CN106000362A - 兼具光热转换性能和吸附特性的复合薄膜及其制备与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及兼具光热转换性能和吸附特性的复合薄膜及其制备与应用，复合薄膜包括基底及沉积在基底上兼具光热转换性能和吸附特性的功能膜，基底为具有多孔结构的微纳米薄膜，功能膜由兼具光热转换性能和吸附特性的非金属无机物制成。将此复合薄膜放置到待吸附的溶液上表面，使其浮于溶液与空气界面并与溶液充分接触，功能膜有效吸附溶液中的污染物达到对污染物吸附的目的；与此同时，对漂浮的复合薄膜进行光照，激发复合薄膜中非金属无机物的光热转化效应，在溶液与空气界面产生局部加热效应，促进溶剂的快速蒸发，从而加速污染物向复合薄膜中扩散和吸附。利用此复合薄膜进行污水净化的方法具有吸附量大、吸附速率快、界面加热蒸发速率快等优点。

Description

兼具光热转换性能和吸附特性的复合薄膜及其制备与应用
技术领域
本发明属于污染物吸附转移及污水净化技术领域，尤其是涉及一种兼具光热转换性能和吸附特性的复合薄膜及其制备与应用。
背景技术
近代工业的快速发展给自然环境带来越来越大的破坏。其中，水体污染是环境污染的重灾区，水体的净化是实现人类社会可持续发展所面临的重大课题之一。水体中的污染物主要包括：重金属离子、染料、油污以及其他有机污染物。其中，重金属离子污染物如汞离子的主要来源是含汞化合物的冶金、生产及应用。染料广泛应用于食品、医药、印染和化妆品等行业，据统计，商业用途的染料种类已超过10万种，世界上每年染料的年产量约为10万吨，约有10％～15％的染料直接释放到水中。这些重金属离子、染料、油污以及其他有害物质通常具有非常高的毒性和致癌性，严重破坏了水质，对人们的身体健康造成严重的影响和威胁。
对于水体中的重金属离子、染料、油污以及其他有害物质，可以通过物理吸附的方式进行转移，进而进一步对吸附的污染物进行再处理。物理吸附是一种简单、直接的污水净化技术，可以同时实现资源的回收和环境的治理。目前广泛采用的物理吸附技术一般是向污染的水体中添加吸附材料如活性炭粉末、石墨烯粉末等，进行搅拌、静置，实现对污染物的吸附。该方法依靠污染物自身的扩散，通常需要很长的时间才能完成对污染物的吸附，同时粉末状吸附剂存在不易于回收和重复利用、容易造成水体二次污染等缺点。
太阳能作为可再生能源和绿色能源，加速应用太阳能在污水净化中的应用有着重要的意义。目前太阳能在净化水领域的应用主要是光催化降解有机物净化水技术。然而，光催化技术难以对水中的重金属离子以及难降解的有机物进行有效净化。在污水净化领域，还可以将太阳能转化为热能，再利用热能对水体进行蒸馏，达到分离污染物和水体的目的。最近的研究表明，与传统整体加热方式相比，在溶液与空气界面处应用太阳能的光热转换效应可以产生局部加热，从而大幅度提高液体的蒸发速率，蒸发的水蒸气经冷却为纯净水进行回收。
发明内容
本发明的目的在于为了克服上述现有吸附技术的不足和充分利用丰富的清洁能源太阳能而提供一种兼具光热转换性能和吸附特性的复合薄膜及其制备与应用，本发明利用光热转化产生的水流加速复合材料对污染物的吸附，实现对污染物的快速吸附和回收再利用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
兼具光热转换性能和吸附特性的复合薄膜，包括基底，及沉积在基底上兼具光热转换性能和吸附特性的功能膜，所述的基底为具有多孔结构的微纳米薄膜，所述的功能膜由兼具光热转换性能和吸附特性的非金属无机物制成。
进一步地，具有多孔结构的微纳米薄膜包括无尘纸、玻璃纤维纸、纱布或海绵薄膜。
进一步地，兼具光热转换性能和吸附特性的非金属无机物包括石墨烯、碳黑、碳纳米管、活性炭或石墨粉。
兼具光热转换性能和吸附特性的复合薄膜的制备方法，将具有多孔结构的微纳米薄膜作为基底，在基底上沉积一层兼具光热转换性能和吸附特性的功能膜，所述的沉积方法包括物理沉积、喷涂、涂膜或自组装等工艺。
进一步地，所述的物理沉积的工艺步骤如下：首先，将兼具光热转换性能和吸附特性的非金属无机物的微纳米结构单元均匀分散至溶剂中，得到质量浓度为1-100mg/ml的溶液，通过向基底滴加前述溶液，溶剂挥发，在基底上形成兼具光热转换性能和吸附特性的功能膜，从而得到复合薄膜。
进一步地，所述的喷涂工艺步骤如下：首先，将兼具光热转换性能和吸附特性的非金属无机物的微纳米结构单元均匀分散至溶剂中，得到质量浓度为1-100mg/ml的溶液，通过喷涂笔装置在基底上喷涂前述溶液，待溶剂蒸发得到兼具光热转换性能和吸附特性的功能膜，从而得到复合薄膜。
进一步地，所述的涂膜工艺步骤如下：首先，将兼具光热转换性能和吸附特性的非金属无机物的微纳米结构单元均匀分散至溶剂中，得到质量浓度为1-100mg/ml的溶液，通过可控旋涂装置在基底上旋涂前述溶液，待溶剂蒸干得到兼具光热转换性能和吸附特性的功能膜，从而得到复合薄膜。
进一步地，所述的溶剂为水或有机溶剂或水与有机溶剂的混合液，所述的有机溶剂选自乙醇、甲醇、甲苯或正己烷等。
兼具光热转换性能和吸附特性的复合薄膜的应用，利用所述的复合薄膜进行污水净化，具体方法为：
将此复合薄膜放置到待吸附的溶液上表面，使其浮于溶液与空气界面并与溶液充分接触，功能膜通过静电引力、氢键等相互作用力可以有效吸附溶液中的污染物，如重金属离子、染料、油污以及其他有机污染物，达到对污染物吸附的目的；与此同时，对漂浮的复合薄膜进行光照，激发复合薄膜中非金属无机物的光热转化效应，在溶液与空气界面产生局部加热效应，促进溶剂的快速蒸发，从而加速污染物向复合薄膜中扩散和吸附。
还具有复合薄膜界面高效热蒸发净化与浓缩的步骤，具体为：在光照条件下，界面光热转化效应蒸发的溶剂可以高效地通过具有多孔结构的复合薄膜，一方面实现对溶液快速的浓缩，同时可对蒸发的溶剂进行冷凝，直接获得净化的溶剂，实现对溶剂的再回收。
所述的光包括激光、可见光、太阳光、紫外光、红外光或微波，也可为几种光的叠加，但须能够被复合薄膜吸收并转化为热能。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明提出的吸附技术能够将物理吸附和太阳能光热转换有效地结合在一起，利用光热转换局部加热效应带来的蒸发促进污染物向吸附材料表面的扩散，大大地加速了吸附净化速率，同时实现蒸发和吸附双重净化功能。
(2)本发明所制备的复合薄膜体系可充分地利用薄膜材料易转移、回收和重复利用的优点，同时存在着可折叠、易于大规模生产制备等优势。
(3)本发明所制备的复合薄膜体系可通过向其中添加其他功能纳米材料，充分利用增强吸附的优势，进一步提升对污染物的多重净化效果。
附图说明
图1为由还原氧化石墨烯、无尘纸基体组成的复合薄膜的扫描电镜图；
图2为复合薄膜的吸收光谱图；
图3为复合薄膜污染物吸附量与时间的关系图；
图4为复合薄膜蒸发量与时间的关系图。
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)兼具光热转换和吸附功能膜的制备
首先，利用Hummers法制备氧化石墨烯水溶液，配制为1mg/ml的氧化石墨烯水溶液，取1ml氧化石墨烯水溶液滴加在直径是2.5cm的无尘纸上表面，放置在60℃的烘箱内烘干，制得氧化石墨烯无尘纸。利用水热法对无尘纸表面的氧化石墨烯进行还原。在高压反应釜内胆中注入20ml蒸馏水和10ml乙醇，将氧化石墨烯无尘纸放入内胆密封，放在120℃烘箱内保温3小时，冷却，取出，放置在60℃烘箱内直至烘干。制备出如图1所示的还原氧化石墨烯和无尘纸基体组成的复合薄膜。
(2)利用上述所制备的复合薄膜进行污染物吸附净化：将此还原氧化石墨烯和无尘纸组成的复合薄膜放入装有10ml的罗丹明水溶液(浓度为10mg/L)的烧杯中，使其浮于溶液与空气界面并与溶液充分接触，利用聚光板聚焦太阳光，聚焦后的光强为350mW/cm2，聚焦后的光束照射在复合薄膜上，测试时间为2小时，溶液中剩余污染物随时间变化如图3所示。
比较例1
为了突出该技术的优点，本例中制备了在没有光照条件下复合薄膜吸附效果和有光照条件下复合薄膜吸附效果作为对照组，其他实验条件不变，对其吸附性能进行了分析，具体结果如图3所示。制备了无尘纸蒸发效果和复合薄膜蒸发效果作为对照组，其他实验条件不变，对其蒸发效果进行了分析，具体结果如图4所示。
从图2可知，还原氧化石墨烯无尘纸复合薄膜对于太阳光是全谱吸收，具有很高的光热转化效率。从图3可知，局部加热效应带来的蒸发促进污染物向吸附材料表面的扩散，大大地加速了吸附净化速率。复合薄膜吸附量由45％增加到85％，吸附性能得到了大幅度提高。从图4可知，在光照条件下，复合薄膜具有高光热转化速率以及局部加热效应使得蒸发速率是无尘纸蒸发速率的5倍，蒸发速率大幅度提高。
实施例2
一种利用太阳能光热效应加速吸附净化的方法，该方法包括以下步骤：
(1)兼具光热转换和吸附功能膜的制备：将具有多孔微米结构的无尘纸薄膜作为基底，在基底模板上沉积一层兼具光热转换和吸附性能的片状碳黑纳米粉末制备成兼具光热转换和吸附功能膜。具体为：将兼具光热转换和吸附性能的片径大小为50-200nm的片状碳黑粉末均匀分散至乙醇中，得到质量浓度1-100mg/ml的溶液，通过物理沉积的方法在无尘纸基底膜上沉积一层碳黑粉末薄膜得到兼具光热转换和吸附功能膜。
(2)利用上述所制备的复合薄膜进行污染物吸附：将此复合薄膜移到待吸附的溶液上表面，使其浮于溶液表面并与溶液充分接触，具有吸附特性的非金属无机物通过静电引力、氢键等相互作用力可以有效的吸附溶液中的污染物，如重金属离子、染料、油污以及其他有机污染物，达到对污染物吸附的目的；与此同时，对接收到的电磁波进行全谱吸收实现光热转换，局部加热效应带来的蒸发促进污染物向吸附材料表面的扩散，大大地加速了吸附净化速率。
实施例3
所述的具有多孔结构的基底薄膜为海绵；所述的兼具光热转换和吸附特性的物质为碳纳米管；光热蒸发膜的制备是通过喷涂工艺制得：将兼具光热转换和吸附特性的物质为碳纳米管均匀分散至乙醇中(质量浓度为1-100mg/ml)，通过喷涂笔装置在无尘纸基体上面形成兼具光热转换和吸附功能膜。其余同实施例2。
实施例4
所述的具有多孔结构的基底薄膜为玻璃纤维纸；所述的兼具光热转换和吸附特性的物质为石墨粉；兼具光热转换和吸附功能膜的制备通过涂膜工艺制得：将具有兼具光热转换和物理吸附特性的石墨粉均匀分散至甲醇中(质量浓度为1-100mg/ml)，通过可控旋涂装置在玻璃纤维纸的表面形成兼具光热转换和吸附功能膜；其余同实施例2。
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.兼具光热转换性能和吸附特性的复合薄膜，其特征在于，包括基底，及沉积在基底上兼具光热转换性能和吸附特性的功能膜，
所述的基底为具有多孔结构的微纳米薄膜，
所述的功能膜由兼具光热转换性能和吸附特性的非金属无机物制成。
2.根据权利要求1所述的兼具光热转换性能和吸附特性的复合薄膜，其特征在于，具有多孔结构的微纳米薄膜包括无尘纸、玻璃纤维纸、纱布或海绵薄膜。
3.根据权利要求1所述的兼具光热转换性能和吸附特性的复合薄膜，其特征在于，兼具光热转换性能和吸附特性的非金属无机物包括石墨烯、碳黑、碳纳米管、活性炭或石墨粉。
4.如权利要求1所述的兼具光热转换性能和吸附特性的复合薄膜的制备方法，其特征在于，将具有多孔结构的微纳米薄膜作为基底，在基底上沉积一层兼具光热转换性能和吸附特性的功能膜，所述的沉积方法包括物理沉积、喷涂、涂膜或自组装工艺。
5.根据权利要求4所述的兼具光热转换性能和吸附特性的复合薄膜的制备方法，其特征在于，所述的物理沉积的工艺步骤如下：首先，将兼具光热转换性能和吸附特性的非金属无机物的微纳米结构单元均匀分散至溶剂中，得到质量浓度为1-100mg/ml的溶液，通过向基底滴加前述溶液，溶剂挥发，在基底上形成兼具光热转换性能和吸附特性的功能膜，从而得到复合薄膜。
6.根据权利要求4所述的兼具光热转换性能和吸附特性的复合薄膜的制备方法，其特征在于，所述的喷涂工艺步骤如下：首先，将兼具光热转换性能和吸附特性的非金属无机物的微纳米结构单元均匀分散至溶剂中，得到质量浓度为1-100mg/ml的溶液，通过喷涂笔装置在基底上喷涂前述溶液，待溶剂蒸发得到兼具光热转换性能和吸附特性的功能膜，从而得到复合薄膜。
7.根据权利要求4所述的兼具光热转换性能和吸附特性的复合薄膜的制备方法，其特征在于，所述的涂膜工艺步骤如下：首先，将兼具光热转换性能和吸附特性的非金属无机物的微纳米结构单元均匀分散至溶剂中，得到质量浓度为1-100mg/ml的溶液，通过可控旋涂装置在基底上旋涂前述溶液，待溶剂蒸干得到兼具光热转换性能和吸附特性的功能膜，从而得到复合薄膜。
8.如权利要求1所述的兼具光热转换性能和吸附特性的复合薄膜的应用，其特征在于，利用所述的复合薄膜进行污水净化，具体方法为：
将此复合薄膜放置到待吸附的溶液上表面，使其浮于溶液与空气界面并与溶液充分接触，功能膜有效吸附溶液中的污染物达到对污染物吸附的目的；与此同时，对漂浮的复合薄膜进行光照，激发复合薄膜中非金属无机物的光热转化效应，在溶液与空气界面产生局部加热效应，促进溶剂的快速蒸发，从而加速污染物向复合薄膜中扩散和吸附。
9.根据权利要求8所述的兼具光热转换性能和吸附特性的复合薄膜的应用，其特征在于，还具有复合薄膜界面高效热蒸发净化与浓缩的步骤，具体为：在光照条件下，界面光热转化效应蒸发的溶剂高效地通过具有多孔结构的复合薄膜，一方面实现对溶液快速的浓缩，同时可对蒸发的溶剂进行冷凝，直接获得净化的溶剂，实现对溶剂的再回收。
10.根据权利要求8或9所述的兼具光热转换性能和吸附特性的复合薄膜的应用，其特征在于，所述的光包括激光、可见光、太阳光、紫外光、红外光或微波，也可为几种光的叠加，但须能够被复合薄膜吸收并转化为热能。
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