用于污水处理的高效光热转化聚合物泡沫材料研究

20251120

电力、热力、燃气及水生产和供应业

本项目以苯胺寡聚物作为吸光材料，通过简单的方法制备出了组分单一的多孔泡沫蒸发器，用于高效太阳能污水处理研究。1） 合成并筛选出了两种高效的含有苯胺三聚体结构单元的聚合物。我们设计并合成了含有苯胺三聚体结构单元的链状聚合物AHP和含有苯胺三聚体结构单元的三维网状聚合物SRMPE。AHP力学性能优异，光热转换效率高，热导率低，我们将此材料应用于重金属污水处理中，具有高效的蒸发效率和金属离子去除效率。SRMPE呈现出类水凝胶的溶胀行为，亲水性优异，我们将此材料应用于高浓度盐水处理中，材料具有卓越的耐盐性能。 AHP：我们采用盐模板法协同梅花针穿孔，以苯胺三聚体为光热组分，设计并制备了线性聚合物的单组分多孔泡沫蒸发器。该蒸发器以具有全波段吸收和光热转换特性的苯胺三聚体为单一吸光成分，与聚乙二醇共价连接形成单组分聚合物泡沫。聚合物泡沫在整个太阳光谱范围内的吸收率为99.5%，并且具有极低的导热系数（0.0077 W K-1 m-1）,可以有效地保留蒸发器中和气液界面处的热量。在1个太阳光强的辐照下，纯水蒸汽产生率实现了单组分蒸发器破纪录的数据，高达4.32 kg m-2 h-1。经过连续3个月的户外自然阳光照射后，蒸发器保持了稳定的蒸发速率。此外，该蒸发器具有良好的机械性能，拉伸强度和断裂伸长率分别为7.48 MPa和57.29%，并且在10种常见有机溶剂和pH值为1-14的水溶液中具有优异的耐溶剂性。该研究为海水淡化、蒸汽发电、污水和废水处理等提供了新的方法和策略。 SRMPE：我们采用盐模板法，以苯胺三聚体为光热组分，设计并制备了三维网络状的单组分多孔泡沫蒸发器。该蒸发器是一种高效耐盐的聚合物泡沫蒸发器，它具有高光学吸收率、出色的光热转换效率。该蒸发器是一种单层、多孔、亲水的整体蒸发器，具有高效水传输能力和高效的蒸发性能，在1个太阳光强下实现了3.47 kg m-2 h-1的高蒸发速率和94.3%的高蒸发效率。通过设计具有亲水性成分的三维网络结构，可以调整蒸发器中水的结合状态，从而将蒸发焓大大降低到 978 J g-1。多孔结构和亲水成分也促进了水在蒸发器表面和水体之间的对流，为蒸汽产生提供了高效稳定的水供应（14.4 L m-2 h-1），同时避免了盐在表面结晶。该蒸发器在高浓度盐水（25%）中展现了卓越的抗盐能力，为高浓度废盐水的处理提供了新的思路。以上证实了该蒸发器具有生产纯水以缓解水资源短缺的潜力。 科技成果处于待转化阶段。

拟合作方应具备实验用的包括扫描电镜、差示扫描量热仪、接触角测量仪、紫外可见分光光度计、太阳能模拟光源等仪器，具有高分子聚合物材料合成与制备的相关设备，可进行高分子聚合物材料的合成，结构表征、材料学性能优化评价和物理化学性能优化评价。模拟高分子聚合物材料在纯水体系中的太阳能驱动界面水蒸发过程。具有大型水处理池并可接受自然光照的场地。人员应对太阳能驱动的界面蒸发技术和防污领域国内外研究现状有较全面的了解，具有高分子材料的合成与制备的基础。

可国（境）内外转让

本课题通过开发太阳能驱动的污水处理技术，将产生良好的社会效益： 1.它以清洁的太阳能替代传统电网供电，从源头上减少了碳排放，为应对气候变化做出了积极贡献。 2.高分子光热材料替代传统蒸汽/电能驱动工艺，单吨废水处理能耗下降，加速实现双碳目标的进程。 3.为解决长期困扰偏远地区的饮水与卫生难题提供了关键方案。对于电网难以覆盖的农村、海岛及边疆地区，它构建了一套能源自给的污水处理系统，显著提升了当地居民的卫生条件与健康水平。处理后的再生水可用于灌溉或回用，有效缓解了水资源短缺，形成了“治污”与“开源”并重的良性循环。 4.技术推广后，废水处理成本降低，缓解企业环保压力，重塑石化行业绿色形象，增强公众对工业可持续转型的认同感。 5.在经济效益层面，该技术的优势同样突出。利用免费的太阳能，能极大地减轻市政运营的长期财政负担，将宝贵的资金用于其他民生建设。此外，从技术研发到维护管理的产业链也将催生新的绿色就业岗位，激活经济发展新动能。

北京市自然科学基金外籍学者“汇智”项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

成果一：该研究课题开发出了一种高蒸发速率单组分蒸发器，该蒸发器以具有全波段吸收和光热转换特性的苯胺三聚体为单一吸光成分，与聚乙二醇共价连接形成单组分聚合物泡沫。聚合物泡沫在整个太阳光谱范围内的吸收率为99.5%，并且具有极低的导热系数（0.0077 W K-1 m-1）,可以有效地保留蒸发器中和气液界面处的热量。在1个太阳光强的辐照下，纯水蒸汽产生率实现了单组分蒸发器破纪录的数据，高达4.32 kg m-2 h-1。经过连续3个月的户外自然阳光照射后，蒸发器保持了稳定的蒸发速率。此外，该蒸发器具有良好的机械性能，拉伸强度和断裂伸长率分别为7.48 MPa和57.29%，并且在10种常见有机溶剂和pH值为1-14的水溶液中具有优异的耐溶剂性。该研究为海水淡化、蒸汽发电、污水和废水处理等提供了新的方法和策略。相关工作发表在《Advanced Materials》上。该成果实现了蒸发器低成本、易生产、高效率、长寿命等需求以及单组分蒸发器水蒸发速率的突破。为用于污水处理的高效光热转换单组分蒸发器的制备提供了新的方法与策略。 成果二：该研究课题开发出了一种高效耐盐的聚合物泡沫蒸发器，它具有高光学吸收率、出色的光热转换效率。该蒸发器是一种单层、多孔、亲水的整体蒸发器，具有高效水传输能力和高效的蒸发性能，在1个太阳光强下实现了3.47 kg m-2 h-1的高蒸发速率和94.3%的高蒸发效率。通过设计具有亲水性成分的三维网络结构，可以调整蒸发器中水的结合状态，从而将蒸发焓大大降低到 978 J g-1。多孔结构和亲水成分也促进了水在蒸发器表面和水体之间的对流，为蒸汽产生提供了高效稳定的水供应（14.4 L m-2 h-1），同时避免了盐在表面结晶。该蒸发器在高浓度盐水（25%）中展现了卓越的抗盐能力，为高浓度废盐水的处理提供了新的思路。以上证实了该蒸发器具有生产纯水以缓解水资源短缺的潜力。相关论文发表在《Advanced Functional Materials》上。该成果实现了蒸发器低成本、易生产、高效率、长寿命等需求。同时该成果适配对于高浓度废盐水的处理，对于解决水资源短缺、实现“双碳”目标具有重大社会效益。其低运行成本特性在特定场景下（如偏远地区）具有显著的经济效益。 成果三：利用太阳能集水的倒置蒸发装置（已授权，ZL 2024 2 0874926.2） 本实用新型公开了一种利用太阳能集水的倒置蒸发装置，包括盛水槽、蒸发器、吸水件和集水容器，盛水槽内装入有待蒸发的原水，集水容器设置在盛水槽内，集水容器的顶端设有开口，吸水件设置在集水容器上并将开口覆盖住，吸水件能够将盛水槽内的水吸入引流至顶端，蒸发器设置在吸水件的顶端用于对原水加热使其产生水蒸气，集水容器的开口用于通过水蒸气使其在集水容器内部冷凝形成冷凝水，将蒸发器设置在吸水件的上部，利用太阳能对吸水件吸入的水加热产生水蒸气，水蒸气通过集水容器的开口进入集水容器内进行冷凝形成冷凝水并从出水管排出，由于水蒸气在集水容器中冷凝不附着在蒸发器上，因此蒸发器的吸光不会被削弱，保证了蒸发速率。 该成果为污水处理的最终途径水分收集提供了新的方法和策略，适配项目中筛选制备的多孔聚合物泡沫。 成果四：太阳能水蒸发部件及其制备方法和太阳能蒸发器（2024102319585） 本申请公开了一种太阳能水蒸发部件及其制备方法和太阳能蒸发器。该太阳能水蒸发部件包括：基体，基体设置有沿第一方向贯穿的辅助孔，基体在第一方向上具有相对的第一表面以及第二表面，辅助孔在靠近第一表面的一侧具有第一开口，辅助孔在靠近第二表面的一侧具有第二开口，其中，第一开口在第一方向上的投影面积大于第二开口在第一方向上的投影面积。本申请提供的太阳能水蒸发部件具有较好的工作稳定性与工作效率。 该成果适用于本项目中材料的制备方法，是材料制备的关键技术。实现了蒸发器多孔结构的低成本制备。 成果五：一种多孔聚氨酯泡沫、其制备方法及应用（2023114815878） 本发明属于海水淡化材料技术领域，具体公开了一种多孔聚氨酯泡沫、其制备方法及应用。该多孔聚氨酯泡沫是通过将含有聚合单体的聚合物溶液在可溶性致孔剂表面进行原位聚合后，再将可溶性致孔剂溶出形成孔洞而得到的多孔聚合物材料；聚合单体包括氨基苯胺三聚体、聚乙二醇和脂肪族二异氰酸酯三聚体。该多孔聚氨酯泡沫结构简单、亲水性好、水通量高、光热水蒸发性能优异、耐盐性好且易于制备，可作为高效的界面式太阳能海水淡化材料应用。 该成果对应于本项目中材料的制备方法。 成果六：一种含苯胺三聚体的多孔聚合物泡沫及其制备与应用（2023111332122） 本发明的目的在于提供一种含苯胺三聚体的多孔聚合物泡沫材料及其制备方法。其制备工艺简单，耗能少，成本低。明属于海水淡化材料领域，具体涉及一种含苯胺三聚体的聚合。