CN105031950A - 一种基于多孔复合材料的可控蒸发表面温度的方法 - Google Patents

一种基于多孔复合材料的可控蒸发表面温度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于多孔复合材料的可控蒸发表面温度的方法，包括以下步骤：(1)以多孔固体材料为基体，将具有电磁波吸收特性的电磁波吸收颗粒复合在基体表面上，制得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体界面，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体，使液体表面温度上升并实现蒸发；(3)采用物理或化学手段处理多孔光热转化复合材料表面，调节上述材料表面的几何结构与化学性质，从而对液体蒸发过程中的表面温度进行控制。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，加热并汽化表层液体，并通过改变基体的表面物理化学性质控制蒸发时的表面温度。

Description

一种基于多孔复合材料的可控蒸发表面温度的方法
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蒸发表面温度的方法。
背景技术
蒸发是一种自然界最为基本的相变过程。其在火力发电、分馏提纯等工业生产及日常生活中有着十分关键的应用。如蒸汽发电，表面温度低直接影响表面产生高温蒸汽的使用效率；分馏提纯，可以通过控制表面温度，达到不同沸点的混合物的分离。现有的技术通过热敏传感器或者热电偶读取实时温度并通过改变热源功率的方法改变表面温度。这一做法能源转换效率较低。
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可控蒸发表面温度的方法，进而影响产生蒸汽温度和效率。
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蒸发表面温度的方法，包括以下步骤：
(1)多孔光热转化复合材料的制备：以多孔固体材料为基体，将具有电磁波吸收特性的电磁波吸收颗粒复合在基体表面上；
(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体界面，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体，使液体表面温度上升并实现蒸发；
(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时的表面温度：采用物理或化学手段处理多孔光热转化复合材料表面，调节上述材料表面的几何结构与化学性质，从而对液体蒸发过程中的表面温度进行控制。
优选地，所述的多孔固体材料外形包括薄膜状或平板状，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。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。
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、减压抽滤法，用基体过滤含颗粒物的溶液。具电磁波吸收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换性质。
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。
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。
优选地，步骤(3)中采用物理或化学手段包括物理气相沉积、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。
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，加热并汽化表层液体，并通过改变基体的表面物理化学性质控制蒸发时的表面温度。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效应或等离激元共振效应吸收光能，提高光热转化效率。
(2)本发明中集中加热表层液体，减少其余环节的热量损耗，热量利用效率大幅度提高。
(3)本发明方法可通过不同表面性质的复合材料，在蒸发时控制液体的表面温度。
附图说明
图1为多孔结构复合材料光学照片；
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、图4、图5分别为不同性质的材料蒸发时的表面温度分布。
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
在沸腾的去离子水中加入氯金酸(HAuCl4)溶液，氯金酸(HAuCl4)溶液已按照配方配好比例，将混合液搅拌均匀后，加入配好的柠檬酸三钠溶液，边加热边搅拌20分钟，随后在室温下冷却并继续搅拌15分钟，得到粒径为10nm的金纳米颗粒。将得到的金颗粒溶液作为种子，通过重复引入一定比例的盐酸羟胺溶液以及氯金酸溶液，使金纳米颗粒逐步长大。金纳米颗粒的粒径可由10nm生长至100nm左右。生长完全后静置使金纳米颗粒沉降，金纳米颗粒即为电磁波吸收颗粒，也就是光热转化颗粒。
(2)双层复合膜的制备
将多孔阳极氧化铝滤膜使用王水浸泡10秒，随后使用去离子水洗净附着的王水。将第(1)步所得的沉降后的100nm金纳米颗粒溶液进行浓缩，得到浓缩液。使用真空抽滤装置，置入上述滤膜，添加浓缩液进行抽滤。抽滤完成后，得到复合有金纳米颗粒的双层复合膜，将双层复合膜置入烘箱中烘干。
(3)双层复合膜的表面性质修饰
疏水处理，将第(2)步所述未经任何处理的双层复合膜置于一定体积分数的十六硫醇-丙酮溶液中浸泡，12小时后取出，得到金颗粒膜层疏水的双层复合膜；或将双层复合膜置于加入4微升氟硅烷的干燥器内，干燥器抽真空后静置，可得到基底与颗粒膜层皆疏水的双层复合膜；亲水处理，将双层膜置于一定质量分数的半胱氨酸溶液中，浸泡2小时后取出，可得到颗粒层亲水的双层复合膜；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复合膜，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控温
将双层复合膜置于溶液表面使其自由漂浮。在光强约为1.5kW/m2的太阳能模拟器的照射下，光热转化颗粒迅速产热。经过表面处理的亲水和疏水复合膜，在同样的条件下，可以对复合膜的表面温度进行控制。如图3所示，经过疏水处理的复合膜(图3a)在蒸发实验中表面温度达到了145℃，而在相同条件下经过亲水处理的复合膜(图3b)在实验中仅为40℃，表明不同处理的双层复合膜对蒸发过程中的表面温度具有控制作用。
实施例2
(1)金纳米颗粒的制备：同实施例1。
(2)碳膜的制备：所述的具有电磁波吸收特性的物质为碳；电磁波吸收结构膜的制备同实例1：在乙醇中(重量浓度0.1％-20％)，将具有电磁波吸收特性的微纳米结构碳均匀分散至乙醇中，通过抽滤法，在多孔阳极氧化铝滤膜表面制备碳膜。
如图4所示，在相同的照射条件下，碳膜的表面平均温度为102.9℃，而金膜的表面平均温度为95.1℃，可见使用不同的吸收材料也可以对表面温度起到控制的效果。
实施例3
(1)金纳米颗粒的制备：同实施例1，但仅需制备10nm颗粒。
(2)纸基复合膜制备：使用(1)中所述得到的金纳米颗粒浓缩液，将其稀释3倍，取约30mL溶液，倒入底部置有剪裁过的无尘纸的烧杯，放入有甲酸氛围的干燥器内静置。约12小时后，将液面以下的清液小心去除，使表面自组装的颗粒膜沉积在纸纤维上；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。
纸基复合膜的蒸发时的表面温度如图5所示。其在蒸发时的平均表面温度约为60.4℃，远远低于液态水的沸点。
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 (8)

1.一种基于多孔复合材料的可控蒸发表面温度的方法，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：以多孔固体材料为基体，将具有电磁波吸收特性的电磁波吸收颗粒复合在基体表面上；
(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体界面，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体，使液体表面温度上升并实现蒸发；
(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时的表面温度：采用物理或化学手段处理多孔光热转化复合材料表面，调节上述材料表面的几何结构与化学性质，从而对液体蒸发过程中的表面温度进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于多孔复合材料的可控蒸发表面温度的方法，其特征在于，所述的多孔固体材料外形包括薄膜状或平板状，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。
3.根据权利要求1所述的一种基于多孔复合材料的可控蒸发表面温度的方法，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蒸发表面温度的方法，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。
5.根据权利要求1所述的一种基于多孔复合材料的可控蒸发表面温度的方法，其特征在于，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。
6.根据权利要求1所述的一种基于多孔复合材料的可控蒸发表面温度的方法，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。
7.根据权利要求1所述的一种基于多孔复合材料的可控蒸发表面温度的方法，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。
8.根据权利要求1所述的一种基于多孔复合材料的可控蒸发表面温度的方法，其特征在于，步骤(3)中采用物理或化学手段包括物理气相沉积、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。
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