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高强度多级孔水凝胶的构筑及其光热海水淡化

马骋  
【摘要】:太阳能驱动的界面蒸发是一种高效利用太阳能净化污染或海水的方法。具有光热转化性能的水凝胶,由于其聚合物网络分子筛的存在及活化水分子的特性,为太阳能水蒸发提供了一种高效的策略。然而,由于太阳能吸收剂与水凝胶基质之间的界面相互作用较弱,以及膨胀水凝胶基蒸发器的表面形貌难以控制,因此,制备具有优异的力学性能和高效能源利用率的光热水凝胶仍然具有很大的挑战性。本论文采用了一种有效的纳米限域策略,利用聚乙烯醇(PVA)和两面神氧化石墨烯(JGO)之间形成的氢键和疏水区域的强界面相互作用,原位发泡组装成的海绵状PVA/JGO杂化水凝胶(SPJH)。本文研究了PVA/JGO之间的相互作用及JGO纳米试剂的添加量和泡孔结构对水凝胶力学性能及光热性能的影响,实现了高强度多级孔水凝胶的构筑,进一步利用多级孔水凝胶的大比表面积和单分散JGO高效的光热转化性质,得到了具有快速海水淡化的蒸发器,其能源转化率达到了95%,蒸发速率达到了4.18 kg m~(-2) h~(-1),具体内容如下:本文首先研究了PVA/JGO杂化水凝胶(PJH)的制备,并对其微观形貌、化学结构、力学性能及光热性能进行了表征。PVA和JGO之间的氢键相互作用以及疏水区域的相互作用使得两者形成单分散的杂化纳米材料。通过对JGO添加量的调控,可以实现对水凝胶力学性能的精准调控,最终得出JGO的最佳添加量的是JGO/PVA质量比为2%,最大断裂伸长率可以达到114%,对应断裂强度为0.6MPa,同时,PJH也具备较好的光热转化性能,水蒸发速率达到了2.57 kg m~(-2) h~(-1),效率达到了93%。第二部分工作是制备多级孔PVA/JGO杂化水凝胶(SPJH)的可控制备,并对其微观形貌、化学结构、力学性能及运输水的能力进行了表征。不同的发泡倍率可以实现对孔径的精准控制,SPJH的断裂伸长率更大(≈310%),韧性更强(≈231k J m~(-2)),回弹性更高,断裂伸长率在JGO/PVA质量比为2%处呈现最大值;由于SPJH的表面形貌粗糙,比表面积更大,因此能量利用率更高,且冰晶冷冻会在其内部形成通孔,为水的运输提供了通道,保证了快速光热水蒸发所需的的水运输。第三部分工作是对SPJH的光热性能及海水淡化的应用进行了研究,并对其机理进行了阐述。由于JGO纳米片的能量纳米限域效应及多级孔凝胶粗糙的表面形貌,SPJH展现了很好的光热转化性能,在1个太阳光的照射下,SPJH蒸发速率为4.18 kg m~(-2) h~(-1),效率达到了95%。此外,基于SPJH的太阳能水蒸发器在自然阳光下的水净化日产量达到了22 L m~(-2),表明其在未来实际应用中的巨大潜力。


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