光热界面蒸发提取硫代硫酸钠及其复合相变材料热特性研究

作     者：梁俊文 

作者单位：东莞理工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：王方娴;卢智燊

授予年度：2024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] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：界面蒸发 高盐废水 水合盐 相变微胶囊 热特性 

摘      要：近代工业快速发展带来物质生活水平的提高,同时引发了环境污染和破坏问题,其中高盐废水污染已经严重威胁人类健康和社会稳定,因此,迫切需要解决高盐废水污染及资源化利用问题。太阳能驱动界面蒸发技术是处理高盐废水的有效方法,然而光热材料存在光蒸发速率低、环境耐受性差和循环稳定性差等问题,且高盐废水中高附加值的盐难以回收再利用,制约其规模化应用。碱渣废水中提取的硫代硫酸钠与水复配后形成的五水硫代硫酸钠是一种储能密度大的水合盐相变材料,但其存在过冷、相分离及循环稳定性差等问题,开发一种新型的水合盐封装方法是解决上述问题的有效途径。本文通过调控反应条件和优化制备工艺,研制出光热性能优异、循环稳定性好的Cu/BiOBr/MWCNTs@BF膜,研究了光热膜在高盐废水中的光热蒸发性能、耐盐性能及硫代硫酸钠定向提取行为,揭示其界面蒸发机理和脱盐机制;采用改性氮化硼和二氧化硅作为壳材对五水硫代硫酸钠进行有效封装,并将研制出的五水硫代硫酸钠@改性氮化硼-二氧化硅双壳相变微胶囊对锂电池商业隔膜进行改性,致力于研制储能密度大、电解液亲和性好、热性能优异的相变微胶囊改性隔膜。具体结论如下: （1）开发一种简便的、可扩展的方法制备Cu/BiOBr/MWCNTs@BF膜,用于太阳能驱动界面蒸发提取硫代硫酸钠,同时回收洁净水。基于Cu/BiOBr/MWCNTs@BF膜的协同光催化-光热系统,在1 k W·m光照强度下实现2.13 kg·m·h的蒸发速率,蒸发效率高达92.98%,同时实现冷凝水中罗丹明B的100%去除率。在1 k W·m光照强度下,经过70次以上循环依旧得以保持较高的蒸发速率,稳定性优异。高光热转化效率、优异的光催化性能和盐提取行为归功于多功能膜的综合优化和协同效应:水热法形成的Cu/BiOBr/MWCNTs具有优异的光热转化性能和良好的导电性,实现水的快速蒸发和光诱导电荷分离;具有强大毛细管力的超亲水竹纤维膜被用作水的输送通道,实现高浓度盐溶液连续输送;多功能膜中加入聚乙烯醇,降低了水的蒸发焓,有效提高水的蒸发速率;蒸发反应器形成的盐浓度梯度有利于硫代硫酸钠在多功能膜边缘结晶析出。这种Cu/BiOBr/MWCNTs@BF膜具有良好的光热-光催化性能和盐定向提取性能,在高盐废水处理及其资源化利用领域具有潜在的应用前景。 （2）开发一种五水硫代硫酸钠/改性氮化硼-二氧化硅双壳相变微胶囊制备方法,成功应用于锂电池商业隔膜改性,提高隔膜的储能密度、电解液亲和性和热稳定性。通过球磨法辅助剥离六方氮化硼,制备分散稳定性优异的改性氮化硼纳米片;系统考察改性氮化硼含量、芯材和二氧化硅前驱体配比、表面活性剂、引发剂和催化剂含量、乳化工艺和反应时间等对相变微胶囊的形貌、相变焓值和热稳定性等的影响和机理,获得熔化焓为125.5 J·g、分解焓为522.2 J·g且循环稳定性良好的高性能五水硫代硫酸钠/改性氮化硼-二氧化硅双壳相变微胶囊。将含有相变微胶囊的乳状液均匀涂覆于商业隔膜上,所得的相变微胶囊改性隔膜的接触角仅为8.74~o,证明其具有优异的电解液亲和性能。在120℃加热条件下,商业隔膜发生熔化并严重变形,收缩率高达95%,而相变微胶囊改性隔膜的收缩率小于3%,结果表明具有高储能密度和良好热传导性能的相变微胶囊有助于提高隔膜的温度均一性和热稳定性,在锂电池热管理及热失控防护领域具有良好的应用潜力。