CN108314118B - 一种海水净化与淡化处理装置与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种海水净化与淡化处理装置与应用，提供一种MoO3‑x纳米材料在海水净化与淡化处理中的应用，其中，0<x<1；还提供一种海水净化与淡化处理装置，包括MoO3‑x纳米材料。本发明旨在提供一种可以同时实现海水净化和淡化的材料并设计一种能高效收集淡水的器件。通过调节MoO3‑x中氧空位的浓度并分析其浓度对SPR效应的影响，利用SPR效应提升光催化和光热效率，达到同时高效实现净化和淡化的目的。本发明提出的海水净化、淡化装置简单易行，利用一种材料完成两步操作降低了成本及简化了处理工序，同时其光催化降解速率高、光热性能好。
Description
技术领域
本发明涉及海水处理技术领域，尤其涉及一种海水净化与淡化处理装置与应用。
背景技术
随着社会不断发展所带来的环境污染问题已成为制约发展的重要因素。其中水污染所带来的水资源短缺等问题，使人们对水污染的治理颇为重视。海水净化和淡化作为一种能高效获取淡水资源的方法，引起了广泛关注。
然而目前传统的海水淡化法，如多效蒸馏、渗透膜、多级闪蒸等，都存在体积庞大、耗能高、碳排放量大、淡化效率低等问题。利用太阳能光蒸馏的海水淡化技术低碳环保，但多年来一直受限于较低的光热转换效率与相对高的成本而无法大规模应用。传统太阳能蒸馏海水淡化装置包含三部分：底部涂有吸热材料的水池；位于顶部的透明玻璃密封水池；蒸馏水收集用水槽。当收到太阳光照射时，底部的吸热材料(黑色)迅速升温，从而加速了水蒸气的蒸发速度，产生的水蒸气遇到温度较低的玻璃冷凝为水滴，并沿着玻璃的内壁流入到淡水收集槽中，这种利用太阳能蒸馏回收水的效率约2-3 L/m2/天。这种装置的回收效率较低且海水中含有大量金属离子与有机物，不经过净化，收集到的水往往达不到最低饮用水标准。若添加净化装置，采用光催化剂催化降解，不仅可以直接利用太阳能，而且对有机物、无机金属离子的处理比较彻底，不带来新的污染源。但传统光催化剂光谱响应范围窄，对太阳光中占主导地位的可见光利用率极低，使得催化活性较低，而整个净化装置的添加则又会导致成本大幅度增加，性价比不高。
因此，如果能在进一步提升光热转换效率的同时，更加高效地完成海水的净化过程，这样一套系统将为解决水资源稀缺问题提供新的希望。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于采用光催化与光热蒸馏技术结合的特征，设计一套能同时完成海水淡化与净化过程的系统，旨在解决现有技术效率低下、成本高昂且易引入新污染源的问题。
本发明的技术方案如下：
一种MoO3-x纳米材料在海水净化与淡化处理中的应用，其中，0<x<1。
一种海水净化与淡化处理装置，其中，包括MoO3-x纳米材料，其中，0<x<1。
所述的海水净化与淡化处理装置，包括薄膜结构的蒸发器，罩于蒸发器上方的半圆形冷凝器，半圆形冷凝器内壁边缘处设有与陆地收集池连接的管道，所述蒸发器的材料为MoO3-x纳米材料，其中，0<x<1。
所述的海水净化与淡化处理装置，其中，所述薄膜结构的蒸发器镶嵌于泡沫板中。
所述的海水净化与淡化处理装置，其中，所述半圆形冷凝器由亚克力玻璃制备而成。
所述的海水净化与淡化处理装置，其中，所述薄膜结构的蒸发器由MoO3-x纳米材料喷涂在多孔氧化铝模板上制备而成。
所述的海水净化与淡化处理装置，其中，所述MoO3-x纳米材料通过以下方法制备得到：
在钼粉中加入双氧水和还原剂，在室温下搅拌均匀，在120-160℃下反应10-14h；待反应完成后冷却至室温，进行离心处理，离心完成后取沉淀进行烘干处理，得到MoO3-x纳米材料。
所述的海水净化与淡化处理装置，其中，所述还原剂为乙醇。
所述的海水净化与淡化处理装置，其中，反应12h。
所述的海水净化与淡化处理装置，其中，烘干处理的温度为50℃，时间为24h。
有益效果：本发明旨在提供一种可以同时实现海水净化和淡化的材料并设计一种能高效收集淡水的器件。通过调节MoO3-x中氧空位的浓度并分析其浓度对表面等离子共振(surface plasmon resonance，SPR)效应的影响，利用SPR效应提升光催化和光热效率，达到同时高效实现净化和淡化的目的。本发明提出的海水净化、淡化装置简单易行，利用一种材料完成两步操作降低了成本及简化了处理工序，同时其光催化降解速率高、光热性能好。
附图说明
图1为本发明提供的一种海水净化与淡化处理装置较佳实施例的分解结构示意图。
图2为图1的组合结构示意图。
图3为在AM1.5光照条件下，1mg/mL的MoO3-x水溶液随时间变化的升温速率图。
具体实施方式
本发明提供一种海水净化与淡化处理装置与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种MoO3-x纳米材料在海水净化与淡化处理中的应用，其中，0<x<1。本发明所述MoO3-x纳米材料可以同时实现海水净化和淡化。通过调节MoO3-x中氧空位的浓度并分析其浓度对表面等离子共振效应的影响，利用SPR效应提升光催化和光热效率，达到同时实现高效净化和淡化的目的。
本发明提供一种海水净化与淡化处理装置，包括MoO3-x纳米材料，其中，0<x<1。
作为其中一具体实施例，请参阅图1和图2，本发明提供的所述海水净化与淡化处理装置，包括薄膜结构的蒸发器1，罩于蒸发器1上方的半圆形冷凝器2，半圆形冷凝器2内壁边缘处设有与陆地收集池（图中未示出）连接的管道3，其中，所述蒸发器1的材料为MoO3-x纳米材料，其中0<x<1。本发明所述海水净化与淡化处理装置，在光照条件下MoO3-x纳米材料可以产生大量的电子和空穴，降解海水污染物；同时，由于光热作用使得海水局部温度迅速升高，加速液面交界处的海水蒸发，此时蒸发的海水为污染物浓度较低的海水，可以获得水质标准达标的淡水。
污水净化处理与海水淡化处理通常被认为是两个相对独立的步骤，同时，光催化降解有机物与光热转换效应机理不同，之间并无必然联系。本发明首次提出一种MoO3-x纳米材料，该MoO3-x纳米材料同时具有光催化和光热转换双功能，从而实现了同时采用光催化技术与光热蒸馏技术对海水同时进行污染处理以及海水淡化处理。与传统装置相比，本发明装置大大节约了成本，提高了效率，实现了材料的多元化应用。所述MoO3-x纳米材料，引入的氧空位缺陷会产生SPR效应，从而拓宽了对光谱的吸收范围，缺陷能级降低了电子和空穴的复合率，产生了增强的光催化降解性能以及光热蒸馏水的性能。
具体地，为保证所述海水净化与淡化处理装置可漂浮在水面上，可将所述薄膜结构的蒸发器1镶嵌于泡沫板4中。
具体地，所述半圆形冷凝器2由高透过率的亚克力玻璃制备而成。
具体地，本发明所述薄膜结构的蒸发器1由MoO3-x纳米材料喷涂在多孔氧化铝模板上制备而成。这主要是利用氧化铝孔道的毛细现象，作为通道将海水运输到MoO3-x纳米材料表面发生反应。
具体地，本发明所述MoO3-x纳米材料通过以下方法制备得到：
在钼粉中加入双氧水（作为氧化剂）和还原剂（如乙醇），在室温下搅拌均匀，在120-160℃下反应10-14h（如12h）；待反应完成后冷却至室温，进行离心处理，离心完成后取沉淀进行烘干处理，得到MoO3-x纳米材料。
MoO3具有特殊的层状晶体结构以及高效、无毒、价格低廉等特点，在光催化污水处理方面具有巨大的应用价值。本发明选取了具有SPR效应的MoO3-x作为研究载体，研究其光催化与热转换特性。
针对现有催化剂光谱响应范围窄，对太阳光利用率低的问题，本发明通过溶剂热还原的方式，在MoO3中引入不同浓度的氧空位缺陷，从而形成MoO3-x。这种氧空位缺陷可以促使较多自由电子的产生，从而引发SPR效应，使得MoO3-x对太阳光的吸收从紫外光区拓宽至可见甚至红外光区，提高了对太阳光的利用效率。同时，这种SPR效应使MoO3-x具备了一定的光热转换能力。在完成海水净化的同时，利用材料本身的光热效应，对海水进行淡化处理，双重处理下的受污染海水水质可以达到饮用水标准（中华人民共和国，GB 5749-2006）。
本发明通过以下方式，实现提升MoO3-x纳米材料的光催化和光热效率：
1) 通过溶剂热还原的方式，具体通过控制反应的温度，调节MoO3-x中氧空位浓度，研究生长参数对氧空位浓度的影响，并研究氧空位缺陷所产生的SPR效应及对应的光谱响应范围；例如，控制反应温度为120oC，实现MoO3-x纳米材料含有少量氧空位的效果，此时材料颜色为灰蓝色；控制反应温度为140oC，实现MoO3-x纳米材料含有适量氧空位的效果，材料呈蓝色；控制反应温度为160oC，实现MoO3-x纳米材料含有大量氧空位的效果，此时颜色为墨蓝色。
2) 研究MoO3-x纳米材料中由氧空位产生的缺陷能级对光生电子和空穴寿命的影响。具体的，当不存在缺陷能级时，电子从导带直接跃迁至价带与空穴进行复合，当引入缺陷能级时，电子先由导带跃迁至缺陷能级，继而跃迁至价带与空穴复合。缺陷能级的产生，提高了电子和空穴的寿命，利于电子和空穴参与后续光热和光催化反应，使得电子和空穴的利用效率得到提升；
3) 测试MoO3-x对海水中污染物的降解特性，对金属离子的还原特性，实现性能的最优化。具体的，MoO3-x材料经模拟太阳光照射后产生光生电子，利用光生电子的还原作用将海水中离子态的金属还原为金属颗粒，采用离心法或者自然沉降法对金属颗粒进行回收。
4) 研究MoO3-x纳米材料中光热性能及SPR效应所带来性能的提升，在模拟太阳光下测试不同氧空位浓度的MoO3-x纳米材料在水中的局域升温速率，利用MoO3-x纳米材料的SPR光热效应作为水界面处的光蒸馏速率加速剂，进行海水淡化处理。
下面通过实施例对本发明MoO3-x纳米材料的制备方法作详细说明：
称取0.09594g(1mmol)钼粉于50mL容量的反应釜（内衬为聚四氟乙烯）中，加入1.5mL双氧水作为氧化剂，28.5mL乙醇作为还原剂，放在磁力搅拌器上于室温下搅拌30min，使后续氧化还原反应能充分进行。然后将反应釜置于烘箱中，分别于120℃、140℃、160℃反应12h，待反应完成后自然冷却至室温，取出反应釜，分别将不同温度下的溶液于离心机中离心，转速为10000r/min，时间为20min，所用溶液为乙醇。重复上述操作3次，确保离心彻底。离心完成后取下层沉淀，放置在真空干燥箱于50℃，24h烘干，所得样品即为含不同氧空位浓度的MoO3-x纳米材料。
上述实施例采用不同溶剂热反应温度来调控氧空位的浓度，进而利用SPR效应提升光催化和光热效率。具体而言，所得材料中的氧空位引入了一个位于价带之上的新缺陷能级，利于其捕获电子，降低电子-空穴复合率，使大量空穴能够参与反应，提升了光催化活性。经测试，在AM1.5光照条件下，经过180min，MoO3-x纳米材料几乎完全降解了溶液中所含罗丹明B染料，溶液颜色由深紫红色变为无色。同时，氧空位的产生使得大量自由电子聚集，金属内部自由电子分布不均，因为库仑力的存在使电子在平衡位置附近来回振荡，以等离子波的形式表现。当光照时，产生的等离子波会与光波共振，吸收谱在可见光甚至红外光产生一个共振吸收峰，拓宽了光谱响应范围；能量从光波传递至等离子波中被材料大量吸收，提高了光热效应。在AM1.5光照条件下，1mg/mL的MoO3-x水溶液升温速率如图3所示，经过半个小时光照，溶液温度由25℃提升到了45℃，光热效果显著。
与现有相比，本发明主要改进之处：
1. 在单一材料上同时实现利用光催化去除海水中染料、抗生素、重金属等污染物和利用光热效应进行海水淡化；
2. 模拟太阳光条件下，通过氧空位调节或修饰使光催化剂去除染料、抗生素、重金属等污染物效率提高≥10倍，且催化剂半年内稳定性良好。
3. 模拟太阳光条件下，进行约1h光照，通过光热效应使材料与水接触界面温度≥50℃，光热效率远高于现有技术。
综上所述，本发明提供的一种海水净化与淡化处理装置与应用，本发明设计使用单一MoO3-x纳米材料，通过调控其氧空位浓度进而影响其SPR效应，使其同时具有光催化和光热转换双功能，一步实现海水净化与淡化。本发明所述海水处理装置同时完成海水净化与淡化。不同于传统工艺使用成本昂贵的贵金属纳米颗粒作为海水淡化材料，本发明选用了成本低廉，制备工艺简单的氧化物为材料，是一种基于氧化物的SPR效应和光热转换效应的材料。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种海水净化与淡化处理装置，其特征在于，包括薄膜结构的蒸发器，罩于蒸发器上方的半圆形冷凝器，半圆形冷凝器内壁边缘处设有与陆地收集池连接的管道，所述蒸发器的材料为MoO3-x纳米材料，其中，0<x<1；
所述薄膜结构的蒸发器镶嵌于泡沫板中；
所述薄膜结构的蒸发器由MoO3-x纳米材料喷涂在多孔氧化铝模板上制备而成。
2.根据权利要求1所述的海水净化与淡化处理装置，其特征在于，所述半圆形冷凝器由亚克力玻璃制备而成。
3.根据权利要求1所述的海水净化与淡化处理装置，其特征在于，所述MoO3-x纳米材料通过以下方法制备得到：
在钼粉中加入双氧水和还原剂，在室温下搅拌均匀，在120-160℃下反应10-14h；待反应完成后冷却至室温，进行离心处理，离心完成后取沉淀进行烘干处理，得到MoO3-x纳米材料。
4.根据权利要求3所述的海水净化与淡化处理装置，其特征在于，所述还原剂为乙醇。
5.根据权利要求3所述的海水净化与淡化处理装置，其特征在于，反应12h。
6.根据权利要求3所述的海水净化与淡化处理装置，其特征在于，烘干处理的温度为50℃，时间为24h。
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