光热水蒸发-催化双功能竹纤维基复合材料的制备及其性能研究

作     者：潘瑞杰 

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] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 080502[工学-材料学] 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：光热水蒸发 催化降解 三维蒸发器 铁酸钴 高级氧化法 

摘      要：工业化和人口不断增长导致了严峻的能源短缺和环境污染问题。水资源短缺和水质恶化已成为全球性的紧迫问题。太阳能作为一种可再生能源,其潜力巨大,将太阳能应用于海水淡化和污水处理具有广阔的研究前景。传统的光热水蒸发技术可以从海水/污水中分离收集淡水,但鉴于有机污染物的多样性、毒性、蓄积性和难降解性,其不能有效去除这些有机污染物。基于过一硫酸盐（PMS）的高级氧化法能生成多种活性自由基,有效降解废水中的有机污染物。因此,将光热转化材料与具有高效活化PMS能力的催化剂相结合,制备成具有光热水蒸发和催化降解能力的双功能复合材料,对解决淡水资源短缺和水污染问题具有重要意义。为此,我们选取碳纳米管（CNTs）为主要光热转化材料,CoFe2O4和Au做主要催化剂,用亲水的竹纤维布为基材,制备了双功能复合材料。通过设计并优化双功能三维蒸发器,解决平面装置光热转化效率低、能量利用率低的问题,进一步提高其光热水蒸发效率和催化降解能力。具体研究内容如下: （1）山峰状铁酸钴/碳纳米管装饰的纤维布用于协同光热水蒸发和催化降解双酚A:全面净化海水/污水,确保在水蒸发的同时去除水体中的有机污染物,是提高水净化效率和解决水污染问题的关键,因此制备了CoFe2O4和CNTs装饰的竹纤维布（CCBF）,用于光热水蒸发与催化降解污染物相结合。CCBF中竹纤维具有大量的孔道和极性基团,CNTs具有高效的光热转化能力,同时原位生长的CoFe2O4不仅可以提高光热转换效率,还能激活PMS,催化降解双酚A。此外,将CCBF折叠成一个山峰状的三维蒸发器,可以提高光能利用率和利用环境能量,促进光热水蒸发和催化降解性能。三维蒸发器在一个太阳光强照射下水蒸发速率达到了2.72 kg m-2h-1,同时可在10 min内100%降解海水中的双酚A。将光热水蒸发与催化降解相结合,山峰状CCBF蒸发器对含BPA海水的水处理总速率达到27.72 kg m-2h-1。 （2）仿生牵牛花三维结构用于同时光热水蒸发和催化降解污染物的研究:针对环境湿度会影响水蒸发速率这一问题,设计了一种基于仿生牵牛花状的三维结构蒸发器,用于提高装置的光热水蒸发和催化降解性能。Au纳米颗粒具有高光热转化率、催化活性和化学稳定性等优点,是用于双功能蒸发器的理想材料,通过在CCBF表面负载Au制备获得复合材料,进一步提高其光热水蒸发效率和对污染物的催化降解能力。设计三维结构,利用烟囱效应,产生气流,降低蒸发器表面及周围空气湿度,具有中央干态“花蕊的仿生牵牛花状三维蒸发器达到了3.21 kg m-2h-1的高效水蒸发速率。此外,该材料与PMS结合使用,展现出高效的催化降解能力,且对环境因素如p H值和盐度具有良好适应性,具有广阔的应用范围。