Janus吸收体在太阳能海水淡化方面的研究

发布时间：2020-08-26 00:28

【摘要】：水是生命之源,是人类赖以生存和发展的重要基础。然而随着当前人口的急剧增长、工业化城镇化水平的提高和水污染问题的加剧,人类社会正面临着严峻的淡水资源紧缺问题。据统计,全球约2/3的人口(40亿)正生活在不同程度的缺水条件下。然而,地球70.8%的地表面积被水覆盖,但是这其中只有3%的水是淡水。于是海水和苦咸水便成为了缺水地区获取淡水的首选。目前主流的海水淡化技术主要是膜法和热法,均是非常成熟的大规模、集中式的供水方案。但是这两者方案都要消耗化石能源,不可避免地会加剧温室效应和环境污染。而太阳能海水淡化以阳光作为能量来源,其主要方式可以概括为光蒸馏,是一种绿色、环保的淡化技术,有望替代膜法、热法。传统的太阳能蒸馏器的光热利用效率并不高,一般在30～40%。为了提升效率,传统的优化方案有将海水染黑,将海水池底部涂黑等。传统的蒸馏器利用光照使海水整体升温蒸发。但是实际上,我们所需要的是蒸汽,而升温会浪费大部分的光热能量。界面光热转化可以有效解决这个问题。通过选用特殊的纳米材料和设计结构,制备出吸光率超高的光吸收体,并使其漂浮在海水表面,光热转化仅对表层海水进行加热蒸发,从而大大提高了对光照的利用效率。依托纳米材料制备光吸收体的原材料丰富,如金纳米颗粒,石墨,金属等离激元,和氧化石墨烯等。相关科研成果的出现也为太阳能海水淡化提供了多种选择。然而,大部分的研究忽视了海水蒸发过程盐对吸收体的影响,在着重提高效率的同时忽略了稳定性。在太阳能海水过程中,随着海水的蒸发,海水中的盐会结晶析出并堆积在光吸收体的表面。而盐分的堆积会堵塞蒸汽通道,造成蒸发速率衰减,并且会对吸收体的结构造成破坏,进而引发其太阳能海水淡化性能的衰减。我们通过静电纺丝法制备研究出一种柔性的Janus吸收体,可实现稳定、高效的太阳能海水淡化。我们的Janus吸收体将传统的单层吸收体所必需的光热转化、泵水和蒸发几种功能分配到上下双层材料结构:下层的亲水的聚丙烯腈(PAN)无纺布薄膜负责泵水,而喷涂了炭黑(CB)的疏水的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)无纺布薄膜进行光热转化,并在界面处加热蒸发海水,从而可以有效阻止海水中的盐在吸收体表面析出和堆积。在相同的光照条件下,Janus吸收体表现出更稳定的光照蒸发性能,即经过16天以上的测试,蒸发速率仍稳定在1.3kgm-2h-1。此外,由于在海水淡化过程中,CB/PMMA薄膜不会直接接触海水,从而降低了热损失,在1个太阳光照条件下可以获得72%的光热转化效率。我们的研究工作有望为太阳能海水淡化领域提供一种更加稳定、高效和实用的光吸收体方案。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P747;TK519
【图文】：

结构图,蒸馏器,被动式太阳能,结构图

（Ｃ）逦（ｄ）逡逑图１．２不同形状盖板的太阳能蒸馏器ｌ＂ｌ逡逑太阳能蒸馏器又可分为主动式和被动式［１６１。其中主动式引入外部能源，通过逡逑抽湿除湿或者其它方式加快蒸汽的冷凝。而被动式太阳能蒸馏器则仅依靠太阳能，逡逑依赖装置内部蒸汽的自然流动进行蒸发、冷凝过程。被动式蒸馏器的太阳能利用逡逑效率在３邋０％左右。一般太阳能蒸馏器由三部分组成：海水池、透光盖和淡水水槽。逡逑阳光通过透光盖照射到海水上，加热海水并蒸发产生水蒸气，水蒸气在透光盖上逡逑冷凝形成液滴，液滴汇聚流入淡水水槽，放出即可获得纯净水。由于海水本身是逡逑透明的，吸光率较低，一般会把海水池底部涂黑，或者铺上其它黑色的物质增加逡逑对光的吸收。水槽、海水池等？般使用ＰＰ塑料、不锈钢、陶瓷等材料制作，透逡逑光盖一般使用玻璃或者有机玻璃等透光率较高的材质。为了加快海水的蒸发，底逡逑部海水池往往采用在外围包覆泡沫等方法降低对外界的热损耗。也有外置冷凝腔逡逑室

示意图,二氧化硅,海水池,界面

示意图,界面,示意图,光热

下获得了更高的光热蒸发效率。如图１．６所示，在太的结构可以蒸汽产生的位置内部形成高温点。而材料将液体泵至高温点，使溶液蒸发形成蒸汽逸出材料。征：对太阳光谱的高吸收率，用于抑制热量离开内部用于利用毛细作用力使溶液流向材料内部高温Ｅ域的动的和相互连通的孔道。该结构在１０倍太阳光照条８５％的光热转化效率。该研究指出，对于提高光热转碳内部溶液的流速，或者用更优越的绝热材料替代碳隙率和厚度（调整结构中的毛细管作用力），获得更倍数下获得更高的光热转化效率。通过在水体表面的的研究者提供了很好的思路，基于纳米金属、碳材料、孔结构的光吸收体如雨后春笋般涌现，为太阳能海水ａ逦ｂ逡逑

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