摘要
淡水资源的短缺是全球发展面临的最严重威胁之一。海水淡化技术是提供优质淡水的优势途径之一。基于太阳能驱动界面蒸发的蒸馏系统因高效率、低成本、清洁能源、可持续和可扩展等优点，展示出较强的水净化潜力。然而，该系统容易存在盐析现象，削弱其光吸收能力，进而降低持续的蒸发效率。因此，光热材料的有效制备及蒸发器件结构的合理设计，是当前界面蒸发式海水淡化系统面临的挑战。本论文以宽光谱吸收、大比表面积及可调浸润性的纤维材料为基础，通过多级结构和空间维度的协同设计和搭建，制备了具有高光热转换效率、良好的热集中和热限域能力、高效的水运输通道和低热损失的蒸发器件，实现了持续高效的界面蒸发，同时，通过引入其他辅助能源还可突破太阳光照时间的限制，为推进界面式太阳能海水界面蒸发系统的实用化提供了新思路。本论文的主要研究内容如下: (1)通过静电纺丝和一步聚合法在PAN纳米纤维表面均匀包覆超厚PDA壳层，进而制备了D-PAN@PDA@Ag核壳纳米复合纤维膜。研究表明，D-PAN@PDA@Ag纤维膜具有宽光谱吸收、高比表面积、良好的机械性能、超亲水性及可大量制备等优势。以D-PAN@PDA@Ag核壳纳米复合纤维膜为基础构建的空间分离式光热界面蒸发器，在海水淡化过程中不仅具有良好的热集中和热限域性能，还能够提供良好的水运输通道，避免了盐沉积。在1倍太阳光照下，蒸发速率和能量转换效率达到1.91kgm-2h-1和85.5％，显示出连续稳定的光热海水淡化性能。同时，通过实验分析和理论计算初步探究了PDA分子与水分子的作用机制，也为光热纤维膜材料的构建提供了新思路。 (2)为进一步提高光吸收率并优化蒸发器的结构，通过静电纺丝制备了聚氨酯一碳纳米管(TPU-CNT，TPC)复合纳米纤维膜，与炭黑(CB)材料相结合，经气体膨胀法和表面浸润性质调节制备了具有自漂浮性能的表面超疏水纳米纤维基JanusTPC@CB泡沫光热材料。在界面式太阳能海水蒸发过程中，泡沫表面的疏水性CB层提供了高效光吸收(98％)，底部由相互连接的薄纳米纤维层构成的大孔亲水性TPC泡沫提供了水的快速运输通道及良好的隔热性能，使热量集中加热顶部的薄层水，并实现了自漂浮和自铺展性能，简化了器件的设计，更贴近实际应用的需要。结果表明，JanusTPC@CB泡沫在干湿状态下的导热系数分别为0.0398Wm-1K-1和0.115Wm-1K-1，展现出较好的隔热性能。在1倍太阳光照下，JanusTPC@CB泡沫蒸发器蒸发速率为1.80kgm-2h-1，光热转换效率为97.2％，具有高吸光率、优异的耐盐性和低热损失等优点，即使在处理高盐度盐水或废水时也能实现高效蒸发，并能够从模拟废水中获得回收盐，有望实现含盐废水的低成本零排放处理，具有较好的海水淡化和废水处理应用前景。 (3)为了突破日间光照时间的限制，采用原位生长法在碳布(CC)表面生长了碳纳米管(CNT)，制备了CC-CNT光热材料，该材料不仅具有高效的全谱光吸收，还具有良好的导电性能，通过蒸发器的构建，实现了光热和电热协同作用的高耐盐和全天候界面式太阳能蒸发器。以CC-CNT作为光热和电热材料，采用超亲水商用纤维布作为高效水传输介质，低热导率的PS泡沫提供隔热和漂浮性能，组装了Janus结构蒸发器件，分别探究了该器件的光热海水蒸发性能以及光热/电热协同作用的海水蒸发性能。在一倍太阳光照下，该蒸发器的蒸发速率达1.67kgm-2h-1，太阳能转换效率为88.9％。在一倍太阳光并施加1.8V电压时，蒸发速率高达3.29kgm-2h-1。同时，在高浓度盐水蒸发过程中，蒸发器的蒸发速率无明显降低，表现出良好的耐盐性能。此外，利用小型太阳能电池作为电能补充，构建的蒸发回流器件能够以5.70kgm-2d-1的高速率连续收集清洁水，且符合饮用水标准。这项研究提供了一种构建高性能界面蒸发器件的新方法，拓展了高效太阳能海水淡化的实际应用。
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