多孔光吸收体的制备及其在太阳能界面产汽系统中的模拟应用

摘要

光蒸馏是一种利用太阳能生产清洁水的技术，对缓解能源短缺及淡水资源问题有很大的帮助。但是传统的光蒸馏对光的有效利用率不高，为了解决这一问题，研究者们提出了可以使水分蒸发发生在液气界面上的太阳能界面产汽系统（SISGS），该系统能够绿色、环保及高效地利用太阳能生产清洁水。SISGS的核心装置是光吸收体，能高效利用太阳能的光吸收体应满足能漂浮于水面上、有效吸收太阳光并将其转化成热能、具有亲水结构并及时把水分运输到界面等条件。近年来，以金属纳米粒子和氧化石墨烯为原料制备的光吸收体对光有很好的吸收率与转化率，但其原料昂贵，难以实现大规模地生产和应用。为了获得廉价高效的太阳能光吸收体，本文以凹凸棒（ATP）、埃洛石（HNTs）和山药为原料制备了光吸收体并研究了光吸收体在模拟SISGS中的太阳能-水蒸汽转换效率，本论文研究内容共分为三个部分。 第一部分：以丙烯酰胺（AM）、N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）和ATP为原料通过水溶液聚合法制备了凹凸棒基光吸收体（APAC），对其表面进行碳化得到双层凹凸棒基光吸收体（BAPAC）。通过SEM对APAC与BAPAC的形貌进行了分析，结果显示APAC和BAPAC为片层结构；应用BET对APAC的孔性能进行了表征，发现APAC既有微孔结构又有介孔结构；通过水接触角测试对两种样品的亲水性进行了分析，发现APAC具有超亲水性，而BAPAC的碳化层（F-APAC）具有疏水性；近紫外-可见-近红外吸收测试对BAPAC的光吸收进行表征，发现其光吸收率接近99%。在模拟SISGS中进行太阳能水蒸汽实验，发现在1太阳下APAC太阳能-水蒸汽转换效率约为40%，BAPAC的转化效率约为80%。 第二部分：以AM、MBA和HNTs为原料通过水溶液聚合制备了埃洛石基光吸收体（HNTsA），对其表面进行碳化得到双层埃洛石基光吸收体（F-HNTsA）。并以AM、MBA、ATP和HNTs为原料通过水溶液聚合制备了黏土基光吸收体（ATP-HNTsA），对其表面进行碳化得到双层黏土基光吸收体（F-ATP-HNTsA）。通过SEM对样品的形貌进行表征，结果显示样品具有片状结构；通过BET对HNTsA和ATP-HNTsA的孔性能进行表征，发现两种光吸收体既有微孔结构又有介孔结构；通过水接触角测试对HNTsA和ATP-HNTsA的亲水性进行分析，发现HNTsA具有疏水性，ATP-HNTsA具有超亲水性；近紫外-可见-近红外吸收测试F-HNTsA和F-ATP-HNTsA的光吸收能力，发现两种光吸收体对的光吸收率接近80%。在模拟SISGS中进行太阳能水蒸汽实验，在1太阳下F-HNTsA与F-ATP-HNTsA的太阳能-水蒸汽转换效率分别为57%左右和84%左右。 第三部分：以山药为原料用冷冻干燥法制备了山药光吸收体，并用不同温度处理山药光吸收体以优化其性能。通过SEM样品形貌进行了分析，发现山药光吸收体形貌有序，处理后光吸收体的骨架结构随温度升高而破坏增大；通过BET对山药光吸收体的孔性能进行表征，发现所有光吸收体既有微孔结构又有介孔结构；水接触角测试光吸收体的亲水性，结果表明光吸收体都具超亲水性；用近紫外-可见-近红外吸收测试处理后的山药光吸收体的光吸收能力，发现光吸收体在紫外与可见光区对光的吸收率可达到90%。在模拟SISGS中进行太阳能水蒸汽实验，发现在1太阳下200℃处理的山药光吸收体其性能最好，其太阳能-水蒸汽转换率约为90%。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 太阳能产汽系统的分类

1.2.1 太阳能光热转化材料在水体下方

1.2.2 太阳能光热转化材料在水体中

1.2.3 太阳能光热转化材料位于水体上方

1.3 太阳能光热转化材料的分类及其光热转换机理

1.3.1 金属纳米颗粒

1.3.2 纳米半导体材料

1.3.3 碳基材料与聚合物基黑色纳米材料

1.4.1 计算方法

1.4.2 太阳能界面产汽系统中提高水体蒸汽产量的方法

1.5 应用

1.5.1 海水淡化

1.5.2 废水处理

1.5.3 其他应用

1.6 课题的研究背景、意义及主要内容

1.6.1 课题背景与意义

1.6.2 主要研究内容

第2章 凹凸棒基光吸收体的制备及其性能研究

2.1 前言

2.2.1 主要药品

2.2.2 仪器及设备

2.3.1 凹凸棒基水凝胶的制备

2.3.2 凹凸棒基水凝胶的改性

2.3.3 凹凸棒基光吸收体的制备

2.3.4 双层凹凸棒基光吸收体的制备

2.4 结果与讨论

2.4.1 光吸收体的形貌特征

2.4.2 光吸收体的结构特征

2.4.3 光吸收体的热稳定性能与机械性能

2.4.4 光吸收体的比表面积和孔性质

2.4.5 双层光吸收体的光吸收性能

2.4.6 光吸收体的热学性质

2.4.7 光吸收体与水的接触角测试

2.5 太阳能光热产汽实验

2.6 本章小结

第3章 黏土基光吸收体的制备及其性能研究

3.1 前言

3.2.1 主要药品

3.2.2 仪器及设备

3.3.1 埃洛石基光吸收体的制备

3.3.2 混合黏土基光吸收体的制备

3.4.1 光吸收体的形貌特征

3.4.2 光吸收体的结构特征

3.4.3 光吸收体的热稳定性能与机械性能

3.4.4 光吸收体的孔性质

3.4.5 光吸收体的光吸收性能

3.4.6 光吸收体的热学性质

3.4.7 光吸收体与水的接触角测试

3.5 太阳能光热产汽实验

3.6 本章小结

第4章 山药光吸收体的制备及其性能研究

4.1 前言

4.2.1 主要药品

4.2.2 仪器及设备

4.3.1山药光吸收体的制备

4.3.2 光吸收体处理

4.4 结果与讨论

4.4.1 光吸收体的形貌特征

4.4.2 光吸收体的结构特征

4.4.3 光吸收体的热稳定性能与机械性能

4.4.4 光吸收体的孔性质

4.4.5 光吸收体的光吸收性能

4.4.6 光吸收体的热学性能

4.4.7 光吸收体的亲水性能测试

4.5 太阳能水蒸汽性能测试

4.6 本章小结

结论

参考文献

致谢

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