CN109987665A - 一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置及其制备方法 - Google Patents

一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置，该装置以聚多巴胺和银纳米材料构造光吸收层将其沉积在亲水基底上，然后辅助泡沫绝热层作承载材料，棉花条用作水运输通道，其制备方法：将亲水基底浸入多巴胺溶液中沉积聚多巴胺，得到初始的光热转换材料；将初始的光热转换材料放入硝酸银和五水硫酸铜的混合溶液中反应，负载银纳米材料，得到光吸收层；将光吸收层放置于泡沫绝热层上，光吸收层的下方连接水运输通道，形成该装置。该装置构造方便，成本价格低廉，而且吸收光谱范围广，光热转换效率高，能够充分利用太阳能，实现高效海水淡化，可以直接应用于大规模工业化生产及市场推广。

Description

一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置及其 制备方法
技术领域
本发明涉及一种在亲水基底上负载光热转换材料的结构和方法，具体涉及一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置及其制备方法。
背景技术
随着世界人口的增加以及水资源的减少，淡水资源的获取越来越受到科学家们的重视。而利用太阳能实现海水淡化相比于膜蒸馏、膜透析具有成本低、装置简单、能耗低的特点。所以近年来，科学家们提出了太阳能水蒸发的新型太阳能热利用技术，通过各种途径以提高太阳能水蒸发系统的光热转化效率。研究人员提出了几种光热转化材料的先进制备方法，如3D打印、气相沉积、冷冻干燥、脉冲激光沉积等，然而由于这些方法昂贵且复杂，阻碍了其在实际应用中的使用。
因此，针对上述问题，有必要提出进一步的解决方案。
发明内容
本发明目的是提供一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置及其制备方法，解决上述问题。
本发明的一种技术方案是：
提供一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置，包括：光吸收层、用于支撑所述光吸收层的泡沫绝热层、水运输通道，所述水运输通道的上端连接所述光吸收层，下端连接水源，所述泡沫绝热层设置在所述光吸收层的下方，所述光吸收层为亲水基底上沉积聚多巴胺层，并还原负载银纳米材料。
本发明的另一种技术方案是：
提供一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置的制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)将亲水基底浸入多巴胺溶液中沉积一层聚多巴胺，得到初始的光热转换材料；
(2)将所述初始的光热转换材料放入硝酸银和五水硫酸铜的混合溶液中反应，负载银纳米材料，得到光吸收层；
(3)将所述光吸收层放置于所述泡沫绝热层上，所述光吸收层的下方连接水运输通道，形成一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置。
进一步的，步骤(1)中所述多巴胺溶液是将盐酸多巴胺溶于Tris缓冲液中。
进一步的，步骤(1)中所述多巴胺溶液的pH＝7～10。
进一步的，步骤(1)中所述多巴胺溶液的浓度为1～5mg/mL。
进一步的，步骤(1)中所述沉积的时间为4～12h。
进一步的，步骤(1)中所述亲水基底为织物、无纺布或海绵中的任意一种。
进一步的，步骤(2)中所述硝酸银的浓度为0.1～1mmol/L，五水硫酸铜的浓度为0.05～5mmol/L。
进一步的，步骤(2)中所述反应的时间为1～6h。
进一步的，步骤(3)中所述泡沫绝热层的材质为PS或EPE泡沫中的任意一种。
本发明提供了一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置及其制备方法，该装置以聚多巴胺和银纳米材料作为光吸收层，吸收光谱范围广，光热转换效率高；该装置中的银纳米材料还可以作为杀菌材料应用于太阳能海水淡化中，能够适用于各种原料基底，该装置构造方便，成本价格低廉，而且吸收光谱范围广，光热转换效率高，能够充分利用太阳能，实现高效海水淡化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中，
图1为本发明的一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置的结构示意图；其中，1为光吸收层、2为泡沫绝热层、3为水运输通道、4为海水、5为光源。
图2为本发明的一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置的制备方法在实施例1中所制备的光吸收层在照射前后温度的变化图；
图3为本发明的一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置的制备方法在实施例1中所制备的光吸收层表面形貌的SEM图；
图4为本发明的一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置的制备方法在实施例2中所制备的光吸收层表面形貌的SEM图；
图5为本发明的一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置的制备方法在实施例3中所制备的光吸收层表面形貌的SEM图；
图6为本发明的一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置利用于高盐度水淡化过程的质量变化图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参阅图1，图1为本发明的一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置的结构示意图。如图1所示，一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置包括三个部分：上层为光吸收层1，下层为泡沫绝热层2(绝热承载层)，光吸收层1连通水运输通道3。其制作方法为：将2～8g多巴胺溶解在100～200mL的Tris缓冲液中，pH＝7～10，放入亲水基底，机械搅拌沉积4～12h，取出用去离子水冲洗，随后放入60～80℃烘箱中烘干；然后将0.017～0.17g硝酸银和0.06～0.6g五水硫酸铜溶于50～100mL去离子水中，浸入上述聚多巴胺改性的亲水基底，机械搅拌沉积1～6h，取出用去离子水冲洗，随后放入60～80℃烘箱中烘干，得到光吸收层1。
该太阳能海水淡化装置将光吸收层1放置在泡沫绝热层2的上方，在光吸收层1的上方有光源5，泡沫绝热层2中间连接棉花条作为水运输通道3，水运输通道3的下端浸入海水4中。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。但是本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明所要求的权利范围内其他任何公知的改变。
首先，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
其次，本发明利用结构示意图等进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间。
另外，本发明中所讲的字母简称，均为本领域固定简称，其中部分字母文解释如下：Tris：三羟甲基氨基甲烷；SEM图：电子扫描显像图；PS：聚苯乙烯；EPE：可发性聚乙烯，又称珍珠棉。
实施例1
本实施案例按如下步骤展示一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置的制备方法：
将2g多巴胺溶解在100mL的Tris缓冲液中，pH＝8，放入直径为5cm的棉布，机械搅拌沉积4h，取出用去离子水冲洗，随后放入60℃烘箱中烘干；然后将0.03g硝酸银和0.08g五水硫酸铜溶于50mL去离子水中，浸入上述聚多巴胺改性的亲水基底，机械搅拌沉积1h，取出用去离子水冲洗，随后放入60℃烘箱中烘干，得到光吸收层。
该太阳能海水淡化装置将光吸收层放置在泡沫绝热层的上方，中间连接棉花条作为水的运输通道。
本实施例所制得的装置的产热效果见图2，图2为本发明的一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置的制备方法在实施例1中所制备的光吸收层在照射前后温度的变化图。如图2所示，经照射后，装置温度上升27摄氏度。
本实施例所制得的光吸收层的表面形貌图3，图3为本发明的一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置的制备方法在实施例1中所制备的光吸收层表面形貌的SEM图。如图3所示，棉织物基底表面附着聚多巴胺颗粒和银纳米颗粒以及100nm左右的片状银。
实施例2
本实施案例按如下步骤展示一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置的制备方法：
聚氰胺海绵，机械搅拌沉积6h，取出用去离子水冲洗，随后放入70℃烘箱中烘干；然后将0.1g硝酸银和0.12g五水硫酸铜溶于50mL去离子水中，浸入上述聚多巴胺改性的亲水基底，机械搅拌沉积2h，取出用去离子水冲洗，随后放入70℃烘箱中烘干，得到光吸收层。
该太阳能海水淡化装置将光吸收层放置在泡沫绝热层的上方，中间连接棉花条作为水的运输通道。
本实施例所制得的光吸收层的表面形貌图4，图4为本发明的一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置的制备方法在实施例2中所制备的光吸收层表面形貌的SEM图。如图4所示，海绵基底表面附着聚多巴胺颗粒和较小的银纳米片。
实施例3
本实施案例按如下步骤展示一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置的制备方法：
将4g多巴胺溶解在100mL的Tris缓冲液中，pH＝9，放入直径为5cm的无纺布，机械搅拌沉积5h，取出用去离子水冲洗，随后放入80℃烘箱中烘干；然后将0.1g硝酸银和0.3g五水硫酸铜溶于50mL去离子水中，浸入上述聚多巴胺改性的亲水基底，机械搅拌沉积3h，取出用去离子水冲洗，随后放入65℃烘箱中烘干，得到光吸收层。
该太阳能海水淡化装置将光吸收层放置在泡沫绝热层的上方，中间连接棉花条作为水的运输通道。
本实施例所制得的光吸收层的表面形貌图5，图5为本发明的一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置的制备方法在实施例3中所制备的光吸收层表面形貌的SEM图。如图5所示，无纺布基底表面附着聚多巴胺颗粒和厚度均匀且较大的银纳米片。
由此可知，在以上三个实施例中，所述的基于蜡烛灰的太阳能海水淡化装置的性能可参照图6，图6为本发明的一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置利用于高盐度水淡化过程的质量变化图。如图6所示，该装置在高盐度海水的淡化中具有很好的光热转化效果，可保持较优异的淡水生产量。如果将一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置使用于含细菌的海水淡化，那么可以发现：该装置在含细菌的海水淡化前，水中含有许多细菌，而在淡化后，水中的细菌个数为零。由此可知，通过基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置具有很好的杀菌或过滤细菌的性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置及其制备方法，能够适用于各种原料基底，该装置构造方便，成本价格低廉，而且吸收光谱范围广，光热转换效率高，能够充分利用太阳能，实现高效海水淡化，可以直接应用于大规模工业化生产及市场推广。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置，其特征在于，包括：光吸收层、用于支撑所述光吸收层的泡沫绝热层、水运输通道，所述水运输通道的上端连接所述光吸收层，下端连接水源，所述泡沫绝热层设置在所述光吸收层的下方，所述光吸收层为亲水基底上沉积聚多巴胺层，并还原负载银纳米材料。
2.一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)将亲水基底浸入多巴胺溶液中沉积一层聚多巴胺，得到初始的光热转换材料；
(2)将所述初始的光热转换材料放入硝酸银和五水硫酸铜的混合溶液中反应，负载银纳米材料，得到光吸收层；
(3)将所述光吸收层放置于所述泡沫绝热层上，所述光吸收层的下方连接水运输通道，形成一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置。
3.根据权利要求2所述的一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述多巴胺溶液是将盐酸多巴胺溶于Tris缓冲液中。
4.根据权利要求2所述的一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述多巴胺溶液的pH＝7～10。
5.根据权利要求2所述的一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述多巴胺溶液的浓度为1～5mg/mL。
6.根据权利要求2所述的一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述沉积的时间为4～12h。
7.根据权利要求2所述的一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述亲水基底为织物、无纺布或海绵中的任意一种。
8.根据权利要求2所述的一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述硝酸银的浓度为0.1～1mmol/L，五水硫酸铜的浓度为0.05～5mmol/L。
9.根据权利要求2所述的一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述反应的时间为1～6h。
10.根据权利要求2所述的一种基于聚多巴胺和银纳米材料的太阳能海水淡化装置的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述泡沫绝热层的材质为PS或EPE泡沫中的任意一种。
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