【摘要】：水是生命之源,是人類賴以生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)。然而隨著當(dāng)前人口的急劇增長、工業(yè)化城鎮(zhèn)化水平的提高和水污染問題的加劇,人類社會正面臨著嚴峻的淡水資源緊缺問題。據(jù)統(tǒng)計,全球約2/3的人口(40億)正生活在不同程度的缺水條件下。然而,地球70.8%的地表面積被水覆蓋,但是這其中只有3%的水是淡水。于是海水和苦咸水便成為了缺水地區(qū)獲取淡水的首選。目前主流的海水淡化技術(shù)主要是膜法和熱法,均是非常成熟的大規(guī)模、集中式的供水方案。但是這兩者方案都要消耗化石能源,不可避免地會加劇溫室效應(yīng)和環(huán)境污染。而太陽能海水淡化以陽光作為能量來源,其主要方式可以概括為光蒸餾,是一種綠色、環(huán)保的淡化技術(shù),有望替代膜法、熱法。傳統(tǒng)的太陽能蒸餾器的光熱利用效率并不高,一般在30～40%。為了提升效率,傳統(tǒng)的優(yōu)化方案有將海水染黑,將海水池底部涂黑等。傳統(tǒng)的蒸餾器利用光照使海水整體升溫蒸發(fā)。但是實際上,我們所需要的是蒸汽,而升溫會浪費大部分的光熱能量。界面光熱轉(zhuǎn)化可以有效解決這個問題。通過選用特殊的納米材料和設(shè)計結(jié)構(gòu),制備出吸光率超高的光吸收體,并使其漂浮在海水表面,光熱轉(zhuǎn)化僅對表層海水進行加熱蒸發(fā),從而大大提高了對光照的利用效率。依托納米材料制備光吸收體的原材料豐富,如金納米顆粒,石墨,金屬等離激元,和氧化石墨烯等。相關(guān)科研成果的出現(xiàn)也為太陽能海水淡化提供了多種選擇。然而,大部分的研究忽視了海水蒸發(fā)過程鹽對吸收體的影響,在著重提高效率的同時忽略了穩(wěn)定性。在太陽能海水過程中,隨著海水的蒸發(fā),海水中的鹽會結(jié)晶析出并堆積在光吸收體的表面。而鹽分的堆積會堵塞蒸汽通道,造成蒸發(fā)速率衰減,并且會對吸收體的結(jié)構(gòu)造成破壞,進而引發(fā)其太陽能海水淡化性能的衰減。我們通過靜電紡絲法制備研究出一種柔性的Janus吸收體,可實現(xiàn)穩(wěn)定、高效的太陽能海水淡化。我們的Janus吸收體將傳統(tǒng)的單層吸收體所必需的光熱轉(zhuǎn)化、泵水和蒸發(fā)幾種功能分配到上下雙層材料結(jié)構(gòu):下層的親水的聚丙烯腈(PAN)無紡布薄膜負責(zé)泵水,而噴涂了炭黑(CB)的疏水的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)無紡布薄膜進行光熱轉(zhuǎn)化,并在界面處加熱蒸發(fā)海水,從而可以有效阻止海水中的鹽在吸收體表面析出和堆積。在相同的光照條件下,Janus吸收體表現(xiàn)出更穩(wěn)定的光照蒸發(fā)性能,即經(jīng)過16天以上的測試,蒸發(fā)速率仍穩(wěn)定在1.3kgm-2h-1。此外,由于在海水淡化過程中,CB/PMMA薄膜不會直接接觸海水,從而降低了熱損失,在1個太陽光照條件下可以獲得72%的光熱轉(zhuǎn)化效率。我們的研究工作有望為太陽能海水淡化領(lǐng)域提供一種更加穩(wěn)定、高效和實用的光吸收體方案。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P747;TK519
【圖文】：

（Ｃ）邐（ｄ）逡逑圖１．２不同形狀蓋板的太陽能蒸餾器ｌ＂ｌ逡逑太陽能蒸餾器又可分為主動式和被動式［１６１。其中主動式引入外部能源，通過逡逑抽濕除濕或者其它方式加快蒸汽的冷凝。而被動式太陽能蒸餾器則僅依靠太陽能，逡逑依賴裝置內(nèi)部蒸汽的自然流動進行蒸發(fā)、冷凝過程。被動式蒸餾器的太陽能利用逡逑效率在３邋０％左右。一般太陽能蒸餾器由三部分組成：海水池、透光蓋和淡水水槽。逡逑陽光通過透光蓋照射到海水上，加熱海水并蒸發(fā)產(chǎn)生水蒸氣，水蒸氣在透光蓋上逡逑冷凝形成液滴，液滴匯聚流入淡水水槽，放出即可獲得純凈水。由于海水本身是逡逑透明的，吸光率較低，一般會把海水池底部涂黑，或者鋪上其它黑色的物質(zhì)增加逡逑對光的吸收。水槽、海水池等？般使用ＰＰ塑料、不銹鋼、陶瓷等材料制作，透逡逑光蓋一般使用玻璃或者有機玻璃等透光率較高的材質(zhì)。為了加快海水的蒸發(fā)，底逡逑部海水池往往采用在外圍包覆泡沫等方法降低對外界的熱損耗。也有外置冷凝腔逡逑室

（Ｃ）邐（ｄ）逡逑圖１．２不同形狀蓋板的太陽能蒸餾器ｌ＂ｌ逡逑太陽能蒸餾器又可分為主動式和被動式［１６１。其中主動式引入外部能源，通過逡逑抽濕除濕或者其它方式加快蒸汽的冷凝。而被動式太陽能蒸餾器則僅依靠太陽能，逡逑依賴裝置內(nèi)部蒸汽的自然流動進行蒸發(fā)、冷凝過程。被動式蒸餾器的太陽能利用逡逑效率在３邋０％左右。一般太陽能蒸餾器由三部分組成：海水池、透光蓋和淡水水槽。逡逑陽光通過透光蓋照射到海水上，加熱海水并蒸發(fā)產(chǎn)生水蒸氣，水蒸氣在透光蓋上逡逑冷凝形成液滴，液滴匯聚流入淡水水槽，放出即可獲得純凈水。由于海水本身是逡逑透明的，吸光率較低，一般會把海水池底部涂黑，或者鋪上其它黑色的物質(zhì)增加逡逑對光的吸收。水槽、海水池等？般使用ＰＰ塑料、不銹鋼、陶瓷等材料制作，透逡逑光蓋一般使用玻璃或者有機玻璃等透光率較高的材質(zhì)。為了加快海水的蒸發(fā)，底逡逑部海水池往往采用在外圍包覆泡沫等方法降低對外界的熱損耗。也有外置冷凝腔逡逑室

下獲得了更高的光熱蒸發(fā)效率。如圖１．６所示，在太的結(jié)構(gòu)可以蒸汽產(chǎn)生的位置內(nèi)部形成高溫點。而材料將液體泵至高溫點，使溶液蒸發(fā)形成蒸汽逸出材料。征：對太陽光譜的高吸收率，用于抑制熱量離開內(nèi)部用于利用毛細作用力使溶液流向材料內(nèi)部高溫Ｅ域的動的和相互連通的孔道。該結(jié)構(gòu)在１０倍太陽光照條８５％的光熱轉(zhuǎn)化效率。該研究指出，對于提高光熱轉(zhuǎn)碳內(nèi)部溶液的流速，或者用更優(yōu)越的絕熱材料替代碳隙率和厚度（調(diào)整結(jié)構(gòu)中的毛細管作用力），獲得更倍數(shù)下獲得更高的光熱轉(zhuǎn)化效率。通過在水體表面的的研究者提供了很好的思路，基于納米金屬、碳材料、孔結(jié)構(gòu)的光吸收體如雨后春筍般涌現(xiàn)，為太陽能海水ａ邐ｂ逡逑

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本文編號：2804404