摘要
随着全球人口增长和环境污染的加剧，淡水资源短缺的问题已经日益严重。预计到2025年，世界上将有超过50％的人口遭受淡水短缺的困境，而且到2050年，这一数值将会攀升到75％。在这种情况下，淡化海水以及净化污水日益成为了一种获取淡水资源的重要手段。然而，传统的海水淡化和污水净化工业主要以石化能源作为能量驱动，存在能耗高，污染环境，生产工艺复杂，设备成本高等问题，因此很难在贫困偏远地区推广应用。 作为一种环境友好型的可再生能源，太阳能已经被广泛应用在光伏发电、光热转化以及太阳能制氢等领域。因此，利用太阳能作为驱动能源的界面蒸发系统，已经成为了一种新型的获取淡水的手段。目前，太阳能驱动的界面蒸发系统主要的应用领域有两个，分别为海水淡化和污水处理，该系统能够吸收太阳能并将其转化成热能来促进水体的蒸发，蒸发的水蒸气经冷凝后形成淡水并收集，而水中的杂质和盐离子则会残留在水体中。然而太阳能驱动的界面蒸发系统仍然存在一些问题，需要进一步改进,例如提高蒸发效率、提高对水中有机污染物的去除效果、开发合成性能优异的光热材料以及降低制作成本等。基于上述问题，本文通过对g-C3N4和ZnIn2S4进行修饰构建了一系列光热材料，制备了性能优异的界面蒸发装置，从而大大提高淡水生产效率和水体质量。具体的研究内容如下: (1)以掺杂了金纳米颗粒的片状氮化碳AuNPs@g-C3N4作为光热材料，将其负载到碳化三聚氰胺泡沫上，构筑了AuNPs@g-C3N4/CMF界面蒸发膜(AMF)。通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜对光热材料的形貌特征以及AMF的三维网络结构进行了表征。出色的输水能力，良好的隔热性能以及吸光性能使得AMF在1kWm-2的光照强度下能达到1.675kgm-2h-1的蒸发速率，相应的光热效率能够达到94.03％。这样的优异的基本性能使得AMF能够对海水中的离子达到99.94％的平均去除率，并在高浓度的盐水溶液中保持较高的蒸发速率。通过ICP和高效液相色谱对处理前后的污染液进行了测定，测定结果显示在一个太阳的光照强度下，AMF能够对重金属离子和有机污染物分别取得99.9％和99％以上的去除率。 (2)通过硅烷的直接水解，得到了带有巯基官能团的SiO2微球，进一步通过水热法在其表面原位生成了ZnIn2S4，与掺杂了活性炭的海藻酸钠气凝胶共同构筑了ZnIn2S4@SiO2/ACSA界面蒸发膜(ZSAS)。通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜可以清楚的看出ZnIn2S4在SiO2表面的成功负载以及核壳结构的形成。活性炭粉末的掺杂在增强了界面蒸发膜吸光性能的同时，起到了填料的作用，改善了蒸发膜的机械稳定性。气凝胶的多孔结构保证了界面蒸发膜内充足的水分供应。在1kWm-2的光照强度下，ZSAS-3能取得1.485kgm-2h-1的蒸发速率以及96.33％的光热效率。在淡化海水方面，该界面蒸发膜在模拟海水中具有很好的连续工作能力并且能够适应较高浓度的盐水环境。在污水处理方面，蒸出液中的重金属离子和有机染料浓度均出现了明显的下降。 (3)此外，为了进一步降低界面蒸发装置的制备成本，我们以制备了负载了MIL-100(Fe)@g-C3N4复合材料的MIL-100(Fe)@g-C3N4/ACSA界面蒸发膜(MCAS)。黑色海藻酸钠气凝胶丰富的孔状结构为水分的输送提供了通道，其较低的热导率使得热量最大程度的局限在界面蒸发器表面，使得MCAS-3的表面温度能在1h内上升到44.4℃,从而使得该MCAS-3界面蒸发膜获得较高的蒸发速率(1.562kgm-2h-1)以及光热转化效率(93.5％)。在海水淡化方面，通过抗盐实验证明了MCAS-3能在海水中连续工作的能力，蒸出液中的离子含量远低于世界卫生组织的最低标准。在污水处理方面MCAS-3对水中的重金属离子以及有机污染物均取得了令人满意的去除效果，去除率分别达到了99.9％和99.8％。
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