發(fā)布時(shí)間：2020-08-10 21:19

【摘要】：太陽光為我們提供了取之不盡用之不竭的可再生能源,其中一條應(yīng)用途徑是將其轉(zhuǎn)化為熱能用于蒸汽發(fā)生,如脫鹽。目前,淡水資源短缺成為了人類面臨的最棘手的問題之一。因此,人們發(fā)展了各種各樣的脫鹽技術(shù)來應(yīng)對(duì)淡水資源短缺,如反滲透技術(shù)和電-熱脫鹽技術(shù);然而,它們不適合處理高鹽度水(總含鹽量3.8wt.%)。光熱脫鹽具有節(jié)能環(huán)保、低水質(zhì)要求等優(yōu)點(diǎn),有望緩解水資源短缺問題。然而,探索低成本、高效率的光熱材料仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。為了尋找合適的光熱材料用于光熱海水淡化,本文做了以下工作。1、以商業(yè)化的TiO_2和Al粉為原料,通過球磨法制備了顏色可調(diào)的(從灰到黑)Al-Ti-O納米材料。結(jié)合鋁納米顆粒的表面等離子激元共振效應(yīng)和黑色TiO_2高的光吸收活性,Al-Ti-O復(fù)合物表現(xiàn)出太陽光寬譜吸收能力(200~2500 nm)且吸收效率達(dá)90.23%。隨后,將Al-Ti-O復(fù)合物組裝入可自漂浮于水面的多微孔聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜中用于光熱脫鹽。在模擬太陽光條件下,光熱薄膜表現(xiàn)出77.52%的蒸發(fā)效率和良好的穩(wěn)定性。除此之外我們自主設(shè)計(jì)和建構(gòu)了一款太陽能海水脫鹽系統(tǒng)。這款光熱海水脫鹽系統(tǒng)在自然光條件下(以太陽輻照強(qiáng)度~820 W m~(-2),8 h有效照射為準(zhǔn)),產(chǎn)純水速率達(dá)~0.50 kg m~-22 h~(-1)(或~4 L m~(-2)day~(-1))。2、在熔融鹽AlCl_3輔助下以商業(yè)化的TiO_2、Al粉為原料,無模板合成了一種具有高效光熱轉(zhuǎn)化能力的空心黑色Ti Al O_x復(fù)合物�？招暮谏腡i AlO_x具有高效的太陽光寬譜吸收能力,光吸收率高達(dá)90.2%。在高鹽度環(huán)境(15.3 wt.%NaCl溶液,鹽度5倍于海水)下,包含有空心黑色TiAlO_x復(fù)合物的PVDF光熱薄膜光熱蒸發(fā)效率可達(dá)71.1%。此部分提到了一款受光面積達(dá)1 m~2的手動(dòng)跟蹤太陽能脫鹽系統(tǒng)和升級(jí)版的自動(dòng)跟蹤太陽能脫鹽系統(tǒng)。升級(jí)版的自動(dòng)跟蹤太陽能脫鹽系統(tǒng)在高鹽度環(huán)境(15.3 wt.%NaCl溶液),自然光下可穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行5天以上,純水產(chǎn)率仍可保持為~4 L m~-22 day~(-1)。3、本文提到了自主設(shè)計(jì)建構(gòu)的第一代自動(dòng)跟蹤太陽能脫鹽系統(tǒng),并在第一代系統(tǒng)基礎(chǔ)上升級(jí)得到第二代系統(tǒng),同時(shí)完成了具有1 m~2受光面積的手動(dòng)脫鹽系統(tǒng)的建構(gòu)。
【學(xué)位授予單位】：南昌航空大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB34
【圖文】：

空大學(xué)碩士學(xué)位論文 現(xiàn)太陽能-熱-水蒸氣-純凈水的轉(zhuǎn)化，最終可以從鹽水或廢水中提取，其基本原理圖如圖 1-1 所示。從圖 1-1 可以看出光熱海水淡化技有高效光熱轉(zhuǎn)化效率的光熱材料基礎(chǔ)之上，其核心是尋找具有高效的材料。在過去多年的研究中，研究者們開發(fā)了各種結(jié)構(gòu)的光熱材過程，試圖找尋到理想的光熱材料。

自身具有良好的絕熱性能，良好的疏水性和內(nèi)部相連的多孔結(jié)構(gòu)，如圖1-2 所示。隨后，湖北大學(xué)王賢寶教授課題組發(fā)展了一個(gè)新型太陽能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有雙層結(jié)構(gòu)，即上層為層狀還原氧化石墨烯（rGO）作為光熱轉(zhuǎn)化層，下層為混合纖維素（MCE）膜作為多孔支撐層[19]。這樣的雙層結(jié)構(gòu)（rGO/MCE）可高效的蒸發(fā)水，在光功率密度為 1000 W m-2的條件下，光熱蒸發(fā)效率約達(dá) 60%。北京航空航天大學(xué)江雷院士課題組報(bào)道了一個(gè)碳黑基的超疏水可自漂浮于水面的薄膜。該薄膜可在光照下提升水蒸發(fā)效率，其導(dǎo)致的蒸發(fā)效率高于傳統(tǒng)蒸發(fā)過程 2 ~ 3 倍[25]。南京大學(xué)朱嘉教授團(tuán)隊(duì)以氧化石墨烯為基礎(chǔ)材料建構(gòu)了一個(gè)二維水通道，在一個(gè)太陽輻照（1000 W m-2）下，該器件蒸發(fā)效率達(dá)到 80%

圖 1-3 蒸發(fā)及液體流向示意圖；(a) 直接與水接觸的傳統(tǒng)太陽蒸發(fā)水示意圖；(b)使用抑制熱損失和具有二維水通道脫鹽器件示意圖；(c) 海水淡化裝置制備流程圖[23]；注：圖中圖續(xù)為 A、B、C、D 對(duì)應(yīng)本文圖名 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]無獨(dú)有偶，朱嘉教授團(tuán)隊(duì)在前期結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上又開發(fā)了一個(gè)自漂浮的氧化石墨烯基的氣凝膠光熱海水蒸發(fā)器件，如圖 1-4 所示[58]。該器件組成為還原氧化石墨烯-海藻酸鈉-碳納米管（RGO-SA-CNT）氣凝膠，其具有太陽光吸收率約達(dá) 92%（200 ~ 2500 nm），良好的親水性能，豐富的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（為水提供輸送通道

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