CN104906816A - 一种基于多孔复合材料的可控液体蒸发方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多孔复合材料的可控液体蒸发方法，该方法包含以下步骤：(1)使用多孔固体材料作为基体，将具有电磁波吸收特性的金属或合金或非金属无机物的颗粒复合在基体上，得到多孔光热转化复合材料；(2)将上述材料置于空气与液体界面，入射电磁波被上述颗粒吸收，并被转化为热量加热表层液体，使液体高效蒸发；(3)使用表面物理化学处理技术，实现对上述复合材料表面几何结构与化学性质的调节，从而对液体蒸发过程中蒸发速率进行控制。与现有技术相比，本发明利用光热转化颗粒将光能高效转化为热量，加热并汽化表层液体，同时通过与表面结构性质可控的多孔支撑材料相复合，提高蒸发效率的同时更能控制液体组分的蒸发速率。

Description

一种基于多孔复合材料的可控液体蒸发方法

技术领域

本发明涉及一种液体蒸发方法，尤其是涉及一种基于多孔复合材料的可控液体蒸发方法，属于复合材料的应用技术领域。

背景技术

蒸发这一基本的相变过程在发电、化工分馏、海水淡化等工业生产中扮演着十分重要的角色。一方面，在现有的蒸发技术中，蒸发效率的提升主要是借助于热源功率的提升，并没能提高能源转化效率；原因在于现有技术对液体整体进行加热，液体热量因大量耗散到容器中而损失。另外一方面，蒸发技术在化工分馏的应用，往往因为无法控制蒸发速率，如无法限制溶剂如水的蒸发速率等，而受到限制。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于多孔复合材料的可控液体蒸发方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于多孔复合材料的可控液体蒸发方法，该方法包含以下步骤：

(1)多孔光热转化复合材料的制备：使用多孔固体材料作为基体，将具有电磁波吸收特性的金属或合金或非金属无机物的颗粒复合在基体上；

(2)使用多孔光热转化复合材料进行液体蒸发：将上述材料置于空气与液体界面，入射电磁波被上述颗粒吸收，并被转化为热量加热表层液体，使液体高效蒸发；多孔固体材料作为支撑基体的同时提供液体补给通道，保证蒸发过程进行；

(3)通过改变多孔光热转化复合材料表面结构或化学性质实现控制液体蒸发效率：使用表面物理化学处理技术，实现对上述复合材料表面几何结构与化学性质的调节，从而对液体蒸发过程中蒸发速率进行控制。

优选地，所述的多孔固体材料外形包括薄膜状、平板状、块状或柱状；所述的多孔固体材料孔隙率介于0％～100％之间；所述的多孔固体材料内部孔洞或孔道使多孔固体材料至少有两个相对面相连通；多孔固体材料的材质选自金属、合金、无机非金属、有机高分子中的一种或几种的复合材料；如带高分子涂层的金属材料，或表层为氧化物的金属材料；多孔固体材料有一定强度能作为整体复合材料的骨架与液体与蒸汽运动通道，也能起到一定的隔热保温作用。

优选地，步骤(1)中将具有电磁波吸收特性的金属或合金或非金属无机物的颗粒复合在基体上的方法包括化学或物理吸附方法、如浸泡，浸渍，雾化喷涂，旋涂等，自组装后沉积方法，可以直接使用提拉法，两相界面自组装后转移到基体上等，或使用过滤、减压抽滤方法，用基体过滤含颗粒物的溶液。具有电磁波吸收特性的金属或合金或非金属无机物的颗粒可分散在基体中，或以连续膜的形式覆于基体表面；且颗粒与基体具有一定的结合力，同时颗粒仍保留有光热转化性质。

优选地，所述的液体与具有电磁波吸收特性的金属或合金或非金属无机物的颗粒能直接接触，多孔光热转化复合材料能在气液界面的位置相对固定。

优选地，步骤(2)中入射电磁波包括固定波长激光波、紫外光波、可见光波、红外光波或微波等，以一定的强度照射在上述颗粒上而被吸收，吸收方式包括本征吸收与等离激元共振效应吸收中的一种或两种。

上述颗粒将吸收的光能转化为热量，使颗粒表面温度迅速升高，由于该升温过程效率高，速度快，同时多孔基体使颗粒仅与液体表层接触，再加上多孔复合材料热导率较低，仅表层液体得到蒸发，而离表层远的液体仍保持在较低的温度；这样表层液体迅速汽化并脱离到空气中，蒸发过程利用能量的效率高。

在蒸发过程中，多孔固体材料与颗粒能耐受颗粒产生的高温，保持一定的几何外形，不至于堵塞液体与蒸汽运动的通道。

优选地，步骤(3)中表面物理化学处理技术包括物理气相沉积、化学气相沉积、光刻、化学腐蚀、电化学腐蚀或化学官能团修饰中的一种或多种共同使用。对表面的处理包括孔道或孔隙内表面，对表面几何结构的调节，其尺度涵盖纳米到毫米量级，表面化学性质包括对一种或多种特定液体的润湿性，如亲水性，疏水性或亲油性等。

与现有技术相比，本发明利用光热转化颗粒将光能高效转化为热量，加热并汽化表层液体，同时通过与表面结构性质可控的多孔支撑材料相复合，提高蒸发效率的同时更能控制不同组分蒸发的速率。具体而言，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明使用本征吸收或等离激元共振效应吸收光能，提高光热转化效率。

(2)本发明使用的光能清洁无污染，有节能减排作用。

(3)本发明中集中加热表层液体，减少热量损失，热量利用效率大幅度提高。

(4)本发明方法可调节液体的蒸发速率。

(5)多孔复合材料的制备与表面处理技术相对成熟，经济可行。

附图说明

图1为复合材料光学照片；

图2为复合材料基体扫描电子显微镜照片，a为底部，b为顶部；

图3为不同性质材料蒸发量随时间的变化关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

(1)金纳米颗粒的制备

按比例要求将一定浓度的氯金酸(HAuCl₄)溶液加入至沸腾的去离子水中，搅拌均匀后立即加入一定浓度的柠檬酸三钠溶液，在加热条件下搅拌20分钟后再去掉热源，继续搅拌15分钟，便得到粒径为10nm的金纳米颗粒。继续将所得到溶液作为金颗粒生长种子，通过往稀释后的种子溶液内添加一定比例的盐酸羟胺溶液与氯金酸溶液，使金纳米颗粒粒径长大，重复生长步骤，可使金颗粒粒径从10nm一直逐步长大100nm左右。并静止溶液使其沉降。

(2)双层复合膜的制备

将多孔阳极氧化铝滤膜进行预处理，使用王水浸泡10s钟左右，然后用去离子水洗净。将第(1)步所得100nm颗粒溶液通过沉降浓缩后，然后使用真空抽滤装置，置入上述滤膜，加入约1-6mL浓缩溶液进行抽滤。抽滤完成后，将新制双层膜置于烘箱中进行烘干。

(3)双层复合膜的表面性质修饰

疏水处理，将第(2)步所述未经化学修饰的双层复合膜置于约0.5％体积分数的十六硫醇的丙酮溶液中浸泡12小时以上，得到颗粒膜层疏水的双层膜；将双层复合膜置于加入2-4微升氟硅烷的干燥器内，干燥器抽真空后静止，可得到基底与颗粒膜层皆疏水的双层膜；将双层膜置于1％质量分数的半胱氨酸溶液中，浸泡2小时以上，可得到颗粒层亲水的双层膜；将双层复合膜经过等离子清洗，可得到上下表面皆亲水的双层膜，其光学照片如图1所示，扫描电子显微镜照片如图2所示，a为底部，b为顶部。

(4)双层复合膜用于液体蒸发

将双层复合膜置于水面或水溶液表面，双层膜自由漂浮于其上。在光强约为1.5kW/m²的太阳能模拟器(或氙灯)的照射下，光热转化颗粒迅速产热，由于热量集中在膜表面，仅表层液体被加热并快速汽化；而经过表面处理的亲水和疏水复合膜，置于同样的条件下，可以对水的蒸发效率起到调控作用。如图3所示，当仅有经过亲水化处理或疏水化处理的基底时，水在光照下的蒸发速率并无差异；而经过亲水化处理或疏水化处理的双层复合膜用于太阳光照蒸发时蒸发速率表现出明显差异。即相同时间内，亲水复合膜的蒸发量显著高于疏水复合膜蒸发量。

实施例2

(1)金纳米颗粒制备：同实施例1，但仅需要制备到10nm颗粒。

(2)纸基复合膜制备：使用(1)中所述得到的颗粒溶液，将稀释3倍的约30mL溶液装入底部置有剪裁过的无尘纸的烧杯，放入有甲酸范围的干燥器内静置。约12小时后，将液面以下的清液小心去除，使表面自组装的颗粒膜沉积在纸显微上；然后取出复合膜并烘干。

(3)纸基复合膜修饰同实施例1，不过不使用等离清洗。

(4)纸基复合膜用于蒸发条件同实施例1，仅蒸发效率略有区别。

实施例3

所述的具有电磁波吸收特性物质为碳；电磁波吸收结构膜的制备是同实例1：将具有电磁波吸收特性的碳的微纳米结构单元均匀分散至乙醇中(重量浓度0.1％-20％)，通过抽滤法，在多孔阳极氧化铝滤膜表面制备碳膜。其余同实施例2。

实施例4

所述的具有电磁波吸收特性物质为氮化硅；电磁波吸收结构膜的制备是是同实例1：将具有电磁波吸收特性的粒径大小为450～500微米柱形氮化硅的微纳米结构单元均匀分散至溶剂甲苯中(重量浓度0.1％-20％)。其余同实施例1。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于多孔复合材料的可控液体蒸发方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

(1)多孔光热转化复合材料的制备：使用多孔固体材料作为基体，将具有电磁波吸收特性的金属或合金或非金属无机物的颗粒复合在基体上；

(2)使用多孔光热转化复合材料进行液体蒸发：将上述材料置于空气与液体界面，入射电磁波被上述颗粒吸收，并被转化为热量加热表层液体，使液体高效蒸发；多孔固体材料作为支撑基体的同时提供液体补给通道，保证蒸发过程进行；

(3)通过改变多孔光热转化复合材料表面结构或化学性质实现控制液体蒸发效率：使用表面物理化学处理技术，实现对上述复合材料表面几何结构与化学性质的调节，从而对液体蒸发过程中的蒸发速率进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于多孔复合材料的可控液体蒸发方法，其特征在于，所述的多孔固体材料外形包括薄膜状、平板状、块状或柱状，多孔固体材料的材质选自金属、合金、无机非金属、有机高分子中的一种或几种的复合材料，多孔固体材料有一定强度能作为整体复合材料的骨架与液体与蒸汽运动通道，也能起到一定的隔热保温作用。

3.根据权利要求1所述的一种基于多孔复合材料的可控液体蒸发方法，其特征在于，所述的多孔固体材料孔隙率介于0％～100％之间，所述的多孔固体材料内部孔洞或孔道使多孔固体材料至少有两个相对面相连通。

4.根据权利要求1所述的一种基于多孔复合材料的可控液体蒸发方法，其特征在于，将具有电磁波吸收特性的金属或合金或非金属无机物的颗粒复合在基体上的方法包括化学或物理吸附方法，自组装后沉积方法，或使用过滤、减压抽滤方法，用基体过滤含颗粒物的溶液。

5.根据权利要求1所述的一种基于多孔复合材料的可控液体蒸发方法，其特征在于，具有电磁波吸收特性的金属或合金或非金属无机物的颗粒可分散在基体中，或以连续膜的形式覆于基体表面；且颗粒与基体具有一定的结合力，同时颗粒仍保留有光热转化性质。

6.根据权利要求1所述的一种基于多孔复合材料的可控液体蒸发方法，其特征在于，步骤(2)所述的液体与具有电磁波吸收特性的金属或合金或非金属无机物的颗粒能直接接触，多孔光热转化复合材料能在气液界面的位置相对固定。

7.根据权利要求1所述的一种基于多孔复合材料的可控液体蒸发方法，其特征在于，步骤(2)中入射电磁波包括固定波长激光波、紫外光波、可见光波、红外光波或微波，吸收方式包括本征吸收与等离激元共振效应吸收中的一种或两种。

8.根据权利要求1所述的一种基于多孔复合材料的可控液体蒸发方法，其特征在于，在蒸发过程中，多孔固体材料与颗粒能耐受颗粒产生的高温，保持一定的几何外形，不至于堵塞液体与蒸汽运动的通道。

9.根据权利要求1所述的一种基于多孔复合材料的可控液体蒸发方法，其特征在于，步骤(3)中表面物理化学处理技术包括物理气相沉积、化学气相沉积、光刻、化学腐蚀、电化学腐蚀或化学官能团修饰中的一种或多种共同使用。