CN110407273A - 一种基于六硼化镧纳米粒子的光热表面水蒸发器件的设计 - Google Patents

一种基于六硼化镧纳米粒子的光热表面水蒸发器件的设计 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于六硼化镧纳米粒子的光热转换器件的制备方法及其水蒸发性能。以具有良好光热转换性能的六硼化镧作为吸光材料,以亲水性好和导热系数低的海绵作为支撑体、过滤层和水的输送层构建的水蒸发器件用于海水淡化和废水处理。以亲水性多孔海绵为载体,将六硼化镧、聚偏氟乙烯和N‑甲基吡咯烷酮研磨形成均一溶液后,通过蘸液法在海绵载体表面涂覆一层六硼化镧,干燥后得到六硼化镧纳米粒子光热转换器件。制备的水蒸发器件表面蒸发面积和孔隙率可以根据海绵的尺寸、原料配比及用量来进行控制。将该器件放入待蒸发的海水、酸性废水、碱性废水或者染料废水中,光源照射后收集蒸发冷凝的干净水资源。本发明装置结构简单,节能环保,操作简单,无需专人看护。

Description

一种基于六硼化镧纳米粒子的光热表面水蒸发器件的设计
技术领域
本发明属于水处理领域,具体涉及海水淡化和废水处理用的表面水蒸发器件的设计及应用。
背景技术
目前,随着人口不断增长,工业现代化进程持续发展,导致人们对淡水资源的需求不断增加。此外,工业废水(酸性废水、碱性废水和染料废水)、生活污水的排放又会对水资源造成污染。因此,淡水资源短缺成为全球面临的最严重的问题之一,这就需要找出一种有效的途径来解决这一问题。全球海水资源丰富,海水淡化成为了解决此为问题的有效途径。随着化石燃料的日益枯竭,太阳能作为清洁能源和可再生能源而备受关注。因此,太阳能海水淡化成为了解决淡水资源缺乏的有效途径。传统的太阳能蒸馏海水淡化是通过太阳能集热器将太阳光的能量转化为热能,这部分热能直接用来加热海水使其蒸馏来获得淡水,这种方法不仅设备笨重庞大,而且效率还低。新型的界面加热方式来获取淡水的方法成为了主流。基于此,光热转换材料成为了研究的热点。
光热转换材料一般分为四类:纳米贵金属粒子、半导体材料、炭基材料和高分子有机物。对于纳米贵金属材料来说,利用的局域表面等离子共振效应可以有效进行光热转换,从而实现太阳能水蒸发,应用较多的是纳米金、纳米银和纳米铝等。Zhu 等人以多孔阳极氧化铝为模板,在多孔阳极氧化铝上沉积一层纳米铝来制备光热装换器,用于太阳能海水淡化(Nature Photonics, 2016, 10(6): 393)。Deng等人设计了一种金膜作为光热转换层和网状无尘纸作为支撑层和隔热层的双层结构来进行太阳能海水淡化(AdvancedMaterials, 2015, 27(17): 2768-2774)。由于纳米金成本较高,并且其光热转换效率对形貌具有较高的依赖性,导致对实验的调控较为苛刻。因此,迫切需要开发新型、高效、稳定和低成本的太阳能光热表面水蒸发材料以及器件满足使用要求。
发明内容
本发明针对传统光热转换材料金纳米材料价格昂贵及性能不稳定等问题提出一种基于六硼化镧纳米粒子构筑的表面水蒸发装置及其制备方法。六硼化镧纳米粒子具有优异的光学性能,尤其是对近红外光具有强烈的吸收。当六硼化镧纳米粒子受到一定波长范围的光照射时,吸收的光子能量可以转换成热量,因此采用六硼化镧作为吸光材料。将该吸光材料涂覆到多孔的海绵结构上得到光热转换器件。多孔的海绵作为整个器件的支撑结构,同时具有过滤和输送水的功能。
为实现上述目的,本发明的技术方案如下:
(1)光热转换水蒸发器件的制备方法,包括以下步骤:
将六硼化镧、聚偏氟乙烯置于研钵中充分研磨,再滴加一定量的N-甲基吡咯烷酮,继续研磨均匀。用裁切好的海绵进行蘸涂,使海绵表面涂有一层六硼化镧,将其置于烘箱中烘干,即可得到六硼化镧光热转换器件。
(2)光热转换器件的水蒸发过程,包括以下步骤:
将涂有六硼化镧的海绵放入装满待蒸发的海水、酸性废水、碱性废水或者染料废水中,打开光源进行水蒸发过程。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
(1)以具有良好吸光性能的纳米六硼化镧作为光热转换材料,其性能稳定,能耐盐、酸和碱的腐蚀,具有良好的循环稳定性。
(2)以海绵作为器件的支撑骨架结构,同时具有过滤和传输水的功能,无需进行内部盐渍清理。
(3)本发明以太阳能为能量来源,节能环保; 装置结构简单,造价低廉,操作简单,无需专人看护。
具体实施方式
下面根据实例对本发明作进一步详细说明,可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,而非对本发明的限定。
实例一
将0.0308 g六硼化镧、0.0099 g聚偏氟乙烯置于研钵中充分研磨,再逐滴滴加0.5140g的N-甲基吡咯烷酮,继续研磨均匀。用裁切好的三聚氰胺海绵(表面尺寸1 cm*1 cm)进行蘸涂,使海绵表面涂有一层六硼化镧,将其置于烘箱中烘干,即可得到六硼化镧光热转换器件。将涂有六硼化镧的海绵放入装满自来水的烧杯中,将波长为808 nm 的近红外发射器的功率密度调至为1 kW/m2, 进行水蒸发,记录其质量变化。通过计算得到,当近红外发射器功率密度为1 kW/m2时,水的蒸发速率为 0.70 kg·m-2·h-1
实例二
将0.6453 g六硼化镧、0.0322 g聚偏氟乙烯置于研钵中充分研磨,再逐滴滴加1.4392g 的N-甲基吡咯烷酮,继续研磨均匀。用裁切好的聚乙烯醇海绵(直径为4 cm)进行蘸涂,使海绵表面涂有一层六硼化镧,将其置于烘箱中烘干,即可得到六硼化镧光热转换器件。将涂有六硼化镧的海绵放入装满自来水的烧杯中,将模拟太阳光的功率密度调至为2 kW/m2,进行水蒸发,记录其质量变化。通过计算得到,当模拟太阳光的功率密度为2 kW/m2时,水的蒸发速率为2.10 kg·m-2·h-1
实例三
将0.7652 g六硼化镧、0.0425 g聚偏氟乙烯置于研钵中充分研磨,再逐滴滴加1.7066g 的N-甲基吡咯烷酮,继续研磨均匀。用裁切好的三聚氰胺海绵(直径为4 cm)进行蘸涂,使海绵表面涂有一层六硼化镧,将其置于烘箱中烘干,即可得到六硼化镧光热转换器件。将涂有六硼化镧的海绵放入装有3.5wt%NaCl 的模拟海水的烧杯中,将模拟太阳光的功率密度调至为1 kW/m2, 进行水蒸发,记录其质量变化。通过计算得到,当模拟太阳光的功率密度为1 kW/m2时,水的蒸发速率为0.76 kg·m-2·h-1。将蒸发得到的水收集,通过电感耦合等离子体测试得到蒸发后水中Na+的浓度为2.42 mg/L,低于世界卫生组织规定的饮用水中Na+的标准。
实例四
将0.5043 g六硼化镧、0.0315 g聚偏氟乙烯置于研钵中充分研磨,再逐滴滴加1.4408g 的N-甲基吡咯烷酮,继续研磨均匀。用裁切好的三聚氰胺海绵(直径为4 cm)进行蘸涂,使海绵表面涂有一层六硼化镧,将其置于烘箱中烘干,即可得到六硼化镧光热转换器件。将涂有六硼化镧的海绵放入装满含有0.1 mol/L NaOH的碱性废水中,将模拟太阳光的功率密度调至为1 kW/m2, 进行水蒸发,记录其质量变化。通过计算得到,当模拟太阳光的功率密度为1 kW/m2时,水的蒸发速率为0.69 kg·m-2·h-1。将蒸发得到的水收集,通过电感耦合等离子体测试得到,蒸发后水中Na+的浓度为1.64 mg/L,低于世界卫生组织规定的饮用水中Na+的标准,并且蒸发前溶液的pH为12.60,蒸发后pH为7.58,接近于中性。
实例五
将0.7002 g六硼化镧、0.0389 g聚偏氟乙烯置于研钵中充分研磨,再逐滴滴加1.5913g 的N-甲基吡咯烷酮,继续研磨均匀。用裁切好的三聚氰胺海绵(直径为4 cm)进行蘸涂,使海绵表面涂有一层六硼化镧,将其置于烘箱中烘干,即可得到六硼化镧光热转换器件。将涂有六硼化镧的海绵放入装有0.1 mol/L HCl的烧杯中,将模拟太阳光的功率密度调至为1kW/m2, 进行水蒸发,记录其质量变化。通过计算得到,当模拟太阳光的功率密度为1 kW/m2时,水的蒸发速率为0.74 kg·m-2·h-1
实例六
将0.4772 g六硼化镧、0.0281 g聚偏氟乙烯置于研钵中充分研磨,再逐滴滴加1.1932g 的N-甲基吡咯烷酮,继续研磨均匀。用裁切好的三聚氰胺海绵(直径为4 cm)进行蘸涂,使海绵表面涂有一层六硼化镧,将其置于烘箱中烘干,即可得到六硼化镧光热转换器件。将涂有六硼化镧的海绵放入装满含有浓度为100mg/L亚甲基蓝的染料废水中,将模拟太阳光的功率密度调至为1 kW/m2, 进行水蒸发,记录其质量变化。通过计算得到,当模拟太阳光的功率密度为1 kW/m2时,水的蒸发速率为0.536 kg·m-2·h-1。将蒸发的水进行收集,可以看到颜色呈无色透明状。
上面对本发明的实施例作了详细说明,但是本发明并不局限于上述实施例,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种基于六硼化镧纳米粒子的光热表面水蒸发器件的制备,其特征在于,包括以下步骤:将六硼化镧、聚偏氟乙烯置于研钵中充分研磨,再滴加一定量的N-甲基吡咯烷酮,继续研磨均匀;用剪切的海绵进行蘸涂,使海绵表面涂有一层六硼化镧,然后将其置于烘箱中烘干,干燥后即得到六硼化镧光热转换器件。
2.根据权利要求1所述的一种基于六硼化镧纳米粒子的光热表面水蒸发器件的制备中,该器件的吸光材料为六硼化镧,其中六硼化镧单位面积的涂覆量为0.05 kg•m-2-0.65kg•m-2
3.根据权利要求1所述的一种基于六硼化镧纳米粒子的光热表面水蒸发器件的制备中,所用的粘结剂为聚偏氟乙烯,其中六硼化镧/聚偏氟乙烯的质量比为3:1- 20:1。
4.根据权利要求1所述的一种基于六硼化镧纳米粒子的光热表面水蒸发器件的制备中,所用溶剂为N-甲基吡咯烷酮,其中的六硼化镧/N-甲基吡咯烷酮质量比为1 :20- 1:2。
5.根据权利要求1所述的一种基于六硼化镧纳米粒子的光热表面水蒸发器件的制备中,所采用的不同种类的海绵包括具有良好亲水性的海绵,如亲水三聚氰胺海绵,亲水聚乙烯醇海绵和亲水聚氨酯海绵。
6.如权利要求1所述的基于六硼化镧纳米粒子的光热表面水蒸发器件的使用方法,其特征在于:将涂覆六硼化镧的海绵放入装满待蒸发的海水、酸性废水、碱性废水或者染料废水的容器中,使涂覆六硼化镧的表面裸露在上表面,开启光源,通过光热转换层的光吸收进行水蒸发从而获得干净淡水资源。
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