摘要
随着工业的快速发展、人口数量的不断增长和环境污染的严重恶化，淡水资源短缺日益严重，已逐渐威胁到了人类的生产和生活，是人类社会面临的一项严峻挑战。为此，各种技术被研究用于高效地淡化海水和净化废水，例如，渗透、电渗析、蒸馏、冷冻等。其中，太阳能驱动界面蒸发（SDIE）由于太阳能取之不尽、普适性强、容量大、成本低、环境友好等优点，作为一种可再生的环境友好型海水淡化和废水净化技术，对于解决长期存在的全球水资源短缺问题具有重要的现实意义，因此引起了学术界广泛的关注和研究。其中，光热材料作为太阳能吸收体，其优异的光吸收能力和高效的光热转换能力是SDIE体系高效运行的前提。然而，其结构设计趋于平面化，蒸发速率低且难以连续和大规模制备，严重阻碍了其大规模发展和应用。在此，本文利用具有高光吸收和光热转换能力的MXene（Ti3C2Tx）材料作为光热转换材料，优异机械性能和多孔性的棉织物（CF）作为基底，较好亲水性的聚合物聚乙烯醇（PVA）作为交联关键组分，通过浸渍和电子束（EB）辐照诱导交联法制备了聚乙烯醇（PVA）/MXene光热织物（MHCF）。研究了MHCF的稳定性、光热转化性能、光热蒸发性能、以及在海水淡化和废水净化处理上的应用能力。主要研究内容和结果如下： （1）制备工艺研究：以具有低成本、高孔隙率，优异的亲水性和机械强度的CF作为基底，将CF浸渍到PVA和MXene的均匀分散液中，通过EB辐照诱导交联得到了具有坚固性、超稳定性、耐用性和便携性的MHCF。通过对MHCF进行长时间的超声处理，以及将不加PVA辐照交联的样品（MF）和MHCF在纯水中长时间浸泡对比和MHCF在不同pH溶液中长时间浸泡，通过观察样品表面MXene的脱落和氧化状况，证明了MHCF的坚固性和稳定性。MHCF中PVA、MXene和CF三者之间通过辐照产生的自由基而引发交联和接枝反应。此外，加入PVA辐照诱导交联后，MXene的活性边缘和表面位点可以受到自由基诱导的交联保护，并与PVA链和CF的纤维素链接枝，尽可能减少了MXene的氧化和降解，提高了MHCF的稳定性和耐用性。之后，通过调整MXene浓度、PVA浓度、吸收剂量等参数制备了一系列光热织物材料。通过热重测试，表明了MXene在CF上的负载量随着MXene浓度的增加而增加。 （2）MHCF光热蒸发性能研究：通过紫外/可见/近红外光谱对MHCF的光吸收能力进行了分析。结果表明MXene纳米片在CF上的负载在捕获太阳能上发挥了重要的作用，MHCF在300-2500nm波长范围内表现出宽的光吸收范围和优异的光吸收能力。利用实验室自制的设备在模拟太阳光光源下对不同MXene负载量的MHCF-1、2、3进行了光热蒸发测试。在一个太阳光照强度下（1kWm-2），MHCF-2（MXene浓度为5mgmL-1）的蒸发速率最高，达到了1.65kgm-2h-1，突破了二维平面材料的极限（1.47kgm-2h-1）。进一步通过热重测试计算了水在MHCF中的蒸发焓。结果显示，PVA交联网络具有明显的水活化作用，削弱了水分子之间的氢键强度，从而降低了蒸发器中水分的蒸发焓，实现了高效的太阳能界面蒸发效率。之后，进一步探究了PVA浓度、吸收剂量对光热织物材料界面蒸发性能的影响。结果表明样品的蒸发速率随着PVA浓度的增加先增加后保持相对平稳，而吸收剂量对样品的蒸发速率影响不大。最终综合考虑确定了最佳工艺：MXene浓度：5mgmL-1，PVA浓度：5wt%，吸收剂量：30kGy，即MHCF-2。此外，进一步研究了在不同光照强度下MHCF-2的纯水蒸发性能，在2个太阳光照强度下，MHCF-2在纯水中的蒸发速率上升到3.75kgm-2h-1。由于MHCF结合了CF良好的柔韧性，可进行折叠和裁剪，因此可以简单实现二维到三维的可逆转换。本实验进一步将MHCF-2分别设计为圆柱形和M形三维结构，进行光热蒸发测试。在一个太阳光照强度下，纯水蒸发速率明显得到提高，且圆柱形MHCF三维蒸发器（3D-MHCF）的蒸发速率高达3.74kgm-2h-1，这表明了织物基光热材料蒸发器在应对复杂多变的场景下的潜力。 （3）MHCF的蒸发稳定性和界面蒸发应用研究：EB辐照诱导共价交联使MXene、PVA和CF之间产生了强相互作用，使得MHCF具有坚固性、超稳定性、耐用性和便携性。MHCF-2在3.5wt%NaCl溶液中，在一个太阳光照强度下循环12次，每次4h，其蒸发速率保持相对稳定，且平均蒸发速率可达到1.49kgm-2h-1。通过长时间连续蒸发，MHCF-2表面无明显的盐堆积，蒸发性能几乎没有下降。利用MHCF-2对配置的模拟海水进行太阳能蒸发脱盐处理，淡化前后溶液中各盐离子浓度显著下降，截留率接近100%，完全达到了人类饮用水标准。此外，研究了MHCF-2在模拟工业废水和染料废水中的蒸发性能和净化能力，结果表明MHCF-2在模拟工业废水和染料废水中都具有较高的蒸发效率和优异的稳定性，并能够高效地从废水中产生淡水，所产淡水中重金属离子和染料的去除率也都接近100%。这表明了具有高光热蒸发性能和稳定性的MHCF利用SDIE技术在海水淡化和废水净化处理上具有广阔的发展前景。
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