CN110791884B

CN110791884B - 光热水蒸发纳米纤维复合膜制备装置和方法

Info

Publication number: CN110791884B
Application number: CN201911146746.2A
Authority: CN
Inventors: 覃小红; 刘烨; 王黎明; 熊健; 刘慧洁; 俞建勇
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2022-08-26
Anticipated expiration: 2039-11-21
Also published as: CN110791884A

Abstract

本发明涉及一种光热水蒸发纳米纤维复合膜制备装置和方法，包括宏量静电纺丝装置，宏量静电纺丝装置包括纺丝液储液槽、高压发生器、宏量纺丝喷头、待纺液槽、供液泵和导液管，宏量纺丝喷头设置于待纺液槽中，待纺液槽通过导液管与纺丝液储液槽连通并通过供液泵向待纺液槽泵送纺丝液，宏量纺丝喷头与高压发生器电连接，宏量纺丝喷头的正上方设有受驱动发生转动的传送带，传送带为能够与宏量纺丝喷头中产生的纺丝射流静电吸附的透气结构，传送带上层的底部设有负压吸风装置，传送带的上方设有能够向传送带上层表面喷料的光热转换材料喷涂装置。本发明能够实现光热转换材料的均匀分布，有效提升光热水蒸发效率，提升光热转换水蒸发材料的生产效率。

Description

光热水蒸发纳米纤维复合膜制备装置和方法

技术领域

本发明属于纳米纤维膜制备的技术领域，特别是涉及一种光热水蒸发纳米纤维复合膜制备装置和方法。

背景技术

作为地球上最丰富的一种化合物，水几乎覆盖了在3/4的地球表面。地球上水资源丰富，然而96.5%的水资源分布在海洋，不能直接饮用和用于生活生产活动。此外，仅有的淡水资源还面临水资源分布的不均衡、全球人口急剧增长、工业化城镇化用水需求激增、水污染日趋严重等问题。

海水淡化成为人类社会特别是缺水地区获取淡水的首选方案。目前成熟的海水淡化方式包括膜法和热法，如RO反渗透膜的使用和多级闪蒸技术。然而这两种主要方式均需要消耗化石能源，如反渗透膜法处制取一吨淡水需消耗4-5kWh电能，淡化海水的同时不可避免地加剧温室效应。

与上述技术相比，太阳能蒸馏海水技术具有不消耗化石能源、不受位置条件限制、无污染、安全可靠等独特优势。传统的太阳能蒸馏技术利用太阳光照将引入的海水整体加热，海水蒸发冷凝后获得淡水。由于是对海水的整体加热，太阳能的利用效率很低，仅为20-40%左右。

界面水蒸发是近期兴起的一种新型光热水蒸发形式。通过合理的材料结构设计对光热转化作用、水分传输、热量分布进行有效管理可以大幅提升光热材料的转换效率和光热水蒸发效率。

纺织材料结构具有优异的多级组装特征，同时表现出杰出的使用性能。以纤维为单元的纤维集合体在光热转换材料结构设计、水分传输和热量分布管理拥有得天独厚的技术优势。

当将聚合物纤维直径从微米尺度降至亚微米尺度或纳米尺度时，就会出现一系列特性。如非常大的体积比表面积，纳米纤维的体积比表面积基本是微米纤维的1000倍；可以灵活地进行表面功能化；与其他已知材料形式相比所表现出优越的效应和机械性能，如表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和量子隧道效应及刚度、抗张强度等。这些特性使得纳米纤维成为许多重要应用的首选材料，在高效过滤、生物医用、智能传感等领域极具发展潜力。

碳基小尺度材料、等离激元材料具有良好的光谱吸收和热转换特性。合理地将这类材料分布固着在纳米纤维集合体表面有利于大幅提升材料的光热转换能力。与此同时，纳米纤维构建的众多毛细通道有利于水分纵向传输和横向铺展的有效管理。开发纤维基多级集合体材料对推动光热水蒸发材料性能和应用具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光热水蒸发纳米纤维复合膜制备装置和方法，解决现有光热转换水蒸发材料生产效率低、光热水蒸发效率不高、光热转换材料分布不充分、加工过程复杂的问题，实现可控结构的光热水蒸发纳米纤维复合膜的一步法批量化制备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种光热水蒸发纳米纤维复合膜制备装置，包括宏量静电纺丝装置，所述宏量静电纺丝装置包括纺丝液储液槽、高压发生器、宏量纺丝喷头、待纺液槽、供液泵和导液管，所述宏量纺丝喷头设置于待纺液槽中，所述待纺液槽通过导液管与纺丝液储液槽连通并通过供液泵向待纺液槽泵送纺丝液，所述宏量纺丝喷头与高压发生器电连接，所述宏量纺丝喷头的正上方设有受驱动发生转动的传送带，所述传送带为能够与宏量纺丝喷头中产生的纺丝射流静电吸附的透气结构，所述传送带上层的底部设有负压吸风装置，所述传送带的上方设有能够向传送带上层表面喷料的光热转换材料喷涂装置。

所述传送带的两端装套在驱动轴上，所述驱动轴通过无级变速伺服电机驱动旋转。

所述负压吸风装置包括风管和风机，所述风管的抽风口设置于与传送带上层的底面相对，所述风管的另一端与风机连接。

所述光热转换材料喷涂装置包括气动喷枪、光热转换材料补给箱和带减压阀的空气压缩机，所述光热转换材料补给箱与气动喷枪供料连接，所述气动喷枪通过空气压缩机提供喷料压强。

所述光热转换材料补给箱内装载有经过超声波均匀分散的光热转换材料纳米颗粒物分散液。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种光热水蒸发纳米纤维复合膜制备方法，使用了上述的光热水蒸发纳米纤维复合膜制备装置，包括以下步骤：

（1）调节宏量纺丝喷头与传送带下层之间的距离；

（2）启动传送带转动并设定转速；

（3）启动负压吸风装置对传送带上层进行吸风并设定吸风风速，所述传送带上层形成负压；

（4）打开供液泵并设定供液速度，纺丝液经导液管输送进入待纺液槽；

（5）打开高压发生器并设置纺丝电压，至宏量纺丝喷头产生连续稳定地纺丝射流；

（6）所述纺丝射流经高压静电场拉伸使得纳米纤维固化沉积在传送带上形成纳米纤维层；

（7）向光热转换材料喷涂装置中注入光热转换材料，启动光热转换材料喷涂装置向传送带上层喷涂光热转换材料；

（8）所述光热转换材料在负压作用和静电作用下可控地与传送带上的纳米纤维层逐层包覆结合并形成纳米纤维复合膜。

有益效果

本发明采用宏量静电纺丝装置在纳米纤维成型的过程中接受来自光热转换材料喷涂装置喷射的光热转换材料，喷覆有光热转换材料的纳米纤维逐层堆叠形成一定厚度的纳米纤维复合膜，所制备的纳米纤维复合膜不仅表层涂敷有光热转换材料，而且膜内部的纳米纤维表面也涂敷有光热转换材料，有利于提高光热转换材料在纤维复合膜中的充分分散，当太阳光作用于表面粗糙的纳米纤维膜时，光不仅能够被表层的光热转换材料吸收，而且相当量进入膜内部的光不断反射被内部纤维表面的光热转换材料吸收。所制备的纳米纤维复合膜用作光热转换水蒸发材料时，能够有效提升光热水蒸发效率，且整个加工过程简单，可控性强，能够实现可控结构的光热水蒸发纳米纤维复合膜的一步法批量化制备，提高了光热转换水蒸发材料的生产效率。

附图说明

图1为本发明实施例的正面结构示意图。

图2为本发明实施例的立体结构示意图。

图3为本发明实施例的侧面结构示意图。

图4为本发明实施例的宏量静电纺丝装置的立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1-4所示的一种光热水蒸发纳米纤维复合膜制备装置，包括宏量静电纺丝装置、受驱动发生转动的传送带6、负压吸风装置9和光热转换材料喷涂装置。

宏量静电纺丝装置包括纺丝液储液槽2、高压发生器3、宏量纺丝喷头13、待纺液槽14、供液泵15和导液管16。宏量纺丝喷头13采用金属材料制成，能够同时产生大量的纺丝射流4。宏量纺丝喷头13设置于待纺液槽14中，待纺液槽14通过导液管16与纺丝液储液槽2连通，导液管16上设有蠕动供液泵15并通过供液泵15向待纺液槽14泵送高聚物纺丝液1。宏量纺丝喷头13与高压发生器3的正极电连接，高压发生器3的电压调节范围为0-100kV。

宏量纺丝喷头13的正上方设有受驱动发生转动的传送带6，传送带6的两端装套在驱动轴7上，驱动轴7通过无级变速伺服电机驱动旋转，可进行无极变速，变速范围为0-2 m/s。传送带6为能够与宏量纺丝喷头13中产生的纺丝射流4静电吸附的透气结构，传送带6和驱动轴7的材质均为可良好导电材质，驱动轴7设有接地8。

传送带6上层的底部设有负压吸风装置9，负压吸风装置9的吸风风速和吸风量可调。负压吸风装置9包括风管910和风机920，风管910的抽风口设置于与传送带6上层的底面相对，风管910的另一端与风机920连接。

传送带6的上方设有能够向传送带6上层表面喷料的光热转换材料喷涂装置。光热转换材料喷涂装置包括孔径为0.5~10 mm的气动喷枪11、光热转换材料补给箱12和带减压阀的空气压缩机。光热转换材料喷涂装置科配置有一套或者多套喷枪系统且喷枪系统流量可调节。光热转换材料补给箱12与气动喷枪11供料连接，气动喷枪11依次与减压阀和空气压缩机相连并通过空气压缩机提供喷料压强。光热转换材料补给箱12内装载有经过超声波均匀分散的光热转换材料纳米颗粒物分散液，所采用的光热转换材料纳米颗粒的成分和粒径可以相同或者不同。

下面提供一种光热水蒸发纳米纤维复合膜制备方法，使用了上述的光热水蒸发纳米纤维复合膜制备装置，包括以下步骤：

（1）调节宏量纺丝喷头13与传送带6下层之间的距离；

（2）启动传送带6转动并设定转速；

（3）启动负压吸风装置9对传送带6上层进行吸风并设定吸风风速，传送带6上层形成负压；

（4）打开供液泵15并设定供液速度，纺丝液1经导液管16输送进入待纺液槽14；

（5）打开高压发生器3并设置纺丝电压，至宏量纺丝喷头13产生连续稳定地纺丝射流（4）；

（6）纺丝射流4经高压静电场拉伸，溶剂挥发最终以纳米纤维的形式固化沉积在传送带6上形成纳米纤维层5；

（7）向光热转换材料喷涂装置中注入经过超声波充分分散的光热转换材料纳米颗粒物分散液，启动光热转换材料喷涂装置向传送带6上层喷涂光热转换材料纳米颗粒10；

（8）光热转换材料纳米颗粒10在负压作用和静电作用下可控地与传送带6上的纳米纤维层5逐层包覆，并结合并形成纳米纤维复合膜。

实施例1

采用聚丙烯腈（PAN)与N-N二甲基甲酰胺（DMF)所配制的高聚物溶液和采用纳米石墨粉与甲醇所配置的超声分散液制备光热水蒸发纳米纤维复合膜。

配制PAN高聚物溶液的质量分数为8%，配制的纳米石墨粉分散液质量分数为5%。调节宏量纺丝喷头13与传送带6下部的距离为18 cm；打开驱动轴7的驱动电机开关并设定转速为60r/min；打开负压吸风装置9并设定吸风风速为5 cm/s；打开蠕动供液泵15开关并设定供液速度为20 mL/h，高聚物纺丝液1经导液管16进入待纺液槽14；打开高压发生器3开关并设置纺丝电压为65 kV；大量纺丝射流4在宏量纺丝喷头13的表面产生，纺丝射流4经高压静电场拉伸，溶剂挥发最终以纳米纤维的形式固化沉积在传送带6上形成纳米纤维层5；向气动喷枪11中注入经过超声波充分分散的纳米颗粒物分散液即光热转换材料；打开空气压缩机，设置减压阀压力为20Pa，设置喷枪分散液流量，打开气动喷枪11向传送带6上部喷射光热转换材料纳米颗粒10；光热转换材料纳米颗粒10在负压吸风和静电作用下可控地逐层包覆在纳米纤维层5表面，最终得到厚度可控的纳米纤维复合膜。

实施例2

采用聚丙烯腈（PAN)与N-N二甲基甲酰胺（DMF)所配制的高聚物溶液和采用纳米石墨粉（10 nm和25 nm）与甲醇所配置的超声分散液制备光热水蒸发纳米纤维复合膜。

配制PAN高聚物溶液的质量分数为14%，配制的纳米石墨粉分散液质量分数为5%。调节宏量纺丝喷头13与传送带6下部的距离为16 cm；打开驱动轴7的驱动电机开关并设定转速为60r/min；打开负压吸风装置9并设定吸风风速为5 cm/s；打开蠕动供液泵15开关并设定供液速度为20 mL/h，高聚物纺丝液1经导液管16进入待纺液槽14；打开高压发生器3开关并设置纺丝电压为65 kV；大量纺丝射流4在宏量纺丝喷头13的表面产生，纺丝射流4经高压静电场拉伸，溶剂挥发最终以纳米纤维的形式固化沉积在传送带6上形成纳米纤维层5；向气动喷枪11中注入经过超声波充分分散的纳米颗粒物分散液即光热转换材料；打开空气压缩机，设置减压阀压力为25Pa，设置喷枪分散液流量，打开气动喷枪11向传送带6上部喷射光热转换材料纳米颗粒10；光热转换材料纳米颗粒10在负压吸风和静电作用下可控地逐层包覆在纳米纤维层5表面，最终得到厚度可控的纳米纤维复合膜。

Claims

1.一种光热水蒸发纳米纤维复合膜制备装置，包括宏量静电纺丝装置，所述宏量静电纺丝装置包括纺丝液储液槽（2）、高压发生器（3）、宏量纺丝喷头（13）、待纺液槽（14）、供液泵（15）和导液管（16），所述宏量纺丝喷头（13）设置于待纺液槽（14）中，所述待纺液槽（14）通过导液管（16）与纺丝液储液槽（2）连通并通过供液泵（15）向待纺液槽（14）泵送纺丝液（1），所述宏量纺丝喷头（13）与高压发生器（3）电连接，其特征在于：所述宏量纺丝喷头（13）的正上方设有受驱动发生转动的传送带（6），所述传送带（6）为能够与宏量纺丝喷头（13）中产生的纺丝射流（4）静电吸附的透气结构，所述传送带（6）上层的底部设有负压吸风装置（9），所述传送带（6）的上方设有能够向传送带（6）上层表面喷料的光热转换材料喷涂装置，所述传送带（6）的两端装套在驱动轴（7）上，所述驱动轴（7）通过无级变速伺服电机驱动旋转，传送带（6）和驱动轴（7）的材质均为可良好导电材质，驱动轴（7）设有接地（8）。

2.根据权利要求1所述的一种光热水蒸发纳米纤维复合膜制备装置，其特征在于：所述负压吸风装置（9）包括风管（910）和风机（920），所述风管（910）的抽风口设置于与传送带（6）上层的底面相对，所述风管（910）的另一端与风机（920）连接。

3.根据权利要求1所述的一种光热水蒸发纳米纤维复合膜制备装置，其特征在于：所述光热转换材料喷涂装置包括气动喷枪（11）、光热转换材料补给箱（12）和带减压阀的空气压缩机，所述光热转换材料补给箱（12）与气动喷枪（11）供料连接，所述气动喷枪（11）通过空气压缩机提供喷料压强。

4.根据权利要求3所述的一种光热水蒸发纳米纤维复合膜制备装置，其特征在于：所述光热转换材料补给箱（12）内装载有经过超声波均匀分散的光热转换材料纳米颗粒物分散液。

5.一种光热水蒸发纳米纤维复合膜制备方法，其特征在于使用了权利要求1-4中任意一条所述的光热水蒸发纳米纤维复合膜制备装置，包括以下步骤：

调节宏量纺丝喷头（13）与传送带（6）下层之间的距离；

启动传送带（6）转动并设定转速；

启动负压吸风装置（9）对传送带（6）上层进行吸风并设定吸风风速，所述传送带（6）上层形成负压；

打开供液泵（15）并设定供液速度，纺丝液（1）经导液管（16）输送进入待纺液槽（14）；

打开高压发生器（3）并设置纺丝电压，至宏量纺丝喷头（13）产生连续稳定地纺丝射流（4）；

所述纺丝射流（4）经高压静电场拉伸使得纳米纤维固化沉积在传送带（6）上形成纳米纤维层（5）；

向光热转换材料喷涂装置中注入光热转换材料，启动光热转换材料喷涂装置向传送带（6）上层喷涂光热转换材料；

所述光热转换材料在负压作用和静电作用下可控地与传送带（6）上的纳米纤维层（5）逐层包覆结合并形成纳米纤维复合膜。