钛铝氧复合物的制备及其光热脱盐应用研究

发布时间：2020-08-10 21:19

【摘要】：太阳光为我们提供了取之不尽用之不竭的可再生能源,其中一条应用途径是将其转化为热能用于蒸汽发生,如脱盐。目前,淡水资源短缺成为了人类面临的最棘手的问题之一。因此,人们发展了各种各样的脱盐技术来应对淡水资源短缺,如反渗透技术和电-热脱盐技术;然而,它们不适合处理高盐度水(总含盐量3.8wt.%)。光热脱盐具有节能环保、低水质要求等优点,有望缓解水资源短缺问题。然而,探索低成本、高效率的光热材料仍然是一个巨大的挑战。为了寻找合适的光热材料用于光热海水淡化,本文做了以下工作。1、以商业化的TiO_2和Al粉为原料,通过球磨法制备了颜色可调的(从灰到黑)Al-Ti-O纳米材料。结合铝纳米颗粒的表面等离子激元共振效应和黑色TiO_2高的光吸收活性,Al-Ti-O复合物表现出太阳光宽谱吸收能力(200~2500 nm)且吸收效率达90.23%。随后,将Al-Ti-O复合物组装入可自漂浮于水面的多微孔聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜中用于光热脱盐。在模拟太阳光条件下,光热薄膜表现出77.52%的蒸发效率和良好的稳定性。除此之外我们自主设计和建构了一款太阳能海水脱盐系统。这款光热海水脱盐系统在自然光条件下(以太阳辐照强度~820 W m~(-2),8 h有效照射为准),产纯水速率达~0.50 kg m~-22 h~(-1)(或~4 L m~(-2)day~(-1))。2、在熔融盐AlCl_3辅助下以商业化的TiO_2、Al粉为原料,无模板合成了一种具有高效光热转化能力的空心黑色Ti Al O_x复合物。空心黑色的Ti AlO_x具有高效的太阳光宽谱吸收能力,光吸收率高达90.2%。在高盐度环境(15.3 wt.%NaCl溶液,盐度5倍于海水)下,包含有空心黑色TiAlO_x复合物的PVDF光热薄膜光热蒸发效率可达71.1%。此部分提到了一款受光面积达1 m~2的手动跟踪太阳能脱盐系统和升级版的自动跟踪太阳能脱盐系统。升级版的自动跟踪太阳能脱盐系统在高盐度环境(15.3 wt.%NaCl溶液),自然光下可稳定持续运行5天以上,纯水产率仍可保持为~4 L m~-22 day~(-1)。3、本文提到了自主设计建构的第一代自动跟踪太阳能脱盐系统,并在第一代系统基础上升级得到第二代系统,同时完成了具有1 m~2受光面积的手动脱盐系统的建构。
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34
【图文】：

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空大学硕士学位论文现太阳能-热-水蒸气-纯净水的转化，最终可以从盐水或废水中提取，其基本原理图如图 1-1 所示。从图 1-1 可以看出光热海水淡化技有高效光热转化效率的光热材料基础之上，其核心是寻找具有高效的材料。在过去多年的研究中，研究者们开发了各种结构的光热材过程，试图找寻到理想的光热材料。

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自身具有良好的绝热性能，良好的疏水性和内部相连的多孔结构，如图1-2 所示。随后，湖北大学王贤宝教授课题组发展了一个新型太阳能蒸汽发生系统，该系统具有双层结构，即上层为层状还原氧化石墨烯（rGO）作为光热转化层，下层为混合纤维素（MCE）膜作为多孔支撑层[19]。这样的双层结构（rGO/MCE）可高效的蒸发水，在光功率密度为 1000 W m-2的条件下，光热蒸发效率约达 60%。北京航空航天大学江雷院士课题组报道了一个碳黑基的超疏水可自漂浮于水面的薄膜。该薄膜可在光照下提升水蒸发效率，其导致的蒸发效率高于传统蒸发过程 2 ~ 3 倍[25]。南京大学朱嘉教授团队以氧化石墨烯为基础材料建构了一个二维水通道，在一个太阳辐照（1000 W m-2）下，该器件蒸发效率达到 80%

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图 1-3 蒸发及液体流向示意图；(a) 直接与水接触的传统太阳蒸发水示意图；(b)使用抑制热损失和具有二维水通道脱盐器件示意图；(c) 海水淡化装置制备流程图[23]；注：图中图续为 A、B、C、D 对应本文图名 a、b、c、dFigure 1-3. Schematics and a process flow. (a) Schematics of conventional solar steamgeneration with direct water contact. (b) Schematics of solar desalination devices withsuppressed heat loss and 2D water supply. (c) Flowchart for the fabrication of solardesalination devices: polystyrene foam, cellulose coating, and GO film on top surface.(d) (Left) The physical map of polystyrene foam (thermal insulator), (Middle)cellulose (2D water path) wrapped over the surface of polystyrene foam, and (Right)GO film (absorber) on the top surface.[23]无独有偶，朱嘉教授团队在前期结构的基础上又开发了一个自漂浮的氧化石墨烯基的气凝胶光热海水蒸发器件，如图 1-4 所示[58]。该器件组成为还原氧化石墨烯-海藻酸钠-碳纳米管（RGO-SA-CNT）气凝胶，其具有太阳光吸收率约达 92%（200 ~ 2500 nm），良好的亲水性能，丰富的多孔网络结构（为水提供输送通道

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