太阳能界面蒸发体的设计及其海水淡化特性的研究
发布时间：2021-09-23 14:02
可饮用的淡水作为人类赖以生存的自然资源正在面临严重短缺问题。海水（苦咸水）淡化正在成为获取淡水的重要途径。目前已在运行的海水淡化方式如热法和膜法处理过程中存在着消耗化石能源并且产生大量温室气体的问题。相比于传统化石能源,太阳能作为一种可持续绿色能源,可以为海水淡化提供新型的能量支撑。太阳能蒸发海水淡化作为直接利用太阳能得到蒸馏净水的技术,正在逐渐得到广泛关注。目前,以界面加热为基础的太阳能蒸发海水淡化技术存在着太阳能吸收率不佳、产生蒸汽通量较低、盐结晶无法处理等问题。针对这些问题,本研究设计和制备出了一系列高效且经济的光热界面蒸发体,保证蒸发体的太阳光的光谱吸收和良好的能量转换,实现了太阳能蒸发海水淡化整体效率的提升。目前所取得的研究成果如下:首先,由于疏水膜表面截留空气使水难以附着,可以降低水的表面张力从而利于蒸发界面蒸发,设计了一种廉价石墨薄层与纤维纸结合的疏水膜进行太阳能海水淡化处理。通过对石墨含量的优化得到了具有高的光谱吸收率（77%）的光热膜,该膜由于其疏水层性质可以自漂浮在水面进行界面加热,并且蒸发速率是直接光照水的1.5倍。在加入保温层进行热管理之后,系统热损失降低,界面...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
（a）平流式LT-MED工艺流程示意图，（b）海水循环MSF工艺流程示意图
哈尔滨工业大学工学博士论文-8-开发了一系列具有广谱太阳能吸收能力的光热材料。1.3.2常见的太阳能吸收材料光热材料是可以有效的吸收太阳能并将其转换为热能的材料统称，这类材料通常具有高效的太阳能吸收率。目前，很多不同类型的光热材料被开发用于直接式太阳能蒸馏系统，来提高蒸发效率。如图1-2所示，光热材料主要分为三大类：金属基等离子体，碳基无机物和有机高分子[31]。图1-2常用于太阳能蒸发的光热材料种类Fig.1-2Typesofphotothermalmaterialscommonlyusedinsolarevaporation1.3.2.1金属基等离子体金属基光热转换材料因具有良好的生物惰性、优异的光热转换性能，是目前研究最为透彻且应用最广泛的一类光热转换材料。由于金属表面等离子体共振效应与其种类、形貌、粒径大小有着密切的关系，因此可通过精确调控金属纳米颗粒的形貌、粒径大小等方式，制备具有特定吸收波长的光热转换材料。目前，金属类光热转换材料中，研究最多的主要分为两类：金属单体和半导体[32]。金属单体主要为金、银、钯、铂等贵金属纳米材料。等离子体共振产生大量的流动电子，等离子体共振是金属结构上的一种独特的光学现象，当入射光的频率与金属中的离域电子的振荡频率匹配时，会触发电子的集体激发，这些激发态的热电子与入射电磁场相干。施加在粒子内的自由电子气体振荡，通过焦耳机制产生热。通过电子-电子散射过程，热载流子在较快的时间尺度内实现了能量的再分布，导致等离子体的显著加热。当其分散在液体介质中时也可以有效地吸收太阳光中的能量，导致粒子温度和蒸汽产生的迅速增加，尽管体
第1章绪论-11-光热泡沫具有机械强度高、热稳定性好、耐300℃和耐化学腐蚀的特点有机溶剂。聚合物提供了无机材料不能提供的灵活性、易制模性、良好的生物相容性与稳定性。本论文中选择的聚合物PPy这种光热介质可以通过简单的化学氧化反应，负载到多种不同结构的基体上，具有较好的普适性。并且负载过程均在溶液中反应，利于大规模生产，并且负载颗粒均匀，结实，不易脱落，是太阳能蒸馏过程中良好的光热材料选择。1.4太阳能界面蒸发能量分析及其在海水淡化中的管理在传统的没有光学集中器的直接式太阳能蒸馏系统中，太阳能热量透过水体在底面接收产生来加热整个水体，这种方式蒸发效率较低（30-45%）。为了减少热损失并提高太阳能吸收，采用太阳能体积加热方法，即利用光热纳米颗粒分散于需要加热的水的部分进行蒸发。通过将纳米颗粒产生的热转移到流体内部来实现水的加热，实现了中等蒸发效率的提高。近些年，研究者们意识到蒸发是发生在水与气的界面的相变现象，如果太阳能可以直接对水-气界面进行加热，那么蒸发的效率将进一步提高。目前，创造有效的太阳能界面蒸发体来进行太阳能蒸发海水淡化是主要的研究方向。通过各种策略包括太阳能吸收材料的组成调整、结构工程和表面改性，以及合理的系统设计，可以实现优异的光吸收管理、热管理、浸润性管理和盐结晶管理（图1-3），从而达到提高蒸发通量的目的。在这一节中，将讨论太阳能界面蒸发用于海水淡化的各种策略。图1-3界面蒸发中的光-汽转化及相关原理示意图Fig.1-3Schematicofinterfacesolarvaporconversionandrelatedmechanism
【参考文献】：
期刊论文
[1]膜处理技术在高盐废水零排放上的应用及展望[J]. 徐成燕. 化工管理. 2019(10)
[2]膜法海水淡化脱硼工艺运行条件的优化[J]. 赵洪武,吴成志,迟文浩,吴绍全,李珂,万鹏. 净水技术. 2019 (03)
[3]疏水性纳米颗粒提高水分蒸发速率的研究[J]. 黄志,李晓颖,李东东,吉天成,冯妍卉,张欣欣. 工程热物理学报. 2018(03)
[4]Three-dimensional artificial transpiration for efficient solar waste-water treatment[J]. Xiuqiang Li,Renxing Lin,George Ni,Ning Xu,Xiaozhen Hu,Bin Zhu,Guangxin Lv,Jinlei Li,Shining Zhu,Jia Zhu. National Science Review. 2018(01)
[5]多级闪蒸海水淡化技术浅析[J]. 赵子豪,袁益超,陈昱,孟凡茂. 科技广场. 2017(08)
[6]海水淡化技术应用研究及发展现状[J]. 郑智颖,李凤臣,李倩,王璐,蔡伟华,李小斌,张红娜. 科学通报. 2016(21)
[7]热膜耦合水电联产集成系统的模拟与优化[J]. 伍联营,肖胜楠,王慧敏. 计算机与应用化学. 2011(12)
[8]干渴世界的救星——海水淡化[J]. 北京的金. 海洋世界. 2011(02)
硕士论文
[1]氟化聚苯胺改性纤维膜在膜蒸馏海水淡化中的应用[D]. 钟玲玲.哈尔滨工业大学 2018
本文编号：3405837
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
（a）平流式LT-MED工艺流程示意图，（b）海水循环MSF工艺流程示意图
哈尔滨工业大学工学博士论文-8-开发了一系列具有广谱太阳能吸收能力的光热材料。1.3.2常见的太阳能吸收材料光热材料是可以有效的吸收太阳能并将其转换为热能的材料统称，这类材料通常具有高效的太阳能吸收率。目前，很多不同类型的光热材料被开发用于直接式太阳能蒸馏系统，来提高蒸发效率。如图1-2所示，光热材料主要分为三大类：金属基等离子体，碳基无机物和有机高分子[31]。图1-2常用于太阳能蒸发的光热材料种类Fig.1-2Typesofphotothermalmaterialscommonlyusedinsolarevaporation1.3.2.1金属基等离子体金属基光热转换材料因具有良好的生物惰性、优异的光热转换性能，是目前研究最为透彻且应用最广泛的一类光热转换材料。由于金属表面等离子体共振效应与其种类、形貌、粒径大小有着密切的关系，因此可通过精确调控金属纳米颗粒的形貌、粒径大小等方式，制备具有特定吸收波长的光热转换材料。目前，金属类光热转换材料中，研究最多的主要分为两类：金属单体和半导体[32]。金属单体主要为金、银、钯、铂等贵金属纳米材料。等离子体共振产生大量的流动电子，等离子体共振是金属结构上的一种独特的光学现象，当入射光的频率与金属中的离域电子的振荡频率匹配时，会触发电子的集体激发，这些激发态的热电子与入射电磁场相干。施加在粒子内的自由电子气体振荡，通过焦耳机制产生热。通过电子-电子散射过程，热载流子在较快的时间尺度内实现了能量的再分布，导致等离子体的显著加热。当其分散在液体介质中时也可以有效地吸收太阳光中的能量，导致粒子温度和蒸汽产生的迅速增加，尽管体
第1章绪论-11-光热泡沫具有机械强度高、热稳定性好、耐300℃和耐化学腐蚀的特点有机溶剂。聚合物提供了无机材料不能提供的灵活性、易制模性、良好的生物相容性与稳定性。本论文中选择的聚合物PPy这种光热介质可以通过简单的化学氧化反应，负载到多种不同结构的基体上，具有较好的普适性。并且负载过程均在溶液中反应，利于大规模生产，并且负载颗粒均匀，结实，不易脱落，是太阳能蒸馏过程中良好的光热材料选择。1.4太阳能界面蒸发能量分析及其在海水淡化中的管理在传统的没有光学集中器的直接式太阳能蒸馏系统中，太阳能热量透过水体在底面接收产生来加热整个水体，这种方式蒸发效率较低（30-45%）。为了减少热损失并提高太阳能吸收，采用太阳能体积加热方法，即利用光热纳米颗粒分散于需要加热的水的部分进行蒸发。通过将纳米颗粒产生的热转移到流体内部来实现水的加热，实现了中等蒸发效率的提高。近些年，研究者们意识到蒸发是发生在水与气的界面的相变现象，如果太阳能可以直接对水-气界面进行加热，那么蒸发的效率将进一步提高。目前，创造有效的太阳能界面蒸发体来进行太阳能蒸发海水淡化是主要的研究方向。通过各种策略包括太阳能吸收材料的组成调整、结构工程和表面改性，以及合理的系统设计，可以实现优异的光吸收管理、热管理、浸润性管理和盐结晶管理（图1-3），从而达到提高蒸发通量的目的。在这一节中，将讨论太阳能界面蒸发用于海水淡化的各种策略。图1-3界面蒸发中的光-汽转化及相关原理示意图Fig.1-3Schematicofinterfacesolarvaporconversionandrelatedmechanism
【参考文献】：
期刊论文
[1]膜处理技术在高盐废水零排放上的应用及展望[J]. 徐成燕. 化工管理. 2019(10)
[2]膜法海水淡化脱硼工艺运行条件的优化[J]. 赵洪武,吴成志,迟文浩,吴绍全,李珂,万鹏. 净水技术. 2019 (03)
[3]疏水性纳米颗粒提高水分蒸发速率的研究[J]. 黄志,李晓颖,李东东,吉天成,冯妍卉,张欣欣. 工程热物理学报. 2018(03)
[4]Three-dimensional artificial transpiration for efficient solar waste-water treatment[J]. Xiuqiang Li,Renxing Lin,George Ni,Ning Xu,Xiaozhen Hu,Bin Zhu,Guangxin Lv,Jinlei Li,Shining Zhu,Jia Zhu. National Science Review. 2018(01)
[5]多级闪蒸海水淡化技术浅析[J]. 赵子豪,袁益超,陈昱,孟凡茂. 科技广场. 2017(08)
[6]海水淡化技术应用研究及发展现状[J]. 郑智颖,李凤臣,李倩,王璐,蔡伟华,李小斌,张红娜. 科学通报. 2016(21)
[7]热膜耦合水电联产集成系统的模拟与优化[J]. 伍联营,肖胜楠,王慧敏. 计算机与应用化学. 2011(12)
[8]干渴世界的救星——海水淡化[J]. 北京的金. 海洋世界. 2011(02)
硕士论文
[1]氟化聚苯胺改性纤维膜在膜蒸馏海水淡化中的应用[D]. 钟玲玲.哈尔滨工业大学 2018
本文编号：3405837
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