可用于界面光热蒸发器件的生物质碳材料的设计和研究

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生物质碳材料具有来源丰富、制备简单与成本低廉等优点,其本身具有的天然多孔结构有利于促进界面光热蒸发过程中的光吸收与水输运。然而,目前对基于多孔生物质碳的界面光热蒸发研究较少,相关的生物质碳优选条件与多因素的影响规律尚不清楚。本文以9种常见生物质碳化得到的生物质碳及其器件为研究对象,进行界面光热蒸发实验与相关表征,总结生物质碳优选条件,筛选出高性能的生物质碳并进行深入分析,研究多种因素对其器件蒸发性能的影响规律,分析其实际的脱盐能力。主要的研究内容及结果如下:(1)对多孔生物质碳的界面光热蒸发过程、光吸收与热利用等进行理论分析,明确了多孔生物质碳器件的蒸发速率、光热利用率、稳定性与脱盐能力等评价指标定义,为开展实验提供理论指导。(2)对9种常见生物质进行碳化处理与器件组装,进行界面光热蒸发实验与相关表征,实验表明,界面光热蒸发凭借先进热限制作用能够实现更好的蒸发性能。大部分生物质碳器件表现出了一定的蒸发性能,其蒸发速率均高于0.6 kg/(m~2·h)。总结生物质碳的优选条件包括良好的亲水性、连续的横纵交错孔洞和可供气态水逸出的表面。筛选出高性能的碳化榴莲壳与百香果皮,为后文深入研究做好筛选工作。(3)对筛选出的高性能碳化榴莲壳进行深入研究,考察其宏观表面特殊形貌对器件蒸发性能的影响,分析氧化石墨烯(GO)涂覆、弱光等因素对器件蒸发性能的影响,并讨论其对人工海水的脱盐能力。实验表明:在一个标准太阳下,碳化榴莲壳器件能够实现1.25 kg/(m~2·h)的高蒸发速率和87.6%的高光热利用率,高性能的原因可能是特殊尖刺表面促进了光吸收与蒸发面积增大。GO涂覆质量增加将降低碳化榴莲壳器件的蒸发性能,当GO涂覆质量为0.7 mg,该器件的蒸发速率和光热利用率分别降为0.87 kg/(m~2·h)、61.1%。该器件在0.4 X弱光条件下仍能达到75%以上的高光热利用率,光强增大能快速提高蒸发速率,但光热利用率增长缓慢。该器件对盐度为3 wt%的人工海水的脱盐率为99.8%,脱盐后的水符合世界卫生组织规定的饮用水标准。(4)对筛选出的高性能碳化百香果皮进行深入研究,考察其微观双层复杂孔洞对器件蒸发性能的影响,分析光强、盐度等因素对器件蒸发性能的影响,并讨论其对人工海水的脱盐能力。实验表明,碳化百香果皮具有A、B双层孔洞结构,A层为密集小孔,B层为疏松大孔。在一个标准太阳下,碳化百香果皮-BA能够实现1.27 kg/(m~2·h)的高蒸发速率与88.6%的高光热利用率,高性能的原因可能是其微观小孔加快了水的传输速率。光强增加能显著提高该器件的温度与蒸发速率,光热利用率增长缓慢。盐度的增加降低了该器件的蒸发速率与光热利用率。对盐度为3 wt%的人工海水进行6次循环蒸发后,该器件的蒸发速率基本稳定,表现出较强的抗盐污染能力。该器件对盐度为3wt%和10 wt%人工海水的脱盐率均高于99.5%,脱盐后的水符合世界卫生组织规定的饮用水标准。
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