CN109282513A - 凹凸棒基光热转化膜及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及凹凸棒基光热转化膜及其制备方法和应用。本发明的凹凸棒基光热转化膜含有凹凸棒/碳复合材料，其通过将凹凸棒作为交联点掺杂到聚合物中，经反应聚合后冷冻干燥，再进一步碳化得到。本发明的凹凸棒基光热转化膜有很大的水汽运输通道和光吸收面积，能够高效转化太阳能。本发明以凹凸棒为原料制备太阳能光热转化膜不仅绿色、无毒、环保，而且可以很大程度上降低生产成本，提高凹凸棒使用的附加值。

Description

凹凸棒基光热转化膜及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及材料领域，具体涉及凹凸棒基光热转化材料领域。

背景技术

水资源与人类的生活息息相关，是支撑经济发展与社会进步的重要支柱。人类生活的衣食住行及工业中化石燃料的燃烧、发电等每一个环节都离不开水。随着经济的快速发展，一方面工业废水的排放与全球气候的变暖使淡水资源越来越匮乏；另一方面由于人口的增长与生活质量的提高，人们对淡水的需求量也越来越大。近年来，海水净化吸引了越来越多的研究者，利用绿色无污染的太阳能净化污水及淡化海水已成为研究的热点。太阳能净化水的核心是太阳能蒸发装置，该装置可以把太阳能转化为热能，蒸发装置中的水可以利用这部分热量蒸发，蒸发掉的水分会在系统中冷凝从而达到净水的目的。在传统的太阳能净水装置中，有大量的能量用来提高水的显热从而降低了能量利用率。太阳能光吸收器作为新一代太阳能净水装置的核心部件，其工作的基本原理是通过特制太阳能采光面，将投射到该面上的太阳辐射能最大限度地采集和吸收，并转化为热能，通过加热水或其他介质，为工业的生产或人们的生活提供所需热能。最近几年来，研究者利用薄膜来进行太阳能海水蒸发，把能将太阳能转化成热能的薄膜放到气液两相的界面上，只加热与薄膜接触的界面水，从而减少内部水分对能量的损失。何玉荣等人以无机物AgNO₃及有机物Ti(OC₄H₉)₄等为原料制备的Ag@TiO₂纳米颗粒膜在5个太阳下能量利用率为52.7％；曲良体等人以石墨烯为原料，通过反冷冻-冷冻干燥法制备的光吸收器在1个太阳下能量利用率可达到86.5％。在已报到的文献中，膜及金属颗粒物等价格昂贵，技术要求高。低成本、稳定性能好及制备过程简单成为光吸收器能否被广泛应用的关键。

凹凸棒黏土简称凹土(attapulgite，ATP)，又名坡缕石(palygorskite)，是一种层链状过渡结构的以含水富镁硅酸盐为主的黏土矿物，无毒、无味、无刺激性，储量丰富，价廉易得，具有十分广阔的应用前景，素有“千面用土”之称。就国内而言，1982年关于凹凸棒在油钻井中应用是国内有关凹凸棒应用的早期报道；1984年，凹凸棒应用于油脂脱色；后期研究表明凹凸棒有糖浆脱色和脱色吸附性能。1988年凹凸棒在涂料、动物养殖、吸附有机物中的研究大量涌现；1989年，凹凸棒在净化水(主要是吸附重金属和吸附降解有机物)、电池中的应用开始被报道；1991年，开始有了关于凹凸棒作为催化剂、化肥、电焊条、吸附气体、植物栽培、农药及复合材料中的报道；1992年，提出凹凸棒在除臭剂中的应用；1994年，凹凸棒在分子筛、电泳漆中的应用开始被报道；2002年凹凸棒在医学中开始发挥作用；2015年以后，关于三维凹凸棒材料、凹凸棒膜材料的研究开始出现。

发明内容

本发明人曾经研究制备三维凹凸棒疏水材料(《三维凹凸棒疏水材料的制备及其吸附性能》，非金属矿，2015年第38卷第2期)和凹凸棒土多孔吸附材料(《乙烯基三乙氧基硅烷改性凹凸棒土多孔亲油材料的制备及吸附性能》，非金属矿，2013年第36卷第5期)，但由于微观结构呈蜂窝状，主要用作吸附。在凹凸棒的研究领域，有人曾将凹凸棒用于太阳能净水，但制备出的材料为颗粒状，该颗粒的密度比水的密度大，在太阳能净化水的过程中，有很大部分的能量被水吸收变成潜热，降低了太阳能转化率也不利于凹凸棒材料的合理应用。

本发明人为解决上述技术问题，发现以凹凸棒为原料制备出具备膜结构的多孔光热转化材料，有较大的吸收太阳能面积，可有效提高光热转化效率。

具体来说，本发明提出了如下技术方案：

本发明提供了一种凹凸棒基光热转化膜，所述膜含有凹凸棒/碳复合材料。

优选的是，上述的膜，其中，所述膜在扫描电镜下呈现片层状结构。

优选的是，上述的膜，其中，所述片层之间有大孔、介孔和小孔。

优选的是，上述的膜，其中，所述膜的比表面积为41～144m²/g。

优选的是，上述的膜，其中，所述膜的所述膜的孔径大于零到50nm的孔的总孔体积为0.08～0.9cm³/g。

优选的是，上述的膜，其中，所述膜的密度为3～40mg/cm³；优选为10～30mg/cm³。

另一方面，本发明提供了凹凸棒基光热转化膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)凹凸棒基水凝胶的制备；

步骤(2)凹凸棒基多孔材料的制备；

和步骤(3)凹凸棒基多孔材料的碳化。

优选的是，上述的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)凹凸棒基水凝胶的制备：

将聚合单体和水与凹凸棒混合，再加入交联剂，继续混合得到混合液；向所述混合液中通入惰性气体；接着，加入引发剂反应，再加入碱溶液继续反应；反应结束水洗至中性得到凹凸棒基水凝胶；

步骤(2)凹凸棒基多孔材料的制备：

将步骤(1)得到的凹凸棒基水凝胶冷冻干燥，得到凹凸棒基多孔材料；

和步骤(3)凹凸棒基多孔材料的碳化：

将凹凸棒基多孔材料进行碳化，得到所述凹凸棒基光热转化膜；

其中，步骤(2)还可根据需要包括以下步骤：

步骤a：在冷冻干燥前，将凹凸棒基水凝胶在水中吸水达到饱和；和/或

步骤b：冷冻干燥前，向凹凸棒基水凝胶中加入胶黏剂进行反应。

优选的是，上述的制备方法，其中，步骤(1)中所述聚合单体选自丙烯酸系单体、丙烯酰胺系单体、乙烯吡咯烷酮中的一撰或两种以上；优选的是，所述丙烯酰胺系单体选自丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、丙烯酰胺甲酯、丙烯酰胺乙酯、丙烯酰胺正丁酯、甲基丙烯酰胺甲酯和甲基丙烯酰胺丁酯中的一种或两种以上，优选丙烯酰胺；进一步优选的是，所述交联剂选自N,N-亚甲基双丙烯酰胺、双丙烯二乙醇酯及其衍生物中的一种或两种以上，优选N,N-亚甲基双丙烯酰胺。

优选的是，上述的制备方法，其中，步骤(1)中所述引发剂选自过氧化合物引发剂、偶氮类引发剂和氧化还原引发剂中的一种或两种以上；优选的是，所述过氧化物引发剂选自过硫酸盐、过氧化物、二烷基过氧化物、二酰基过氧化物、过氧酯和过氧化碳酸酯中的一种或两种以上；所述偶氮类引发剂选自偶氮二异丁腈和/或偶氮二异庚腈；进一步优选的是，所述引发剂选自过硫酸铵、过硫酸钾和过硫酸钠中的一种或两种以上。

优选的是，上述的制备方法，其中，步骤(1)中按质量计，水：凹凸棒＝22～27:4，优选水：凹凸棒＝23～26:4。

优选的是，上述的制备方法，其中，步骤a中胶黏剂选自聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚N-甲基吡咯烷酮、聚乙烯基吡咯烷酮、聚氧乙烯和聚甲基丙烯酸羟乙酯中的一种或两种以上。

优选的是，上述的制备方法，其中，所述聚乙烯醇的分子量范围为6000～100000；所述聚乙二醇的分子量范围为1500～2150。

优选的是，上述的制备方法，其中，所述步骤(2)中，将水凝胶置于-5～-20℃中预冷冻，再冷冻干燥。

优选的是，上述的制备方法，其中，所述步骤(3)中，将凹凸棒基多孔材料在400～700℃进行碳化；优选碳化气氛为空气或氮气或氩气气氛；进一步优选碳化气氛为空气气氛；进一步优选所述碳化通过用明火将凹凸棒基多孔材料碳化。

优选的是，上述的制备方法制备的凹凸棒基光热转化膜。

另一方面，本发明提供了一种光热转化装置，包括以上凹凸棒基光热转化膜和凹凸棒基水凝胶。

优选的是，上述的光热转化装置，其中，所述凹凸棒基光热转化膜为凹凸棒基水凝胶的碳化层。

优选的是，上述的光热转化装置，其中，所述凹凸棒基水凝胶热导率低于1W m^-1K^-1，优选的是所述凹凸棒基水凝胶的热导率为0.03～0.08W m^-1K^-1。

本发明还提供了上述的膜以及上述光热转化装置在光热转化、净水、吸附和/或相变储能领域的应用。

本发明的有益效果包括：

我国是世界上主要的凹凸棒蕴藏国和生产国，以凹凸棒为原料制备太阳能光热转化膜可以从很大程度上降低生产成本，提高凹凸棒使用的附加值。

本发明的凹凸棒基光热转化膜具有片层状结构，密度小，可长时间漂浮在水面。

本发明凹凸棒基光热转化膜中，材料片层内部有小孔，片层之间有大孔或通道，有很大的水汽运输通道和光吸收面积，能够高效转化太阳能。

本发明的制备方法简单、绿色、环保。

下面结合附图和各个具体实施方式，对本发明及其有益技术效果进行详细说明，其中：

附图说明

图1为实施例1所制备的凹凸棒基光热转化膜在蒲公英上的照片。

图2a为实施例1所制备的凹凸棒基光热转化膜的表面SEM照片；图2b为实例1所制备的凹凸棒基光热转化膜的内部SEM照片。图2a中，放大倍数为50倍，标尺为500μm，加速电压为20kV；图2b中，放大倍数为20,000倍，标尺为1μm，加速电压为5.0kV。

图2c为实施例1所制备的凹凸棒基光热转化膜的孔径分布图。

图3a为实施例4经冷冻干燥所制备的凹凸棒基多孔材料在蒲公英上的照片；图3b为火烧碳化后得到的凹凸棒基膜材料的照片。

图4a、4b和图4c为实施例4经碳化后所制备的凹凸棒基膜材料的SEM照片。图4a中，放大倍数为150倍，标尺为100μm，加速电压为20kV；图4b中，放大倍数为500倍，标尺为50μm，加速电压为20kV；图4c中，放大倍数为10,000，标尺为1μm，加速电压为5.0kV。

图4d为实施例4所制备的凹凸棒基光热转化膜的孔径分布图。

图5是应用例1-3所采用的太阳光模拟器，由电源、光源、电子秤、储水装置、红外相机(记录温度)及电脑(记录质量损失)构成。

图6是应用例1的示意图。

图7是应用例2的示意图。

图8是应用例3的示意图。

图9a为应用例1、2、3及空白实验的质量损失率图；图9b为应用例1、2、3及空白实验的水分蒸发率图；图9c为应用例1、2、3及空白实验在1个太阳、1小时后的太阳能利用率图。

具体实施方式

如上所述，本发明的目的在于：提供一种具备膜结构的凹凸棒基多孔光热转化膜和光热转化装置，可提高光热转化率。

本发明所用术语“凹凸棒”与凹凸棒土或凹凸棒石具有相同含义。

本发明提供了一种光热转化装置，包括凹凸棒基光热转化膜(碳化层，即凹凸棒基光吸收器)和凹凸棒基水凝胶(未碳化层)。碳化层主要成分为凹凸棒和碳，在宏观上具有膜结构，密度为3-40mg/cm³。该装置可漂浮在水面上，未碳化层具有低热导率(低于1Wm^-1K^-1)并且可把水运输到碳层，使光热转化在该装置的碳化层上进行，这样可以减少甚至避免因水体本身的潜热造成的能量损失。

本发明还提供了一种凹凸棒基多孔光热转化膜，通过扫描电镜放大50～500倍可观察到材料的片层状结构之间有大孔或者通道，通过扫描电镜放大10,000～20,000倍可观察到材料片层上的凹凸棒结构，凹凸棒之间存在小孔。膜中的多孔结构，一方面可增大材料吸收太阳光的面积、提高光热转化率，另一方面可为水分的蒸发提供有效的运输通道。由于上述特征，该膜材料可尝试用于相变储能材料。

本发明还提供了一种凹凸棒基多孔光热转化膜的制备方法，具体步骤如下：

(1)凹凸棒基水凝胶的制备：

将丙烯酰胺与水混合，加入凹凸棒搅拌，再加入N,N-亚甲基双丙烯酰胺，继续混合得到混合液；向混合液中通入保护气体；加入引发剂并升温，待其充分反应后加入碱性溶液。反应结束后降至室温，水洗后得到凹凸棒基水凝胶。

(2)凹凸棒基多孔材料的制备：

向凹凸棒基水凝胶中加入胶黏剂，加热反应；反应结束后冷冻干燥，得到凹凸棒基多孔材料。

(3)凹凸棒基多孔材料的碳化：

将制备好的凹凸棒基多孔材料置于酒精灯的火焰上进行火烧使其碳化。碳化后的多孔材料即为凹凸棒基光热转化膜(也即凹凸棒基太阳能光吸收器)。

本发明优选的凹凸棒基多孔光热转化膜的制备方法，具体步骤如下：

(1)凹凸棒基水凝胶的制备：

将丙烯酰胺与一定量水混合，充分搅拌，加入凹凸棒，搅拌并超声，再加入N,N-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌；混合液在32℃下通氮气1h、搅拌；加入引发剂过硫酸盐同时升温到70℃以上，待其充分反应后加入NaOH溶液，反应1h；反应结束后降至室温，水洗至中性、离心，得到凹凸棒基水凝胶。

(2)多孔材料的制备：

把上述凹凸棒基水凝胶放入烧杯中，加入足量的蒸馏水，待其充分吸水后，加入一定量的胶黏剂(PVA或PEG)，加热至一定温度，搅拌1h、预冷冻后冷冻干燥；干燥后的多孔材料碳化。

本发明进一步优选的凹凸棒基多孔光热转化材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)凹凸棒基水凝胶的制备：

将丙烯酰胺与一定量水混合，充分搅拌，加入凹凸棒，搅拌并超声，再加入N,N-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌；混合液在32℃下通氮气1h、搅拌；加入引发剂过硫酸盐同时升温到70-80℃，待其充分反应后加入NaOH溶液，反应1h。反应结束后降至室温，水洗至中性、离心，得到凹凸棒基水凝胶。

(2)多孔材料的制备：

将上述凹凸棒基水凝胶放入烧杯中，加入一定量的胶黏剂加热至一定温度；反应结束后、预冷冻后冷冻干燥。

(3)凹凸棒基多孔材料的碳化：

冷冻干燥后的多孔材料通过丁烷打火机火焰火烧碳化。

如上所述的制备方法中，凹凸棒与溶剂水的比例对制备出的复合材料有较大影响；凹凸棒是否纯化对材料的性质无影响。步骤(2)中胶黏剂是在自由基反应结束后添加。

其中，所述烧杯、离心机等均为本领域技术人员常规的设备或工具，凡是常用的所述设备或工具均可以用于本发明中。

下面通过具体实施例来说明本发明的凹凸棒基光热转化材料及其制备方法。

下面实施例中所用到各试剂和仪器来源如下，实例中所用水均为蒸馏水：

表1实施例所用试剂和仪器

实施例1

步骤1凹凸棒的纯化

称取40g凹凸棒与0.8g分散剂六偏磷酸钠，加入600g蒸馏水形成混合液，静置24h后搅拌再静置30min，取上层乳白色悬浊液，重复3次。合并悬浊液，经离心脱水后在干燥炉中80℃下干燥，研磨后与1mol/L HCl溶液以质量比1∶5混合，活化24h后离心弃掉上层液，将下层产品水洗3次，并用NaOH调至中性，烘干，粉碎过75μm筛，置于干燥密闭容器中保存备用。

步骤2凹凸棒基水凝胶的制备

将2g丙烯酰胺与25g水混合，充分搅拌，加入4g纯化凹凸棒，搅拌、超声(超声功率：60％)、搅拌，加入0.03g N,N-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌得到混合液。把上述混合液移入三口烧瓶中、搅拌，在32℃下通氮气1h；加入0.03g过硫酸铵同时升温到80℃，反应1.5h，待其充分反应后加入5ml3mol/L NaOH溶液，反应1h。反应结束后降至室温，水洗至中性、离心，得到凹凸棒基水凝胶。

步骤3凹凸棒基多孔材料的制备

将凹凸棒基水凝胶放入烧杯中，搅拌1h、在-18℃下预冷冻6h后放入冷冻干燥机中冷冻干燥，得到多孔材料，测试多孔材料的密度，根据ρ＝m/v；用电子秤称出气凝胶的质量m，之后用游标卡尺测量其直径d与高度h。V＝π(d/2)²h，计算得密度为5mg/cm³。再测试多孔材料的热导率，用模具将样品制备成为直径为12.7mm的圆饼状，采用德国内驰公司的激光法导热分析仪，在25℃下通过激光法测量样品的热扩散洗漱α，利用Proteus LFA Analysis软件计算出样品的比热Cp，再与体积密度ρ通过公式K＝αC_pρ计算得出材料的导热系数，计算得热导率为0.07Wm^-1K^-1。

步骤4多孔材料的碳化：

将制备好的凹凸棒基多孔材料放入管式炉中，气氛为氮气气氛，在600℃下烧1h后得多孔碳化凹凸棒光热转化材料。

得到的材料如图1所示，图1是碳化后得到的凹凸棒基膜材料(即凹凸棒-碳材料)在蒲公英上的图片，所得凹凸棒-碳材料密度低，经计算仅为3mg/cm³；图2a是该凹凸棒-碳材料放大50倍的扫描电镜图，从图中可以看到孔通道，但孔与孔之间不是联通的，其水分运输能力相对于连通孔较弱；图2b是该凹凸棒-碳材料放大20,000倍的扫描电镜图，图中可以看到凹凸棒晶及碳沉积颗粒。

将制备出的凹凸棒基膜材料进行氮气吸脱附测试，在77K氮气气氛下，采用Autosorb-6B型比表面积分析仪(Quantachrome)进行测试，脱气温度为150℃，其孔径分布图如图2c所示，膜的比表面积为144m²/g，其中2nm以下的小孔的总孔体积为0.004cm³g^-1，2-50nm的介孔的总孔体积为0.68cm³g^-1，并且孔直径在0-30nm范围内最多(凹凸棒晶与棒晶之间的小孔)，其总孔体积为0.87cm³g^-1。但也有直径高达200nm以上的孔存在(凹凸棒晶冷冻后形成的大孔)。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于：步骤4中把制备好的多孔材料的一个面直接用正丁烷打火机火焰处理，其温度约为500℃。

步骤3预冷冻温度为-18℃，经冷冻干燥得到的多孔材料的密度为5mg/cm³，热导率为0.075Wm^-1K^-1，凹凸棒基膜材料的密度为4.3mg/cm³。

实施例3

实施例3与实施例1的区别在于：(1)步骤2中的凹凸棒为未纯化处理的凹凸棒原土；(2)步骤4中制备好的多孔材料物质直接用酒精灯火焰处理，火焰温度为400-500℃。

制备出的凹凸棒基膜材料其外观与实例2相同，凹凸棒基膜材料的密度为7mg/cm³，膜的比表面积为100m²/g。

实施例4

实施例4与实施例2的区别在于：(1)步骤3中将凹凸棒基水凝胶放入烧杯中，加入足量的蒸馏水，待其充分吸水后，加入0.3g胶黏剂聚乙烯醇(PVA)，加热至90℃，搅拌1h、预冷冻后冷冻干燥。得到的多孔材料密度为17mg/cm³，热导率为0.032W m^-1K^-1。如图3a所示，可放置于蒲公英上。和实施例1中的多孔材料比起来，由于吸收了水，加入了胶黏剂，多孔材料的抗压性增强。

经明火烧碳化后如图3b所示，膜材料的密度为16.2mg/cm³。

将制备出的凹凸棒基膜材料进行扫描电镜(SEM)测试，其结果如图4a、图4b和图4c所示。图4a为凹凸棒基膜材料放大150倍的图片，从图中可以清楚地看到该膜材料具有片层结构，该片层结构形成的孔通道连通，可以更好地吸收太阳能及运输水汽；图4b是放大500倍后凹凸棒基膜材料的单个片层图片；图4c是把图4b中观测部分放大10,000倍后的图片，从该图可以看到凹凸棒棒晶与棒晶之间存在空隙，该空隙可以起到毛细管的作用，把水分运输到膜材料表面，使水分直接在膜表面加热蒸发。

将制备出的凹凸棒基膜材料进行氮气吸脱附测试，孔径分布图如图4d所示，膜的比表面积为41m²/g，其中2nm以下的小孔的总孔体积为0.016cm³g^-1，2-50nm的介孔的总孔体积为0.086cm³g^-1，并且其中孔直径在0-20nm范围内最多(凹凸棒晶与棒晶之间的小孔)，其总孔体积为0.094cm³g^-1。没有直径为200nm以上孔的存在(凹凸棒晶冷冻后形成的大孔)。

实施例5

实施例5与实施例2的区别在于：(1)步骤3中把上述凹凸棒基水凝胶放入烧杯中，加入0.3g的胶黏剂聚乙二醇(PEG)，加热至90℃，搅拌1h、预冷冻后冷冻干燥。得到的多孔材料密度为32mg/cm³，热导率0.065Wm^-1K^-1。和实施例2中的多孔材料比起来，由于加入了胶黏剂，膜的抗压性能增强,由于水凝胶没有充分吸水，导致凹凸棒基光热转化膜的密度变大。

经碳化制备得到凹凸棒基膜材料的密度为30mg/cm³。

实施例6

实施例6与实施例2的区别在于：步骤2中，加入的水为23g。制备得到的凹凸棒基光热转化材料，经检测，凹凸棒基多孔材料密度为15mg/cm³，热导率为0.05Wm^-1K^-1。凹凸棒基膜材料的密度为14mg/cm³。

实施例7

实施例7与实施例2的区别在于：步骤2中，加入的水为26g。制备得到的凹凸棒基光热转化材料，经检测，凹凸棒基多孔材料密度为10mg/cm³，热导率为0.04Wm^-1K^-1。凹凸棒基膜材料的密度为9.5mg/cm³。

对比例1

对比例1与实施例1的区别在于：步骤2中，加入的水为20g。制备得到的产物其上层为单体、少量凹凸棒及交联剂的聚合物，这是由于反应前混合液的粘度太大，阻碍了搅拌的进行，影响了反应，且该聚合物交联度较大，聚合物网络结构变得致密，难以形成所需的水凝胶。

对比例2

对比例2与实施例1的区别在于：步骤2中，加入的水为40g。制备得到的水凝胶为黄褐色粒状，其密度为2000mg/cm³,这与实例1制得的水凝胶区别很大，不宜进一步碳化制备光热转化材料。

应用试验

其装置图如图5所示，蒸发装置中只有水没有添加光吸收器，在1个太阳光模拟系统的灯照射下做蒸发实验，以此为空白实验。太阳能利用率的计算方式为：

其中为质量损失量，h_LV为气液蒸发焓，C_opt为光照强度，qi为光照系数。

具体计算为：质量损失＝(某时刻质量-初始质量)/吸收器面积；

蒸发率＝(初始质量-某时刻质量)/(吸收器面积*时间)；

太阳能利用率＝蒸发率*焓变/光强度，其中：

焓变＝(相变焓+潜热)，其中：

相变焓＝2256J g^-1；潜热＝4.2*(100-22)，其中：22(℃)为室温，4.2(J g^-1K^-1)为水的比热容。

质量损失、蒸发率及太阳能利用率分别如图9a，9b，9c所示，所有应用实例在统一条件下进行。

应用例1

将实施例4制备的凹凸棒基光热转换器(厚度＝1.1cm，其中水凝胶层厚度1.0cm；凹凸棒基膜层厚度0.1cm)置于太阳光模拟系统中，作为太阳能接收器，水凝胶层置于水中，凹凸棒基膜材料层浮在水面，如图6所示。如图9a所示，在太阳光模拟系统的灯照射下，结果发现，1h后水蒸发量(即质量损失)达到1.3Kg m^-2h^-1，太阳能利用率高达94％。由于多孔材料仅一个面被碳化，另一个面为未碳化的水凝胶，形成了高效率的光热转化器，这样使得未碳化的凹凸棒水凝胶层可通过毛细管作用把待净化水运输到碳化后形成的膜层，进一步加速水分的蒸发，提高光热转换效率。

应用例2

将实施例4制备的凹凸棒基光热转换器(厚度＝0.5cm，其中凹凸棒基水凝胶层厚度0.4cm；凹凸棒碳化层厚度0.1cm)置于太阳光模拟系统中，作为太阳能接收器，水凝胶层置于水中，凹凸棒基碳化层浮在水面，如图7所示。在太阳光模拟系统的灯照射下，1h后其蒸发量达到1.2Kg m^-2h^-1,太阳能利用率为85.7％。

应用例3

将实施例4制备的碳化前的凹凸棒基多孔材料(厚度＝1.1cm)置于太阳光模拟系统中，作为太阳能接收器，如图8所示。在太阳光模拟系统的灯照射下，1h后其蒸发量为0.55Kg m^-2h^-1,太阳能利用率为40％。

通过以上应用例可以看出，应用本发明的凹凸棒基光热转换膜可以大大改善太阳能的利用率，使得太阳能的利用率超过85％。凹凸棒储量丰富，可大批量生产光热转化膜，实现清洁能源的高效利用。

Claims (20)

1.一种凹凸棒基光热转化膜，其特征在于，所述膜含有凹凸棒/碳复合材料。

2.根据权利要求1所述的膜，其中，所述膜在扫描电镜下呈现片层状结构。

3.根据权利要求2所述的膜，其中，所述片层之间有大孔、介孔和小孔。

4.根据权利要求1-3任一项所述的膜，其中，所述膜的比表面积为41～144m²/g。

5.根据权利要求1-4任一项所述的膜，其中，所述膜的孔径大于零到50nm的孔的总孔体积为0.08～0.9cm³/g。

6.根据权利要求1-5任一项所述的膜，其中，所述膜的密度为3～40mg/cm³；优选为10～30mg/cm³。

7.根据权利要求1-6任一项所述的凹凸棒基光热转化膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)凹凸棒基水凝胶的制备；

步骤(2)凹凸棒基多孔材料的制备；

和步骤(3)凹凸棒基多孔材料的碳化。

8.根据权利要求7所述的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)凹凸棒基水凝胶的制备：

将聚合单体和水与凹凸棒混合，再加入交联剂，继续混合得到混合液；向所述混合液中通入惰性气体；接着，加入引发剂反应，再加入碱溶液继续反应；反应结束水洗至中性得到凹凸棒基水凝胶；

步骤(2)凹凸棒基多孔材料的制备：

将步骤(1)得到的凹凸棒基水凝胶冷冻干燥，得到凹凸棒基多孔材料；

和步骤(3)凹凸棒基多孔材料的碳化：

将凹凸棒基多孔材料进行碳化，得到所述凹凸棒基光热转化膜；

其中，步骤(2)还可根据需要包括以下步骤：

步骤a：在冷冻干燥前，将凹凸棒基水凝胶在水中吸水达到饱和；和/或

步骤b：冷冻干燥前，向凹凸棒基水凝胶中加入胶黏剂进行反应。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其中，步骤(1)中所述聚合单体选自丙烯酸系单体、丙烯酰胺系单体、乙烯吡咯烷酮中的一撰或两种以上；优选的是，所述丙烯酰胺系单体选自丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、丙烯酰胺甲酯、丙烯酰胺乙酯、丙烯酰胺正丁酯、甲基丙烯酰胺甲酯和甲基丙烯酰胺丁酯中的一种或两种以上，优选丙烯酰胺；进一步优选的是，所述交联剂选自N,N-亚甲基双丙烯酰胺、双丙烯二乙醇酯及其衍生物中的一种或两种以上，优选N,N-亚甲基双丙烯酰胺。

10.根据权利要求8或9所述的制备方法，其中，步骤(1)中所述引发剂选自过氧化合物引发剂、偶氮类引发剂和氧化还原引发剂中的一种或两种以上；优选的是，所述过氧化物引发剂选自过硫酸盐、过氧化物、二烷基过氧化物、二酰基过氧化物、过氧酯和过氧化碳酸酯中的一种或两种以上；所述偶氮类引发剂选自偶氮二异丁腈和/或偶氮二异庚腈；进一步优选的是，所述引发剂选自过硫酸铵、过硫酸钾和过硫酸钠中的一种或两种以上。

11.根据权利要求8-10任一项所述的制备方法，其中，步骤(1)中按质量计，水：凹凸棒＝22～27:4，优选水：凹凸棒＝23～26:4。

12.根据权利要求8-11任一项所述的制备方法，其中，步骤a中胶黏剂选自聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚N-甲基吡咯烷酮、聚乙烯基吡咯烷酮、聚氧乙烯和聚甲基丙烯酸羟乙酯中的一种或两种以上。

13.根据权利要求12所述的制备方法，其中，所述聚乙烯醇的分子量范围为6000～100000；所述聚乙二醇的分子量范围为1500～2150。

14.根据权利要求8-13任一项所述的制备方法，其中，所述步骤(2)中，将水凝胶置于-5～-20℃中预冷冻，再冷冻干燥。

15.根据权利要求8-14任一项所述的制备方法，其中，所述步骤(3)中，将凹凸棒基多孔材料在400～700℃进行碳化；优选碳化气氛为空气或氮气或氩气气氛；进一步优选碳化气氛为空气气氛；进一步优选所述碳化通过用明火将凹凸棒基多孔材料碳化。

16.权利要求7-15任一项所述的制备方法制备的凹凸棒基光热转化膜。

17.一种光热转化装置，包括权利要求1-6任一项与权利要求16所述的凹凸棒基光热转化膜和凹凸棒基水凝胶。

18.根据权利要求17所述的光热转化装置，其中，所述凹凸棒基光热转化膜为凹凸棒基水凝胶的碳化层。

19.根据权利要求17或18所述的光热转化装置，其中，所述凹凸棒基水凝胶热导率低于1W m^-1K^-1，优选的是所述凹凸棒基水凝胶的热导率为0.03～0.08W m^-1K^-1。

20.权利要求1-6任一项与权利要求16所述的膜以及权利要求17-19任一项所述光热转化装置在光热转化、净水、吸附和/或相变储能领域的应用。