CN104941227A - 一种基于多孔复合材料的液态混合物蒸发分离方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于多孔复合材料的液态混合物蒸发分离方法，该方法包括以下步骤：(1)使用多孔固体材料作为基体，将具有电磁波吸收特性的电磁波吸收颗粒复合在基体上，得到多孔光热转化复合材料；(2)将多孔光热转化复合材料置于空气与液态混合物界面，使液态混合物迅速汽化，实现高效率蒸发；(3)对多孔光热转化复合材料表面几何结构与化学性质的调节，从而对液态混合物蒸发过程中各组分蒸发量进行控制，实现液态混合物的蒸发分离。与现有技术相比，本发明利用电磁波吸收颗粒将光能高效转化为热量，加热并汽化表层液态混合物，通过与表面结构性质可控的多孔支撑材料相复合控制不同组分蒸发的速率，进而实现液态混合物的蒸发式分离。

Description

一种基于多孔复合材料的液态混合物蒸发分离方法
技术领域
本发明涉及一种液体混合物分离方法，尤其是涉及一种基于多孔复合材料的液态混合物蒸发分离方法，属于复合材料的应用技术领域。
背景技术
蒸发在化工分馏中扮演着十分重要的角色。化工分馏往往需要抑制某些组分蒸发而加强另外某些组分的蒸发，而依靠蒸发过程进行分离纯化的能力比较有限。原因在于现有蒸发技术无法对溶液各组分的蒸发进行调控，也无法克服溶液的共沸实现共沸物的分离。而且传统分馏方法，需将整个体系加热至较高温度，热损失大，能量利用率极低。
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液态混合物蒸发分离方法。
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液态混合物蒸发分离方法，该方法包括以下步骤：
(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电磁波吸收颗粒复合在基体上；
(2)使用多孔光热转化复合材料进行液体蒸发：将多孔光热转化复合材料置于空气与液态混合物界面，入射电磁波被电磁波吸收颗粒吸收，并被转化为热量加热表层液态混合物，使液态混合物迅速汽化，实现高效率蒸发；多孔固体材料作为支撑基体的同时提供液态混合物补给通道，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态混合物蒸发效率：使用表面物理化学处理技术，实现对多孔光热转化复合材料表面几何结构与化学性质的调节，从而实现对液态混合物蒸发过程中各组分蒸发量的控制，实现液态混合物的蒸发分离。
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，所述的电磁波吸收颗粒为金属、合金或非金属无机物颗粒；将电磁波吸收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。
优选地，所述的电磁波吸收颗粒分散在多孔固体材料基体中，或以连续膜的形式覆于基体表面，且电磁波吸收颗粒与基体具有一定的结合力，同时电磁波吸收颗粒仍保留有光热转化性质。
优选地，所述的液态混合物包括电解质溶液(如氯化钠溶液等)、非电解质溶液(如乙醇溶液等)、悬浊液或乳浊液，且所述的液态混合物与电磁波吸收颗粒能够直接接触。
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电磁波吸收颗粒上而被吸收，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。
电磁波吸收颗粒将吸收的光能转化为热量表面温度迅速升高，由于多孔基体使电磁波吸收颗粒仅与液态混合物表层接触，同时多孔复合材料热导率较低，液态混合物得到获得绝大部分热量而蒸发，而离表层远的液态混合物基本没有获得热量仍保持在较低的温度；蒸发过程利用能量的效率高。在蒸发过程中，多孔固体材料与电磁波吸收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。对多孔光热转化复合材料表面几何结构的调节包括对多孔光热转化复合材料表面、孔道或孔隙内表面几何结构的调节，其尺度涵盖纳米～毫米量级；对多孔光热转化复合材料表面化学性质的调节包括对一种或多种液态混合物的润湿性进行调节，如亲水性，疏水性或亲油性等。
本发明对液态混合物蒸发过程各组分蒸发量的控制，其原因在于液态或相应气态的不同组分与经过表面处理的多孔复合材料的结合力存在较大差异，且多孔复合材料比表面积大，液态混合物不同组分在向蒸发层运动与汽化、脱离过程的速度差别被放大；也就是有些组分快速蒸发的同时，其它组分的蒸发得到抑制，从而达到了不同组分蒸发速率的控制，进而实现液态混合物的蒸发式分离。
与现有技术相比，本发明利用电磁波吸收颗粒将光能高效转化为热量，加热并汽化表层液态混合物，通过与表面结构性质可控的多孔支撑材料相复合控制不同组分蒸发的速率，进而实现液态混合物的蒸发式分离。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，且是可再生能源，有节能减排作用。
(3)本发明通过区域集热效应加热表层液态混合物，减少热量损失，从而提高了热量的利用效率。
(4)本发明方法可调节液态混合物中不同组分蒸发速率。
(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复合材料光学照片；
图2复合材料基体扫描电子显微镜照片；
图3为经过复合膜分离后溶液浓度与标准蒸发曲线。
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
将一定浓度的氯金酸(HAuCl4)溶液以一定的比例加至沸腾的去离子水中，待搅拌均匀后立即按比例加入一定浓度的柠檬酸三钠溶液，然后在加热条件下搅拌20分钟后，去掉热源，继续搅拌15分钟，便得到粒径为10nm的金纳米颗粒。将所得到溶液作为金颗粒生长种子，将种子溶液稀释并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。获得溶液合并，静置一段时间溶液使颗粒沉降。并吸去部分上层清液进行浓缩，得到浓缩溶液。
(2)双层复合膜的制备
用王水对多孔阳极氧化铝滤膜进行预处理，然后用去离子水洗净。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
将第(2)步所述未经化学修饰的双层复合膜置于约0.5％体积分数的十八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；将双层膜经过十八硫醇处理过的复合膜进行等离子清洗可得到颗粒层亲水的复合膜中；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。
(4)双层复合膜用于液态混合物蒸发
将修饰过的双层膜浮于乙醇溶液表面。在光强约为1.5kW/m2的氙灯的照射下，金纳米颗粒迅速产热，由于热量集中在膜表面；由于膜表面对水和乙醇的润湿性不同，水和乙醇的蒸发速度也不同，从而达到分离的目的，如图3所示。
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，原溶液稀释3倍，取30ml稀释溶液于烧杯中，并于烧杯下铺上无尘纸，置入有甲酸氛围的干燥器内静置。约12小时后，将液面以下的清液去除，使表面自组装的颗粒膜沉积在无尘纸上；然后取出复合膜并烘干。
(3)纸基复合膜修饰同实施例1。
(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
所述的复合膜改用十二硫醇进行修饰；其余修饰方式同实施例1，蒸发过程同实施例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 (10)

1.一种基于多孔复合材料的液态混合物蒸发分离方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(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电磁波吸收颗粒复合在基体上；
(2)使用多孔光热转化复合材料进行液体蒸发：将多孔光热转化复合材料置于空气与液态混合物界面，入射电磁波被电磁波吸收颗粒吸收，并被转化为热量加热表层液态混合物，使液态混合物迅速汽化，实现高效率蒸发；多孔固体材料作为支撑基体的同时提供液态混合物补给通道，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态混合物蒸发效率：使用表面物理化学处理技术对多孔光热转化复合材料表面几何结构与化学性质的调节，从而对液态混合物蒸发过程中各组分蒸发量进行控制，实现液态混合物的蒸发分离。
2.根据权利要求1所述的一种基于多孔复合材料的液态混合物蒸发分离方法，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，多孔固体材料作为整体复合材料的骨架与液体与蒸汽运动通道，同时起到隔热保温作用。
3.根据权利要求1所述的一种基于多孔复合材料的液态混合物蒸发分离方法，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液态混合物蒸发分离方法，其特征在于，所述的电磁波吸收颗粒为金属、合金或非金属无机物颗粒；
将电磁波吸收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液态混合物蒸发分离方法，其特征在于，所述的电磁波吸收颗粒分散在多孔固体材料基体中，或以连续膜的形式覆于基体表面。
6.根据权利要求1所述的一种基于多孔复合材料的液态混合物蒸发分离方法，其特征在于，所述的液态混合物包括电解质溶液、非电解质溶液、悬浊液或乳浊液，且所述的液态混合物与电磁波吸收颗粒能够直接接触。
7.根据权利要求1所述的一种基于多孔复合材料的液态混合物蒸发分离方法，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液态混合物蒸发分离方法，其特征在于，在蒸发过程中，多孔固体材料与电磁波吸收颗粒耐受颗粒产生的高温，保持几何外形不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液态混合物蒸发分离方法，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。
10.根据权利要求1所述的一种基于多孔复合材料的液态混合物蒸发分离方法，其特征在于，步骤(3)中对多孔光热转化复合材料表面几何结构的调节包括对多孔光热转化复合材料表面、孔道或孔隙内表面几何结构的调节，其尺度涵盖纳米～毫米量级；对多孔光热转化复合材料表面化学性质的调节包括对一种或多种液态混合物的润湿性。
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