石墨烯基光热水凝胶的制备及其海水淡化脱盐特性研究

论文摘要

随着经济的迅速发展以及水环境的日益恶化,全球淡水资源的供应量将不断减少,世界各地尤其是海岛及经济落后的山区将面临着严重的水资源匮乏问题,海水淡化技术将成为解决全球水资源短缺的重要手段。针对不同的海水淡化工艺,本论文提出了一种以太阳辐射能为光热驱动力、基于石墨烯水凝胶的新型蒸馏系统,其在海水淡化领域具有广泛的应用前景。本论文通过水热法和氧化还原法制备了两种不同的还原氧化石墨烯水凝胶柱,并针对两种不同水凝胶的外貌形态、孔道结构等参数进行深入研究,表征发现,氧化还原法制备的石墨烯水凝胶（PDA-GH）具有微米级的孔道结构,且分布均匀;多巴胺的引入使石墨烯表面功能化,增加了凝胶的亲水特性,在毛细力和渗透力作用下,加快水分传输;此外,PDA-GH在全光谱范围了具有较强的光吸收能力,优化了材料的光热性能,提高光热转化效率;经对两种不同方法制备的水凝胶进行化学成分分析表明,经还原处理后的氧化石墨烯中含氧官能团减少,碳碳键增加,且水热法对氧化石墨烯的还原能力优于多巴胺还原法。通过差示扫描量热法,对水凝胶网格中水分子的蒸发焓进行计算及相应的理论分析,表明由于凝胶网格中水团簇的存在,使得水凝胶中水分的蒸发焓比纯水的蒸发焓低得多。结合称重法,也进一步证明了两种方法制备的石墨烯水凝胶具有很高的含水率。经蒸发试验测试表明,氧化还原法制备的水凝胶具有较高的蒸发量。通过控制氧化还原法制备水凝胶过程中的溶液pH、反应物浓度、反应时间和反应温度等一系列参数,制备出蒸发性能最优的石墨烯水凝胶,其蒸发量高达2.4kg/（m2·h）。试验证明,石墨烯水凝胶的还原程度越高,其蒸发效果越差,因此,水热和碱性条件下制备的水凝胶蒸发量低于酸性条件下制备的水凝胶。此外,以化学还原法制备的石墨烯水凝胶柱作为光热材料,对其在不同的光照时间、水凝胶柱高度、光照强度、体积水的含盐度等环境变量下进行分析测试,选取最佳的制备参数和环境条件参数。最后,对水凝胶进行了实际环境和海水淡化试验测试,初步判定其在实际环境中也具有较高的蒸发效率,并在海水淡化领域表现出良好的实际应用价值,为光热蒸馏在海水淡化中提供了一种新的发展空间;对水凝胶光照30天进行老化试验测试,结果表明石墨烯水凝胶具有优异的可重复利用性和抗老化性;通过热效能评价,也进一步证实了水凝胶优异的应用潜能。

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摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 海水淡化简述

1.1.1 海水淡化背景

1.1.2 海水淡化技术方法

1.1.3 海水淡化发展局限性

1.2 太阳能蒸馏技术

1.2.1 太阳能蒸馏原理与特点

1.2.2 太阳能蒸馏系统分类

1.3 光热驱动蒸馏系统研究现状

1.3.1 光热驱动蒸馏系统耦合应用研究现状

1.3.2 光热驱动蒸馏系统性能参数研究现状

1.3.3 光热驱动蒸馏系统的热性能分析

1.4 水凝胶研究与应用

1.4.1 水凝胶的分类

1.4.2 水凝胶的应用

1.4.3 石墨烯基水凝胶的研究

1.5 课题研究内容

1.5.1 课题来源

1.5.2 研究目的及意义

1.5.3 研究内容

1.5.4 技术路线

第2章实验材料及方法

2.1 实验材料

2.1.1 实验试剂

2.1.2 实验仪器

2.1.3 实验装置

2.2 水凝胶制备方法

2.2.1 氧化还原法

2.2.2 水热合成法

2.3 水凝胶表征方法

第3章石墨烯水凝胶的制备及表征

3.1 石墨烯水凝胶的制备

3.1.1 多巴胺还原法制备石墨烯水凝胶（PDA-GH）

3.1.2 水热合成法制备石墨烯水凝胶（HT-GH）

3.2 石墨烯气凝胶的制备

3.3 石墨烯水凝胶的表征

3.3.1 孔道结构和孔径分布

3.3.2 亲疏水性

3.3.3 元素分析

3.3.4 官能团结构

3.3.5 化学成分

3.3.6 拉曼光谱

3.3.7 表面温度

3.3.8 吸光度

3.3.9 蒸发焓

3.3.10 含水率及溶胀率

3.3.11 反射率

3.4 本章小结

第4章水凝胶蒸馏效能评价

4.1 不同制备方法下的水凝胶性能测试

4.2 不同制备条件下的水凝胶性能测试

4.2.1 pH对蒸发量影响

4.2.2 氧化石墨烯浓度对蒸发量影响

4.2.3 多巴胺浓度对蒸发量影响

4.2.4 反应时间对蒸发量影响

4.2.5 反应温度对蒸发量影响

4.3 不同试验条件下的水凝胶性能测试

4.3.1 光照时间对蒸发量影响

4.3.2 水凝胶柱高度对蒸发量影响

4.3.3 光照强度对蒸发量影响

4.3.4 水的含盐度对蒸发量影响

4.4 本章小结

第5章水凝胶应用潜能分析

5.1 基于水凝胶的实际蒸发应用

5.1.1 水凝胶老化测试

5.1.2 水凝胶实际蒸发测试

5.2 水凝胶应用于海水淡化

5.2.1 水凝胶应用原理

5.2.2 水凝胶海水淡化应用

5.3 水凝胶应用的效能评价

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘东青

导师: 王威

关键词: 石墨烯水凝胶,氧化还原,光热蒸馏,海水淡化

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 海洋学,有机化工

单位: 哈尔滨工业大学

基金: 国家自然科学基金面上项目,项目批准号(51873047)

分类号: P747;TQ427.26

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.001623

总页数: 85

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