基于纳米金光热复合材料及仿生除盐蒸发系统的高效太阳能海水淡化技术研究

论文摘要

淡水资源是关乎人类生存和可持续发展的重要话题。太阳能海水淡化由于具有低能耗、可持续等优势,在缓解人类淡水资源危机上具有前景。但是,这类系统的应用目前还受限于较低的光热转换效率以及蒸发效率。同时,光热材料复杂的制备流程也限制了其大规模生产应用。围绕这些存在的问题,本文做了如下工作:第二章:为了解决光热蒸发系统热量损失较大的问题,本文设计了一种具有增强的局部加热效应的仿生系统,该系统模仿植物蒸腾作用的水分蒸发运输机制,使光热材料和水体不直接接触,在不需添加额外的隔热材料的情况下,能将转换的热量很好地限制于蒸发表层,大幅提升了蒸发效率,使得其10倍太阳光（10 sun）下的蒸发效率高达89%,在自然太阳光下蒸发效率亦可达到79%。因此,无论在高倍还是自然太阳光下,该系统均展现出较高的蒸发效率。同时,为了解决光热材料制备难、吸收率低的问题,本文首先设计了一种平板热还原法（plate thermal reduction,PTR）,用以制备纳米金/滤纸复合材料（plasmonic–active filter paper,PP）。该制备方法简单快速,制备过程不需要预先合成金纳米粒子（Gold Nanoparticles,GNPs）胶体,且制得的材料上的纳米粒子具有密集性和粒径多分散性,使得这种材料具有较宽的光谱吸收,因此具有很高太阳能光吸收率（>92%）。第三章:基于表面局部加热的蒸发方式在海水淡化中有严重的表面盐分沉积问题,这会降低其对太阳能的利用,并减少材料寿命以及增加设备维护成本。为此,本文基于三聚氰胺海绵（Melamine resin sponge,MRS）设计了一种自驱动抗盐机制。得益于MRS超强的吸水性能,海水可以通过毛细作用自发向上补充,同时蒸发过程中被浓缩的海水可通过重力作用自发下沉并离开蒸发体系,使得表面海水浓度难以达到饱和而析出,从根本上避免了表面固体盐分的产生。此外,本文还设计了一种简单的室温原位还原法（Ambient Temperature In-situ Reduction,ATIR）将MRS制备成黑金海绵（BGNPs-deposited Sponge,BDS）用以充分利用太阳光,其光吸收率高达96%以上。基于该机制设计的蒸发系统可在10倍太阳光下保持90%的蒸发效率超过11小时,在自然光下保持超过80%的蒸发效率至少4天,期间无任何固体盐分产生,实现了长期稳定高效的太阳能海水淡化。第四章:考虑到海水蒸发成水蒸气后需要冷凝回收才能获得淡水,本文进一步基于BDS蒸发器设计了一套较大尺寸的太阳能蒸馏装置用以将产生的水蒸气回收,得到所需要的淡水,其淡水产量最大可达5.9 kg m-2d-1,淡水回收率最高达到65.1%。通过控制变量的方法,本文对实验中对部分影响该蒸馏装置淡水收集量以及回收率的因素进行了探究,包括了太阳辐射、BDS/MRS接触面积以及助冷凝水,并对相关参数进行了优化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 太阳能海水淡化研究背景
•   1.2 太阳能光热蒸发系统
•   1.3 光热转换材料
•     1.3.1 光热转换材料研究概述
•     1.3.2 金纳米粒子及其光热性质
•   1.4 本文主要研究内容
• 第二章 纳米金纸光热复合材料及仿生系统的构建
•   2.1 引言
•   2.2 实验部分
•     2.2.1 实验材料及设备
•     2.2.2 纳米金纸的制备和材料表征方法
•     2.2.3 仿生系统的制作与蒸发性能测试方法
•     2.2.4 自然阳光下海水淡化能力测试方法
•   2.3 纳米金纸-仿生系统性能表征及分析
•     2.3.1 仿生系统的设计
•     2.3.2 PP表面形貌及其与光吸收性能的关系
•     2.3.3 仿生、双层、蠕动泵系统蒸发性能对比
•     2.3.4 材料稳定性表征
•     2.3.5 自然光下太阳能海水淡化测试
•   2.4 本章小结
• 第三章 黑金海绵光热复合材料和自驱动抗盐机制
•   3.1 引言
•   3.2 实验部分
•     3.2.1 实验材料及设备
•     3.2.2 黑金海绵的制备及蒸发器的构建
•     3.2.3 BDS和 MRS材料性质测试
•     3.2.4 蒸发实验
•     3.2.5 抗盐机制探究及稳定性测试
•     3.2.6 自然太阳光下太阳能海水淡化测试
•   3.3 黑金海绵及自驱动抗盐机制表征
•     3.3.1 自驱动抗盐机制的设计
•     3.3.2 ATIR法及BDS机械性能测试
•     3.3.3 BDS形貌和光吸收性能关系
•     3.3.4 太阳能蒸发和海水淡化性能表征
•   3.4 本章小结
• 第四章 局部加热系统淡水收集实验及分析
•   4.1 引言
•   4.2 太阳能海水蒸馏装置设计与测试方法
•     4.2.1 装置制作所需材料
•     4.2.2 装置设计细节与测试方法
•   4.3 不同条件下淡水回收对比
•     4.3.1 与太阳辐射的关系
•     4.3.2 与BDS/MRS接触面积的关系
•     4.3.3 与助冷凝水的关系
•   4.4 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 附录
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘智鹏

导师: 刘翼振,林德苗

关键词: 纳米金,仿生蒸发系统,表面自除盐,稳定高效,太阳能海水淡化

来源: 深圳大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 海洋学,材料科学

单位: 深圳大学

分类号: P747;TB34

DOI: 10.27321/d.cnki.gszdu.2019.000569

总页数: 78

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