定向排列碳纳米管涂层织物的制备及其在太阳能光热水蒸发中的应用

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太阳能光热水蒸发技术是一种高效可靠获得淡水的方法,具有可持续性和环境友好性,受到了材料、环境、能源等领域的广泛关注。太阳能光热水蒸发的研究核心在于开发和设计高效光热转换材料、提升太阳光吸收能力。碳纳米管(CNT)在太阳光宽波谱范围内有着高吸收率,具有良好的光热转换效果,并可通过微纳米复合结构进一步增强光吸收率,高效实现太阳能光热水蒸发。本文通过溶液蒸发诱导自组装技术,使得碳纳米管在织物表面形成了沿纤维方向自发取向的定向排列结构,利用CNT优异的光热转换能力及定向排列CNT的孔道增强水蒸发特性,结合具有冷蒸发表面的水蒸发装置,实现了柔性涂层织物的高效太阳能光热水蒸发。本课题的主要内容及结论如下:(1)利用溶液蒸发诱导自组装技术,实现了CNT在织物表面沿纤维方向自发取向的定向排列结构,通过钙离子交联,获得了CNT稳定负载的涂层织物。通过对碳纳米管和海藻酸钠(SA)混合分散液进行测试表征,证明了CNT和SA之间的非共价键作用利于CNT的稳定分散;通过对溶液蒸发诱导自组装的方法得到的CNT涂层织物进行微观形貌分析,证明了CNT在织物中沿纤维方向的取向排列;通过对钙离子交联前后的CNT涂层织物进行水洗测试,证明了定向CNT涂层在织物上实现了稳定负载。(2)利用太阳光模拟器,研究CNT涂层织物的太阳光吸收及光热转换性能,探究不同CNT自组装层数以及不同光照强度对CNT涂层织物的光热转换性能的影响。通过紫外-可见-近红外分光光度计,测试了定向CNT涂层织物在300-2500 nm波谱范围内的光反射率及光吸收率,证明了定向CNT涂层织物是低反射率、高吸收率的优异太阳光吸收材料;通过红外热像仪记录模拟太阳光照射下CNT涂层织物表面温度的变化情况,探究不同CNT自组装层数以及不同光照强度下CNT涂层织物的光热转换性能的影响,CNT涂层织物在1 min光照(1 k W·m-2)后温度立即升高15.0℃,在10 min后温度升高稳定至48.8℃,比未涂层织物的温度高19.0℃,证明CNT涂层织物具有优异的光热转换性能。(3)搭建具有冷蒸发表面的水蒸发装置,研究定向CNT涂层织物的水蒸发速率及能量利用效率等太阳能光热水蒸发性能,并对其海水淡化及纺织染液废水净化效果进行测试分析。首先通过对太阳能光热水蒸发装置进行结构设计,通过隔热材料以及界面式蒸发减少热量损失,通过形成冷蒸发表面从环境中吸取热量,结合定向排列CNT的孔道增强水蒸发作用,实时监测水蒸发减少的质量,经计算水蒸发速率达到了1.51 kg·m-2·h-1之高(光强:1 k W·m-2),且太阳光-水蒸发能量利用效率达到了83.9%;针对模拟海水及染液废水进行水蒸发净化处理,通过电感耦合等离子体质谱法对太阳能光热水蒸发海水淡化前后的离子浓度进行测试,表明淡化后的盐离子浓度下降了3-4个数量级,达到了WHO饮用水的标准;通过对纺织染液净化前后的紫外-可见-近红外吸收光谱分析,证明了太阳能光热水蒸发净化后得到了水质优良的淡水。
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