乳酸菌吸附法制备铜碳复合材料及其自漂浮气凝胶的太阳能蒸发特性

作     者：张同星 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭成龙

授予年度：2023年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：太阳能蒸发 海水淡化 铜碳复合材料 自漂浮气凝胶 乳酸菌吸附法 

摘      要：淡水资源的重要性不言而喻。由于地区分布和人口密度差异,全球范围内的许多区域受到不同程度缺水的影响,利用广泛存在的海水进行海水淡化以扩大淡水产量是一个有效的解决办法。另一角度,随着工业发展,重金属离子的污染进一步威胁着人类的淡水安全。在防治重金属铜离子的污染的方法中,生物吸附法具有高效率、低成本和适应性广的特点。同时注意到,该方法的产物中富含大量的铜元素和碳元素,而铜基半导体材料和碳基材料可以作为高效光热转换材料,通过光热转换效应将光能转化为热能并加以利用。太阳能由于其清洁可持续的特点,被誉为“21世纪的能源。利用太阳能进行海水淡化和盐水蒸发的技术是高效光热转换材料应用的领域之一,该技术将光热转换产生的能量用于蒸发咸水,再冷凝收集得到淡水,能够有效提高淡水量,同时破除传统海水淡化方式高成本、高能耗和高污染的限制,是海水淡化领域发展的重要方向。因此,将生物法吸附铜离子产物再利用来制备高效光热转换材料,并用于太阳能水蒸发与海水淡化,对降低现有光热转换材料的成本、减少铜污染以及缓解水危机具有重要研究意义和价值。本文从上述角度出发,首先利用乳酸菌吸附铜离子得到含铜菌泥,再碳化得到铜碳复合光热转换材料,通过分析乳酸菌吸附前后及碳化前后的元素和化学组份,确定铜元素的成功引入,证实了通过乳酸菌生物防治铜离子污染产物制备高效光热转换材料的可行性。其次,将铜碳复合光热转换材料引入琼脂体系,与隔热层一道一体化浇筑出自漂浮气凝胶。并通过改变隔热层XPS板的结构形式,制备出四周提水式和中心提水式两种提水结构的自漂浮气凝胶。随后对两种气凝胶进行性能和实验测试,发现四周提水式气凝胶在光热材料添加量为0.3 g,蒸发层与隔热层高度比例为1:1时,蒸发性能最优,在1 k W m的光强下蒸发速率和蒸发效率分别达到1.60 kg m h和82.6%。对中心提水式气凝胶来说,同样在0.3 g负载量和1:1的蒸发层隔热层高度比时获得最佳蒸发性能,但其最高蒸发速率和蒸发效率相比四周提水式气凝胶有所提高,分别为1.65 kg m h和87.5%。光照强度的影响实验表明,实现高效太阳能蒸发需要兼顾蒸发速率和蒸发效率。此外,循环稳定性测试和海水淡化实验结果显示,两种提水结构的气凝胶均具有良好的稳定性和海水淡化能力,淡化水的离子(Na、Mg、K和Ca)浓度成功达到世界卫生组织的饮用水标准。整体相比,中心提示式气凝胶的太阳能蒸发性能优于四周提水式气凝胶。最后,根据流体的热力学性质和迁移性质,利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件构建两种自漂浮气凝胶的水-热-盐多场耦合数学模型,对其太阳能水蒸发实验的稳态温度场、蒸汽场和盐浓度场进行了数值模拟研究。结果表明,模拟研究与实验研究的数据互相吻合,为实验部分结果的理论分析提供了技术支撑。值得注意的是,盐分布场显示了两种提水方式下气凝胶潜在的两种不同应用方法,即可分别用来开发抗盐蒸发器和集盐蒸发器。该论文有图40幅,表7个,参考文献102篇。