凝胶的界面性能的优化,探讨了光热膜界面性质对光热材料界面加热性能影响,并在此基础上设计并制备了具有防污能力的两性聚电解质光热水凝胶用于太阳能界面蒸汽转化应用。本论文的主要研究内容与结果如下:(1)探明了聚合物光热转化膜界面性质对光热材料界面加热性能的影响规律。以聚吡咯光热膜为研究对象,通过改变聚合反应条件来调控表面粗糙度,通过化学气相沉积在聚吡咯膜表面引入不同的官能团进而调控膜的表面化学组成,从而对光热转化膜的界面性质进行调控。通过对具有不同表面粗糙度和化学组成的聚吡咯光热膜润湿性、界面传热性能以及在太阳能界面蒸汽转化中蒸发速率的研究,探讨聚合物光热膜的界面性质对光热转化过程中的加热性能的影响。结果表明,提高表面粗糙度和引入亲水官能团可有效降低界面热阻,从而提升光热膜材料的界面加热性能。该部分工作为设计制备高能量转化效率的界面加热系统奠定了基础。(2)发展了具有抗盐污染能力的两性聚电解质光热水凝胶材料实现稳定光热蒸汽转化。以两性离子甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱(SBMA)为单体,N,N-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)为交联剂,通过加入氧化石墨烯(GO),利用溶液聚合并结合氢碘酸还原氧化石墨烯,最终得到具有优异光热性能的两性聚电解质/还原氧化石墨烯(PSBMA/r GO)光热水凝胶,并对其表面形貌、化学组成、光学性能与水蒸发性能进行表征。结果表明,该两性聚电解质光热水凝胶在一个太阳光强的照射下,对纯水进行界面加热蒸汽转化时,水的蒸发速率可达1.72 kg m-2 h-1。此外,该两性聚电解质光热水凝胶在处理高盐度(7 wt%)的盐水时具有良好的稳定性,并且可有效地抑制光热转化膜材料在太阳能界面蒸汽转化过程中的盐沉积和膜污染问题。
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