废棉纤维的回收及其在光热蒸汽转换领域的应用

作     者：许正彬 

作者单位：东华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王黎明;张红霞

授予年度：2023年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：废棉 棉纤维基气凝胶 炭粉 光热效果 污水净化 

摘      要：随着经济社会的发展和人类生活条件的不断提高,对纺织品的需求量不断增加,同时,也存在纺织品的使用周期短的问题,进而导致废旧纺织品日益增加。当下,废旧纺织品主要通过焚烧和填埋等方式处理,既污染了自然环境,也造成了严重的资源浪费。在废旧纺织品中,纯棉及含棉纺织品约占三分之一,而棉纤维具有良好的生物降解性和可再生性等优点。因此,如何实现废旧棉纺织品的回收再利用同时给予其高附加值具有重大的研究意义。其中,以棉为原料制备的气凝胶凭借其显著的物化效果得到了广泛的使用。本文以天然废棉为基础,通过物理与化学相结合的方式,构筑了棉纤维基气凝胶;并结合高温炭化处理的棉杆作为光吸收材料,制备出具备成本低、可扩展和可生物降解等优点的气凝胶光热蒸发器,用于水处理,为废旧棉纺织品的高值化利用提供了全新的思路。开展具体工作如下:(1)本文以天然棉纤维为原料,借助高速剪切的方式剪切并分散纤维,反复水洗以除去其中的杂质,借助环氧氯丙烷对分散后的棉纤维进行化学交联,然后通过冷冻干燥的方式制备棉纤维基气凝胶。通过正交实验确定了制备过程中交联剂环氧氯丙烷的最佳使用量,利用扫描电子显微镜(SEM)、红外分析仪(FTIR)、机械压缩等测试手段对气凝胶的结构与性能进行表征。结果显示,化学交联处理可以增强纤维的结合效果,改善孔洞结构的分散均匀性。交联构筑的棉纤维基气凝胶密度为9.8 mg/cm、孔隙率为98.5%,比表面积为9.8 m/g。水滴与气凝胶表面的接触角为39.6°,表明其亲水性良好;应力-应变曲线则表明其有着较强的机械性能。(2)以废弃棉杆为原材料,通过高温炭化并球磨粉碎的方式制备炭粉(光吸收材料),以乙醇为分散剂,添加聚乙烯吡咯烷酮提高炭粉的液相分散效果,加入甲基三甲氧基硅烷作为偶联剂。通过喷枪将炭粉溶液喷涂在之前制备的棉纤维基气凝胶表面,制备出炭粉-棉纤维基气凝胶。通过扫描电子显微镜(SEM)、红外分析仪(FTIR)、热重分析仪等对其结构和性能表征。结果显示加入聚乙烯吡咯烷酮和甲基三甲氧基硅烷的炭粉溶液,其与气凝胶结合的更为紧密,且分布均匀。热失重分析表明炭粉-棉纤维基气凝胶的热稳定性比单纯棉纤维基气凝胶明显提升,水滴与表面接触角可达160.2°,说明制备的光热气凝胶可自漂浮在水面。(3)分别在炭粉溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮、甲基三甲氧基硅烷,制备出三种炭粉-棉纤维基气凝胶,对其进行光热水蒸发性能测试。结果显示其在250～2500nm波长范围内光吸收率为90%以上,三种炭粉-棉纤维基气凝胶的热导率分别为0.049,0.043和0.039 W?m?K,在不同太阳光照强度下,得出加入聚乙烯吡咯烷酮和甲基三甲氧基硅烷的炭粉-棉纤维基气凝胶光热性能最好,器件在1个太阳光下水蒸发速率为1.9 kg?mh,通过计算得到其光热转换效率为82.13%。在一个太阳的光照条件下,循环使用4次后光热效果稳定,蒸发速度为1.46 kg?m?h。再者,该气凝胶可实现对含非挥发性污染物的污水有效分离净化,净化率可达到99.9%以上。