摘要
水是生命之源，是人类以及一切生物赖以生存的重要的物质。但是随着工业化的发展和世界人口的增长，饮用水资源受到了严重的污染。饮用水短缺和淡水资源分配不平衡已成为紧迫的危机。因此，淡水短缺逐渐成为了人类日益关注的问题。面对21世纪淡水资源短缺的严峻挑战，许多淡水再生策略被开发和使用。由于海水储量占全球水储量的96.5％,所以海水淡化被认为是缓解水危机的有效手段。太阳能是应用最广泛的可再生能源，对人类而言是无穷无尽的，利用太阳能产生蒸汽可应用于污水处理、海水淡化、蒸汽发电等多个领域。近年来，新兴的太阳能驱动界面水蒸发技术(SVG)以其清洁、充足和免费的特点，被人们认为具有巨大的海水淡化潜力，尤其是在偏远和贫穷的国家与地区。SVG利用光热材料将太阳能转换为热能，直接生产饮用水。它主要在汽液界面进行光热转换，这样可以有效减少热损失，提高光热转换效率（η)。然而，目前用于海水淡化的水蒸发器存在机械强度差、光热转换效率低、盐沉淀过多和表面细菌生长、无法净化受油污染的海水等问题，亟需寻求新的有效解决方案。 针对以上问题，本论文以过期酸奶为主要原料，采用冻干与煅烧方法来制备三维水蒸发器，所制备的三维水蒸发器由于其独特的微孔结构，在石油污染海水的净化方面具有巨大潜力。利用其优异的光热转换性能，构建了两种不同的三维水蒸发器，实现了海水淡化和油污染海水净化。主要研究内容如下: (1)以酸奶为主要原料，随后混入高吸水性聚合物(SAP)和聚乙烯醇(PVA),进一步经过冷冻干燥与高温煅烧，得到一种过期酸奶衍生的三维水蒸发器。该水蒸发器具有较强的机械性能，能够承受2.5MPa的最大压力。通过改变SAP和PVA含量可有效调节水蒸发器中吡咯氮含量，进而通过降低水的蒸发焓来提高水蒸发器的光热转换效率。系统地考察了不同实验组的水蒸发性能，实验结果表明优化后的水蒸发器在一个太阳光照射下的水蒸发速率为3.25kgm-2h-1,光热转换效率为96.47％。使用该水蒸发器对海水进行淡化处理后，净化后的水中Na+、K+、Mg2+和Ca2+离子浓度均满足饮用水标准。优化后的水蒸发器因其独特的润湿特性和微孔结构，可以净化油污染海水。本研究开发的过期酸奶衍生的三维水蒸发器在石油污染海水的净化方面具有较大的应用潜力。 (2)以三聚氰胺为原料，利用高温煅烧法制备了C3N4。然后在上一章过期酸奶和PVA的基础上掺杂了C3N4,经过冷冻干燥后，在氩气的气氛下对其进行高温煅烧处理，得到了一种新型三维水蒸发器，该蒸发器在200～2500nm范围内具有全光谱吸收特性，与太阳光谱匹配良好，具有良好的光热转换能力。此外，其表面还具有稳定的可运输水的微孔结构，使其具备出色的水分运输性能。另外，通过优化C3N4的含量可有效地增加水蒸发器的蒸发速率，提高太阳能光热转换效率。由于C3N4具有良好的热稳定性和化学稳定性，且对大肠杆菌有良好的抑菌作用，所以该水蒸发器不仅可用于海水淡化、含油海水净化、含重金属离子和染料废水净化等方面，还可用于含细菌海水净化。因此本研究为未来制备低成本的太阳能驱动的水蒸发器提供了新方案。
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