自驱型界面太阳能驱动水蒸发装置的设计及其水纯化性能研究

作     者：冯心悦 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于中振

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）] 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] 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）] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：太阳能驱动水蒸发 聚吡咯 羧基化碳纳米管 脱盐 油水分离 

摘      要：淡水资源在维持人类生命活动中占据着无可替代的地位,其对于实现可持续发展同样具有不可或缺的重要性。然而,令人担忧的是,尽管地球表面被水覆盖的面积超过70%,但可供人类直接利用的淡水资源却仅占全球水量的极小部分,不足1%。鉴于淡水资源的严重短缺,探索可持续且可再生的淡水获取技术显得尤为迫切。太阳能界面水蒸发技术,在水-空气界面通过太阳能加热,促进水的蒸发,以一种环保可持续的方式实现了对含盐水或污染水的净化。然而,这一技术的实施过程中仍面临着诸多挑战。例如,海水在长时间蒸发过程中会产生盐结晶问题;海上石油开采过程中的原油泄漏等污染事件也会对海水质量造成严重影响,进而对界面光热驱动水蒸发技术带来挑战。为实现多功能水净化,最大限度利用热能,提高界面太阳能驱动水蒸发的效率及抗盐、净化油污海水的能力,本文对供水系统、热管理以及光热系统的特性与设计进行了深入研究。本文分别采用了高光吸收率的羧基化碳纳米管和聚吡咯作为光热转换材料,以超亲水竹纤维布作为基体材料,通过对供水方式的设计和装置结构的调控,在保证原材料优势的前提下进一步提高了装置的水蒸发效率和其在复杂环境中的多功能应用,具体研究内容如下: （1）本课题采用羧基化碳纳米管作为高效光热转换材料,并以竹纤维布作为支撑基体,构建了一种三维倒锥形太阳能蒸发装置（CBF）,该装置旨在实现高效水蒸发,并具备长期稳定的抗盐性能。为优化自供水与排盐机制,综合设计了基于浓度差驱动的供水方案。同时设置了多条输水通道,以强化整个装置的自供水能力。此外,利用装置丰富的侧面面积增强了额外的冷蒸发效果,显著提升了蒸发器整体蒸发性能和使用寿命。在一个太阳光强度照射下,本课题设计的三维CBF蒸发器展现出了卓越的蒸发速率(2.93 kg m-2h-1)。且在3.5 wt%的盐水溶液和每天8小时的光照条件下进行7天的太阳能驱动蒸发抗盐的过程中,三维CBF蒸发器的平均蒸发速率保持在2.76 kg m-2h-1,体现了蒸发装置高效的水蒸发和优异的循环稳定性。 （2）本课题首次设计并制备了一种虹吸式倒锥形双层太阳能蒸发器,通过采用原位生长聚吡咯涂层作为亲水及光热转换层,结合PDMS改性的竹纤维布作为亲油层,该蒸发器成功实现了高效且稳定的太阳能驱动水蒸发以及油水分离。值得注意的是,在该装置体系中,光热效应有效降低了油的粘度,提高了油的输送速率,并且通过构建高度差,进一步强化了从上而下的虹吸式自发供水供油机制。这一设计显著提升了水蒸发效率和油回收效率。在1个太阳光强度的照射下,该3D双层蒸发器展现出了卓越的性能,其水蒸发速率最高可达到3.02 kg m-2h-1,而油回收速率达到30 L m-2h-1。值得一提的是,在经过长期脱盐实验后,该蒸发器依然能够保持稳定高效蒸发速率,充分证明了其出色的耐久性和稳定性。