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《中国矿业大学》 2019年
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碳纳米管复合薄膜的构建及其太阳能蒸发特性研究

苗恩东  
【摘要】:太阳能作为一种取之不尽用之不竭的可再生能源,在缓解当前人类所面临的能源和水资源短缺等挑战方面具有广阔的发展前景。通过太阳能蒸发技术,将太阳能转换为热能并进一步应用于海水淡化,可以一定程度上满足人类对淡水资源的需求。一些在全太阳光谱内具有良好吸收性能的光热转换材料,如金属纳米粒子、碳基纳米粒子等,具备优异的光吸收和热转换能力。通过将这些光热转换材料与支撑基材进行复合,能够获得具有优异光吸收和热转换性能的光热复合薄膜,将其应用于太阳能海水淡化领域在理论上可以获得无限量的淡水资源。因此,未来这类太阳能蒸发复合薄膜在太阳能海水淡化等领域预期将得到更广泛的应用。本文开发了两种以碳纳米管为光热转换材料的复合薄膜,包括碳纳米管-聚偏氟乙烯复合薄膜和碳纳米管-滤纸复合薄膜并根据界面太阳能蒸发的概念设计了膜蒸发装置和一体化蒸发装置,同时对其制备流程、结构表征及太阳能蒸发机理和性能等方面进行了深入研究。首先通过相转化法制备了碳纳米管-聚偏氟乙烯复合薄膜,实现了碳纳米管光热转换材料的固定化。复合薄膜在全太阳光谱范围具有高效的光吸收性能,同时其自身的微孔结构赋予了其良好的亲水性,保证了薄膜在蒸发过程中保持湿润状态。为了减少太阳能蒸发过程中从薄膜流向底部水体的附加热损失,设计并构建了一个膜蒸发装置。其主要组件包括一个作为太阳能吸收和光热转换层的碳纳米管-聚偏氟乙烯薄膜、做为输水材料的定性滤纸圆片和四条与圆片相连的条状滤纸带、一个作为隔热层的气凝胶毡。研究了碳纳米管浓度和光照强度对碳纳米管-聚偏氟乙烯复合薄膜及相应膜蒸发装置太阳能蒸发性能的影响并对其循环稳定性进行测试。在1 kW m~(-2)的模拟太阳光照强度下实现了84.6%热转换效率和1.31 kg m~-22 h~(-1)的蒸发速率。其次,利用旋涂法使铸膜液中的碳纳米管-聚偏氟乙烯颗粒均匀地负载在亲水性良好的定性滤纸上构建了碳纳米管-滤纸复合薄膜,赋予了其优异的光吸收性能;通过负载聚氨酯泡沫显著降低了薄膜的热损失同时构建了一体化蒸发装置,实现了光吸收、水传输和热管理的完美耦合。制备得到的复合薄膜表现出大于95%的太阳光高吸收率,并在光照强度为的1 kW m~(-2)条件下获得了约88%的高热转换效率。
【学位授予单位】:中国矿业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TK511;TQ127.11;TB383.2

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