CN107158968B - 一种用于光蒸发水的含半导体硫属化合物复合半透膜、其制备方法及用途 - Google Patents

一种用于光蒸发水的含半导体硫属化合物复合半透膜、其制备方法及用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于光蒸发水的含半导体硫属化合物复合半透膜、其制备方法及用途，该方法包含：步骤1，采用纤维素硝酸酯制备半透膜前驱体溶液；步骤2，将镉硫属化合物添加至上述前驱体溶液中，搅拌均匀，得混合溶液；步骤3，将上述混合溶液平铺在平底容器上，自然干燥成膜，制备出含镉硫属化合物半透膜；步骤4，将含镉硫属化合物半透膜置于硝酸银溶液浸泡一段时间；步骤5，将上述浸泡过的含镉硫属化合物半透膜取出，自然晾干，制备出含半导体硫属化合物复合半透膜。本发明的方法工艺简单，成本低；所提供的半透膜光热转换效果好，在光蒸发水，淡化海水领域内将具有非常好的应用前景。

Description

一种用于光蒸发水的含半导体硫属化合物复合半透膜、其制 备方法及用途
技术领域
本发明属于膜的制备技术领域，涉及一种复合半透膜，具体涉及一种含半导体硫属化合物复合半透膜的制备方法，其在光蒸发水、海水淡化领域有望得到广阔的应用。
背景技术
众所周知，太阳能是一种取之不尽、用之不竭的天然可再生能源，它具有无污染、辐射功率大且清洁的优点，是作为太阳能光热转换技术的能量来源。将太阳能转化为热能，其广泛被应用于实际生产生活中的各个方面，如太阳能发电、海水淡化、太阳能光热杀菌以及其他工业应用。
大规模的利用太阳能可有效减少人类对化石燃料的依赖，也可以达到保护环境的目的。目前，光热转换材料不仅可以用于光热治疗领域，同时可以利用太阳辐射的能量，将其转换为热能，达到光蒸发水，淡化海水的目的，因此受到了广泛的关注。
光蒸发水的原理是给予光热转换材料适当的太阳光辐射，由于其局部表面等离子共振效应，可产生明显的局部加热效应，使局部快速升温，使温度达到甚至远高于水的沸点，以此达到光蒸发水的目的。
迄今，金属金作为一种典型的光热转换纳米材料，在不同的领域得到了广泛的应用。例如，诺伊曼(ACS Nano，2013，7，42-49)和他的同事利用金纳米粒子在太阳能功率密度103KW/m2的条件下进行光蒸发水实验研究。然而，高太阳能功率密度和高成本的材料限制了这种技术在太阳能光热转换方面的应用，且其光热转换效率只有24％。
因此，为了节约设备成本，提高太阳能热转换效率，寻找低成本的先进光热转换材料已经成为了一项迫切的任务。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合半透膜，将膜蒸馏技术与光热转换结合起来，充分利用其局域表面等离子共振效应，将其吸收太阳光辐射带来的能量转换为热能，通过光蒸发水，能实现海水淡化，适用于海水淡化领域。
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于光蒸发水的含半导体硫属化合物复合半透膜的制备方法，该方法包含以下步骤：
步骤1，采用纤维素硝酸酯制备半透膜前驱体溶液；
步骤2，将镉硫属化合物添加至上述前驱体溶液中，搅拌均匀，得混合溶液；
步骤3，将上述混合溶液平铺在平底容器上，自然干燥成膜，制备出含镉硫属化合物半透膜；
步骤4，将含镉硫属化合物半透膜置于硝酸银溶液浸泡一段时间，通过阳离子转换将硝酸银、硫化镉转换为Ag2S；
步骤5，将上述浸泡过的含镉硫属化合物半透膜取出，自然晾干，制备出含半导体硫属化合物复合半透膜。
上述的用于光蒸发水的含半导体硫属化合物复合半透膜的制备方法，其中，步骤1中，制备半透膜前驱体溶液的方法是指，将干燥的纤维素硝酸酯溶于的乙醚与乙醇的混合溶液中，得到透明的半透膜前驱体溶液。
上述的用于光蒸发水的含半导体硫属化合物复合半透膜的制备方法，其中，所述的纤维素硝酸酯通过将脱脂棉溶于浓硝酸与浓硫酸的混合溶液中，经水洗、干燥制备。
上述的用于光蒸发水的含半导体硫属化合物复合半透膜的制备方法，其中，步骤2中，所述的镉硫属化合物选择硫化镉、硒化镉、碲化镉中的任意一种。
上述的用于光蒸发水的含半导体硫属化合物复合半透膜的制备方法，其中，步骤4中，所述的硝酸银溶液浓度为0.1～1mol/L。
上述的用于光蒸发水的含半导体硫属化合物复合半透膜的制备方法，其中，步骤4中，所述的含镉硫属化合物半透膜在硝酸银溶液中的浸泡时间为5-30min。
上述的用于光蒸发水的含半导体硫属化合物复合半透膜的制备方法，其中，步骤5中，所述的含半导体硫属化合物复合半透膜的厚度为100～500μm。
本发明还提供了一种采用上述的方法制备的含半导体硫属化合物复合半透膜，该复合半透膜中包含半导体硫属化合物。
上述的含半导体硫属化合物复合半透膜，其中，所述的半导体硫属化合物是指镉硫属化合物与Ag2S的混合物，其中，镉硫属化合物与Ag2S的混合物的重量百分含量不超过65％(如含量太高，可能阻塞半透膜的膜孔，对水的挥发有抑制作用)，镉硫属化合物选择硫化镉、硒化镉、碲化镉中的任意一种。
本发明还提供了一种采用上述的方法制备的含半导体硫属化合物复合半透膜的用途，其中，该含半导体硫属化合物复合半透膜能实现光热转换，通过光致水蒸发淡化海水，适用于光热转换领域。
半导体硫属化合物是非常高效率的对可见光响应的半导体材料，本发明将其与膜复合，利用其局域表面等离子体共振效应，可以吸收太阳光将其转换为热能，光致水蒸发，达到淡化海水的目的。
本发明所提出的制备方法具有制备简单，成本低，光热转换效果好等优点，在光蒸发水，淡化海水领域内将具有非常好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1-7制备的含半导体CdS-Ag2S复合半透膜的XRD图谱。
图2的(A)为本发明实施例6制备的含半导体CdS半透膜的SEM图谱；图2的(B)为本发明实施例6制备的含半导体CdS-Ag2S复合半透膜的SEM照片。
图3为本发明实施例1-7的紫外透光率图谱。
图4的(A)、(B)为本发明实施例1-7制备的半透膜的光蒸发水性能实验图谱(柱状图和折线图)；图4的(C)为本发明实施例1-7制备的半透膜的光蒸发水速率图谱；图4的(D)为本发明实施例1-7制备的半透膜的光蒸发水效率图谱。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
本发明所需要的纤维素硝酸酯可自制或市购。实施例中所采用的纤维素硝酸酯为自制，制备方法如下。
制备纤维素硝酸酯：将5mL浓硝酸与10mL浓硫酸混合，配成混合溶液体积比1:2，将1g脱脂棉侵入混合溶液1h，取出用去离子水冲洗8次，30度烘箱烘干24h，得到纤维素硝酸酯；
制备半透膜前驱体溶液：取出1g干燥后的纤维素硝酸酯，将其溶于25mL乙醚与25mL乙醇的混合溶液(体积比1:1)中，不断震荡或搅拌，得到透明的半透膜前驱体；
实施例1
将3.375mg CdS添加至6mL上述半透膜前驱体溶液，机械搅拌15min，得均匀混合的混合溶液；取出2mL混合溶液，将其加入直径为75mm的500mL烧杯底部，自然干燥成膜，将其裁剪为直径为35mm的圆形薄膜，制备出含量为0.25mg的半导体CdS基半透膜。将所制备的半导体CdS基半透膜放置于(0.5mol/L)硝酸银溶液浸泡15min，将其取出，成功制备出厚度约150μm含量约为0.25mg的含半导体CdS-Ag2S复合半透膜。
实施例2
将6.75mg CdS添加至6mL上述半透膜前驱体溶液，机械搅拌15min，得均匀混合的混合溶液；取出2mL混合溶液，将其加入直径为75mm的500mL烧杯底部，自然干燥成膜，将其裁剪为直径为35mm的圆形薄膜，制备出含量为0.5mg的半导体CdS基半透膜。将所制备的半导体CdS基半透膜放置于(0.5mol/L)硝酸银溶液浸泡15min，将其取出，成功制备出厚度约150μm含量约为0.5mg的含半导体CdS-Ag2S复合半透膜。
实施例3
将13.5mg CdS添加至6mL上述半透膜前驱体溶液，机械搅拌15min，得均匀混合的混合溶液；取出2mL混合溶液，将其加入直径为75mm的500mL烧杯底部，自然干燥成膜，将其裁剪为直径为35mm的圆形薄膜，制备出含量为1mg的半导体CdS基半透膜。将所制备的半导体CdS基半透膜放置于(0.5mol/L)硝酸银溶液浸泡15min，将其取出，成功制备出厚度约150μm含量约为1mg的含半导体CdS-Ag2S复合半透膜。
实施例4
将27mg CdS添加至6mL上述半透膜前驱体溶液，机械搅拌15min，得均匀混合的混合溶液；取出2mL混合溶液，将其加入直径为75mm的500mL烧杯底部，自然干燥成膜，将其裁剪为直径为35mm的圆形薄膜，制备出含量为2mg的半导体CdS基半透膜。将所制备的半导体CdS基半透膜放置于(0.5mol/L)硝酸银溶液浸泡15min，将其取出，成功制备出厚度约150μm含量约为2mg的含半导体CdS-Ag2S复合半透膜。
实施例5
将54mg CdS添加至6mL上述半透膜前驱体溶液，机械搅拌15min，得均匀混合的混合溶液；取出2mL混合溶液，将其加入直径为75mm的500mL烧杯底部，自然干燥成膜，将其裁剪为直径为35mm的圆形薄膜，制备出含量为4mg的半导体CdS基半透膜。将所制备的半导体CdS基半透膜放置于(0.5mol/L)硝酸银溶液浸泡15min，将其取出，成功制备出厚度约150μm含量为约4mg的含半导体CdS-Ag2S复合半透膜。
实施例6
将108mg CdS添加至6mL上述半透膜前驱体溶液，机械搅拌15min，得均匀混合的混合溶液；取出2mL混合溶液，将其加入直径为75mm的500mL烧杯底部，自然干燥成膜，将其裁剪为直径为35mm的圆形薄膜，制备出含量为8mg的半导体CdS基半透膜。将所制备的半导体CdS基半透膜放置于(0.5mol/L)硝酸银溶液浸泡15min，将其取出，成功制备出厚度约150μm含量约为8mg的含半导体CdS-Ag2S复合半透膜。
实施例7(对比例)
作为对比，还制备了未加吸热剂的胶棉半透膜纯膜(SemipermeableCollodionMembrane)：用吸管吸取2mL胶棉液，将其将其加入直径为75mm的500mL烧杯底部，自然干燥成膜，将其裁剪为直径为35mm的圆形薄膜，制备出透明的胶棉半透膜(SCM)。
实施例1-7制备的7个半透膜的XRD图谱如图1所示，由图可以看出，实施例1-6所制备的材料(实施例1中所制备的半透膜中CdS、Ag2S含量低，需放大可见)既含有CdS，也含有Ag2S，为CdS-Ag2S复合材料，说明成功制备出了含CdS-Ag2S复合半透膜。
图2的(A)为本发明实施例6制备的含半导体CdS半透膜的SEM图谱；图2的(B)为本发明实施例6制备的含半导体CdS-Ag2S复合半透膜的SEM照片。从图2的(A)看出，实施例6制备的半透膜中，CdS为纳米块状颗粒，图2的(B)为其在相同倍率下的SEM照片，更为清楚的显示，CdS-Ag2S的颗粒大小明显增大，可能是CdS与Ag2S的聚集现象。
图3为本发明实施例1-7的紫外透光率图谱，其中，(A)为曲线图，(B)为柱状图。由图3可以看出，随着复合材料中CdS-Ag2S含量的增加，其紫外可见透过率呈下降的趋势，说明紫外可见吸收逐渐增强，其吸收的能量也越来越强，从而将其转换为热能的能量也越来越高，实施例1-6的光蒸发水的性能也由此随着CdS-Ag2S浓度的增大而增大。
分别将实施例1-7制备的7个半透膜放置于开口直径为35mm的40mm×25mm的装有10mL水的称量瓶的水面上，在模拟太阳光(1.5KW/m2)的辐射下，通过电子精密天平准确记录纯水的减少量，其测试结果见图4(其中，water-dark为水在没有模拟太阳光的辐射下，及在室温的条件下其蒸发效果)。由图4的(A)、(B)所示的分别是光蒸发导致水的减少量的柱状图和直接变化图。从图4的(C)看出，最好的光蒸发速率高达1.26kg m-2h-1。从图4的(D)看出，其含量约8mg的含半导体CdS-Ag2S复合半透膜的光蒸发效率高达52.7％。可见，本发明的含半导体CdS-Ag2S复合半透膜展示了非常好的光蒸发水效果。
本发明的一些实施例中，所述的镉硫属化合物选择硫化镉、硒化镉、碲化镉中的任意一种。当将含镉硫属化合物半透膜在硝酸银溶液中的浸泡时，通过阳离子交换，可将硝酸银转换为硫属银化物，如CdSe可以通过与硝酸银部分转换为Ag2Se，形成含CdSe-Ag2Se复合半透膜；硫化镉可转换为Ag2S，形成含CdS-Ag2S复合半透膜。
本发明的一些实施例中，在半透膜中，镉硫属化合物与Ag2S的混合物的重量百分含量不超过65％。
综上所述，本发明将半导体硫属化合物与膜复合，利用半导体硫属化合物局域表面等离子体共振效应，可以吸收太阳光并将其转换为热能，光致水蒸发，达到淡化海水的目的。本发明的方法工艺简单，成本低；所提供的半透膜光热转换效果好，在光蒸发水，淡化海水领域内将具有非常好的应用前景。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种用于光蒸发水的含半导体硫属化合物复合半透膜的制备方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：
步骤1，采用纤维素硝酸酯制备半透膜前驱体溶液；
步骤2，将镉硫属化合物添加至上述前驱体溶液中，搅拌均匀，得混合溶液；
步骤3，将上述混合溶液平铺在平底容器上，自然干燥成膜，制备出含镉硫属化合物半透膜；
步骤4，将含镉硫属化合物半透膜置于0.1～1mol/L硝酸银溶液浸泡5-30min；
步骤5，将上述浸泡过的含镉硫属化合物半透膜取出，自然晾干，制备出含半导体硫属化合物复合半透膜。
2.如权利要求1所述的用于光蒸发水的含半导体硫属化合物复合半透膜的制备方法，其特征在于，步骤1中，制备半透膜前驱体溶液的方法是指，将干燥的纤维素硝酸酯溶于的乙醚与乙醇的混合溶液中，得到透明的半透膜前驱体溶液。
3.如权利要求1所述的用于光蒸发水的含半导体硫属化合物复合半透膜的制备方法，其特征在于，所述的纤维素硝酸酯通过将脱脂棉溶于浓硝酸与浓硫酸的混合溶液中，经水洗、干燥制备。
4.如权利要求1所述的用于光蒸发水的含半导体硫属化合物复合半透膜的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述的镉硫属化合物选择硫化镉、硒化镉、碲化镉中的任意一种。
5.如权利要求1所述的用于光蒸发水的含半导体硫属化合物复合半透膜的制备方法，其特征在于，步骤5中，所述的含半导体硫属化合物复合半透膜的厚度为100～500μm。
6.一种采用权利要求1-5中任意一项所述的方法制备的含半导体硫属化合物复合半透膜，其特征在于，该复合半透膜中包含半导体硫属化合物。
7.如权利要求6所述的含半导体硫属化合物复合半透膜，其特征在于，所述的半导体硫属化合物是指镉硫属化合物与硫属化银的混合物，其中，
镉硫属化合物与硫属化银的混合物的重量百分含量不超过65％，镉硫属化合物选择硫化镉、硒化镉、碲化镉中的任意一种，硫属化银包含硫化银、硒化银、碲化银中的任意一种。
8.一种采用权利要求1-5中任意一项所述的方法制备的含半导体硫属化合物复合半透膜的用途，其特征在于，该含半导体硫属化合物复合半透膜能实现光热转换，通过光致水蒸发淡化海水，适用于光热转换领域。
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