CN112250126A - 一种光热薄膜及其制备方法与应用 - Google Patents
一种光热薄膜及其制备方法与应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112250126A CN112250126A CN202010939579.3A CN202010939579A CN112250126A CN 112250126 A CN112250126 A CN 112250126A CN 202010939579 A CN202010939579 A CN 202010939579A CN 112250126 A CN112250126 A CN 112250126A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- film
- biomass carbon
- biomass
- photo
- water
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 20
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 claims abstract description 152
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 86
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 81
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 70
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 45
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims abstract description 36
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 36
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 13
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Substances N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000010000 carbonizing Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 23
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 19
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 17
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 15
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 15
- 239000008399 tap water Substances 0.000 claims description 15
- 235000020679 tap water Nutrition 0.000 claims description 15
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 14
- 238000003828 vacuum filtration Methods 0.000 claims description 14
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 13
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 claims description 11
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 claims description 11
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 10
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 claims description 10
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 8
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims description 8
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 claims description 8
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 6
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 claims description 6
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 claims description 6
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 claims description 5
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 claims description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 4
- 238000001132 ultrasonic dispersion Methods 0.000 claims description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 3
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 claims description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 2
- 238000001338 self-assembly Methods 0.000 abstract description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 abstract description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 description 155
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 16
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 16
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 15
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 244000280244 Luffa acutangula Species 0.000 description 7
- 235000009814 Luffa aegyptiaca Nutrition 0.000 description 7
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 7
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 7
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000004833 X-ray photoelectron spectroscopy Methods 0.000 description 6
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 5
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 5
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 5
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 5
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 5
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 5
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- -1 and the like) Substances 0.000 description 4
- 238000010612 desalination reaction Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 239000010842 industrial wastewater Substances 0.000 description 3
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 3
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 3
- 241000512259 Ascophyllum nodosum Species 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010170 biological method Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 2
- 239000013505 freshwater Substances 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 2
- 238000000053 physical method Methods 0.000 description 2
- 238000001223 reverse osmosis Methods 0.000 description 2
- 238000004513 sizing Methods 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 239000002937 thermal insulation foam Substances 0.000 description 2
- 235000013311 vegetables Nutrition 0.000 description 2
- 238000004065 wastewater treatment Methods 0.000 description 2
- 241001412225 Firmiana simplex Species 0.000 description 1
- 238000007605 air drying Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000004071 biological effect Effects 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 1
- 238000001548 drop coating Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 1
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 1
- 239000008236 heating water Substances 0.000 description 1
- 238000007885 magnetic separation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 230000001699 photocatalysis Effects 0.000 description 1
- 239000000049 pigment Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000013112 stability test Methods 0.000 description 1
- 238000001392 ultraviolet--visible--near infrared spectroscopy Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/02—Treatment of water, waste water, or sewage by heating
- C02F1/04—Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/05—Preparation or purification of carbon not covered by groups C01B32/15, C01B32/20, C01B32/25, C01B32/30
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/02—Treatment of water, waste water, or sewage by heating
- C02F1/04—Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation
- C02F1/043—Details
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
本发明公开了一种光热薄膜及其制备方法与应用，所述光热薄膜包括生物质碳膜和亲水膜，所述生物质碳膜设置在亲水膜的表面；所述生物质碳膜中，碳的原子百分数为66～82％，氧的原子百分数为16～31％，其余为氮。所述制法包括以下步骤：对生物质进行碳化得到具有宽光谱吸收的生物质碳材料；将生物质碳材料转移至亲水膜表面，形成生物质碳膜。本发明还公开了一种光热薄膜在在水处理中的应用。本发明采用的制备方法简单，容易大量制备，且在制备过程中对制备设备的要求低，可控性强，重复性好；生物质具有分布范围广、廉价易得等优点，成本低；使用自组装发方法得到液态薄膜，可使碳化生物质均匀分布，并且容易实现大尺寸薄膜的制备。
Description
技术领域
本发明涉及光热薄膜领域，具体为一种光热薄膜及其制备方法与应用。
背景技术
随着人口的增加和环境的恶化，淡水资源越来越短缺。高效获取淡水的方法，主要集中在两个方面：一是海水淡化；二是工业废水处理。目前主要海水淡化的方法有：反渗透(SWRO)、多级闪蒸(MSF)、多效蒸发(MED)和压汽蒸馏(VC)等。其中，反渗透海水淡化出水水质不高，并且要求严格的预处理工艺，而其他的海水淡化技术要求较高的电力资源的消耗，占用大片土地、成本高。而目前主要的工业废水处理技术有：物理法(吸附法、膜分离法、磁分离法)；化学法(电化学、光化学与光催化氧化法、Fenton及类Fenton氧化法等)；生物法(厌氧法、好氧法、厌氧-好氧联合法)等。其中物理法再生性差，费用较高；化学法需要电力资源或者大量化学试剂的消耗，具有能耗高，花费大，且有可能造成二次污染的缺点；而生物法对处理对象的选择性较高，对可生物性差的对象一般很难去除，处理时间长，效果不稳定，抗冲击能力差等。
太阳能作为丰富的自然资源，取之不尽用之不竭，有非常宽的光谱，不消耗石油、天然气、煤炭等常规能源，对能源紧缺、环保要求高的全世界都有很大应用价值。利用光热效应将太阳能转换为热能驱动界面水蒸发已成为一种较为高效的水处理方式，与目前市面上传统的水处理方式相比，具有低成本、绿色清洁、便携等优点。到目前为止，三种主要类型的光热材料已用于太阳能驱动水蒸发：等离子体金属、半导体和碳基材料。但是，由于上述纳米材料制作工艺复杂、成本高，使得大尺寸光热薄膜制备成为挑战，并且大多数光热薄膜还存在着在复杂环境下很难维持其使用寿命的缺点，因此难以商用。
对于上述各种水处理技术、传统光热材料存在的瓶颈及不足，如何提高基于光热材料的水蒸发效率，制备廉价、可扩展、可重复利用的光热薄膜已成为研究的热点课题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种成本低廉、稳定性好、透气性好、能够重复使用的光热薄膜，本发明的另一目的是提供一种简单方便、可控性好、环境友好的光热薄膜的制备方法，本发明的再一目的是提供一种光热薄膜在在水处理中的应用。
技术方案：本发明所述一种光热薄膜，包括生物质碳膜和亲水膜，生物质碳膜设置在亲水膜的表面；生物质碳膜中，碳的原子百分数为66～82％，氧的原子百分数为16～31％，其余为氮。
其中，亲水膜的水接触角小于45度，具有毛细现象。亲水膜优选为打印纸(由植物纤维、填料、胶料、色料等组成)、纤维素膜、聚四氟乙烯膜和乙酸膜中的任意一种。
上述光热薄膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，对生物质进行碳化得到具有宽光谱吸收的生物质碳材料，碳化方法包括高温热解和浓酸脱水；
步骤二，将生物质碳材料转移至亲水膜表面，形成生物质碳膜，转移包括界面辅助转移和真空抽滤，形成生物质碳膜时优选真空抽滤。
步骤一的高温热解包括以下步骤：
(1)将生物质剪成小块，用自来水冲洗，自然晾干；
(2)接着将上述生物质装入陶瓷罐，盖上盖子，在管式炉中加热到400～800℃，真空或保护气体环境下保温2～3h，得到生物质碳材料。
其中，生物质为丝瓜络、海带或树叶。保护气体为氮气或氩气。
步骤一的浓酸脱水包括以下步骤：
(1)将生物质剪成小块，用自来水冲洗，自然晾干；
(2)接着将上述生物质与浓酸按质量比1:15～20混合，室温下搅拌2～10h后，按0.032～0.088mL/s的速度滴加水洗涤溶液至中性，离心取沉淀，干燥后得到生物质碳材料。
步骤二的界面辅助转移包括以下步骤：
(1)将步骤一所得生物质碳材料研磨后，在无水乙醇溶液中超声分散3～8h，得到浓度为2.9～4mg/ml的生物质碳的乙醇悬浮液；
(2)利用固定体积注射法将生物质碳的乙醇悬浮液分散于水面，形成自组装的生物质碳膜；
(3)将亲水性膜置于自组装的生物质碳膜的表面，待亲水膜完全浸湿后缓慢掀起脱离水面，室温下干燥，得到光热薄膜。
重复(2)和(3)，能够制备具有不同生物质碳膜层数的光热薄膜。亲水膜单位面积上生物质碳的质量，并不是越大越好，生物质碳沉积的太多，阻碍水蒸发通道，使得水蒸发效率下降；生物质碳沉积的太少，光吸收低，使得水蒸发效率降低。
步骤二的真空抽滤包括以下步骤：
(1)将步骤一所得生物质碳材料研磨后，在聚乙烯醇水溶液中超声分散3～8h，得到浓度为10～15mg/ml的生物质碳的分散液；
(2)将所得分散液进行真空抽滤，使得生物质碳膜均匀的沉积在亲水膜上，室温干燥后形成光热薄膜；
(3)对光热薄膜进行表面氧等离子处理2～10分钟，功率为30～45W，得到均匀地生物质碳光热薄膜，得到均匀地生物质碳光热薄膜。
上述光热薄膜在在水处理中的应用，滤纸将储水池中的水输送至光热薄膜表面，当太阳等宽光谱光源照射在光热薄膜上时，该光热薄膜吸收光源释放出的光能并转换为热能。利用转换得到的热能加热由滤纸输送上来的界面水，产生蒸汽，产生的蒸汽经过冷凝流入集水池，最终达到获取纯水的目的。
工作原理：利用简单的高温热解机理或酸脱水方法对生物质进行碳化，得到具有宽光谱吸收的生物质碳材料。通过简单的界面辅助转移，可将在空气/水界面上自组装的液态生物质碳膜转移到亲水膜表面，形成稳定的柔性光热薄膜；或通过真空抽滤的方式将生物质碳沉积于亲水膜表面，利用聚乙烯醇改性，得到亲水性的、稳定性高的光热薄膜。对光热薄膜进行表面氧等离子处理，进一步提高其亲水性。该光热层具有良好的光热效应，能够将光能转换为热能，加热界面水，产生蒸汽，可广泛用于海水淡化以及工业废水处理。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
1、采用的制备方法简单，容易大量制备，且在制备过程对制备设备的要求低，可控性强，重复性好；
2、生物质具有分布范围广、廉价易得等优点，用它制备出的光热薄膜成本低，并且随着制备规模的扩大，成本还可进一步降低；
3、使用自组装发方法得到液态薄膜，可使碳化生物质均匀分布，并且容易实现大尺寸薄膜的制备；
4、使用浓酸脱水的方法制备碳化生物质材料，无温室气体排放，绿色环保；
5、制备的光热薄膜为超亲水的，且为柔性可弯曲的，结构稳定，可以多次重复使用，可以抵抗水流的冲洗，透气性好，有利于水蒸气的产生与收集；
6、所制备的光热薄膜在水处理上更加节约资源，对环境更加友好，能够适用于多种复杂环境。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明实施例1-3制得的生物质碳材料的XPS图；
图3是本发明实施例4所制得的光热薄膜在紫外-可见-近红外(200～1300nm)的吸收谱图；
图4是本发明实施例1-3所制得的生物质碳材料的XPS图；
图5是本发明实施例8所制得的光热薄膜在紫外-可见-近红外(200～1300nm)的吸收谱图；
图6是本发明对比例2所制得的光热薄膜在紫外-可见-近红外(200～1300nm)的吸收谱图；
图7是本发明对比例3所制得的光热薄膜在紫外-可见-近红外(200～1300nm)的吸收谱图；
图8是本发明的光热薄膜的应用状态图；
图9是本发明剪裁后滤纸的第一种结构示意图；
图10是本发明剪裁后滤纸的第二种结构示意图。
具体实施方式
以说明书附图所示的方向为上、下、左、右。以下各实施例中，所使用的装置、原料均为现有。等离子清洗机的型号为HARRICK PLASMA PDC-002。亲水膜2的水接触角小于45度，具有毛细现象的材料都可以使用。打印纸为常用的A4打印纸，由植物纤维、填料、胶料、色料等组成。树叶是普通的梧桐树落叶。
实施例1
一种光热薄膜3的制备方法，包括以下步骤：
(1)生物质为丝瓜络，将生物质剪成2cm×2cm的小块，用自来水冲洗3次，自然晾干后装入陶瓷罐，盖上盖子，在管式炉中加热到400℃，真空环境下保温2h，得到生物质碳材料；
(2)将生物质碳研磨后取0.2g分散于60ml无水乙醇溶液中，超声处理3h后，形成浓度为2.9mg/ml的稳定的悬浮液，通过固定体积注射法，吸取60ml的悬浮液匀速的滴于装有水的长34cm、宽22cm的长方体容器的水表面；亲水膜2为乙酸膜，将亲水膜2置于自组装形成的生物质碳膜1的表面，等待亲水膜2完全浸湿后移出水面，室温下干燥，得到光热薄膜3，如图1。
重复步骤(2)的操作，可以制得具有不同层数生物质碳膜1的光热薄膜3。
实施例2
一种光热薄膜3的制备方法，包括以下步骤：
(1)生物质为海带，将生物质剪成2cm×2cm的小块，用自来水冲洗3次，自然晾干后装入陶瓷罐，盖上盖子，在管式炉中加热到800℃，氮气环境下保温3h，得到生物质碳材料；
(2)将生物质碳研磨后取0.2g分散于60ml无水乙醇溶液中，超声处理8h后，形成浓度为4mg/ml的稳定的悬浮液，通过固定体积注射法，吸取60ml的悬浮液匀速的滴于装有水的长34cm、宽22cm的长方体容器的水表面；亲水膜2为纤维素膜，将亲水膜2置于自组装形成的生物质碳膜1的表面，等待亲水膜2完全浸湿后移出水面，室温下干燥。
实施例3
一种光热薄膜3的制备方法，包括以下步骤：
(1)生物质为树叶，将生物质剪成2cm×2cm的小块，用自来水冲洗3次，自然晾干后装入陶瓷罐，盖上盖子，在管式炉中加热到500℃，氩气环境下保温2.5h，得到生物质碳材料；
(2)将生物质碳研磨后取0.2g分散于60ml无水乙醇溶液中，超声处理5.5h后，形成浓度为3.5mg/ml的稳定的悬浮液，通过固定体积注射法，吸取60ml的悬浮液匀速的滴于装有水的长34cm、宽22cm的长方体容器的水表面；亲水膜2为聚四氟乙烯膜，将亲水膜2置于自组装形成的生物质碳膜1的表面，等待亲水膜2完全浸湿后移出水面，室温下干燥。
将实施例1-3步骤(1)所制得的生物质碳材料进行X射线光电子能谱测试(XPS)，结果如图2所示，可以看出：实施例1所制得的生物质碳材料，C的原子百分数为81.77％，N的原子百分数为1.43％，O的原子百分数为16.8％；实施例2所制得的生物质碳材料，C的原子百分数为81.66％，N的原子百分数为1.71％，O的原子百分数为16.63％；实施例3所制得的生物质碳材料，C的原子百分数为78.16％，N的原子百分数为2.04％，O的原子百分数为19.79％。
实施例4
一种光热薄膜3的制备方法，包括以下步骤：
(1)生物质为丝瓜络，将生物质剪成2cm×2cm的小块，用自来水冲洗3次，自然晾干后装入陶瓷罐，盖上盖子，在管式炉中加热到600℃，真空环境下保温2h，得到生物质碳材料；
(2)将生物质碳研磨后取0.2g分散于60ml无水乙醇溶液中，超声处理5h后，形成浓度为3mg/ml的稳定的悬浮液，通过固定体积注射法，吸取60ml的悬浮液匀速的滴于装有水的长34cm、宽22cm的长方体容器的水表面；亲水膜2为A4打印纸，将亲水膜2置于自组装形成的生物质碳膜1的表面，等待亲水膜2完全浸湿后移出水面，室温下干燥；
(3)重复步骤(2)的操作，制得具有4层生物质碳膜1的光热薄膜3。
测试本实施例所制得的光热薄膜3在紫外-可见-近红外(200～1300nm)吸收谱图，如图3所示，可以看出，在200～1300nm波长范围，覆盖四层碳化丝瓜络的光热薄膜3吸光率大于95％。
将所制备的光热薄膜3进行结构稳定性测试，卷曲或翻折该光热薄膜3共2000次，发现光热薄膜3质量没有明显变化，证明生物质碳颗粒无明显脱落。
测试所制备的光热薄膜3在一个太阳强度下的表面温度变化：取制得的光热薄膜3，利用北京纽比特科技有限公司solar500氙灯4光源来模拟太阳光，保持一个标准太阳强度。用热电偶温度计测出光热薄膜3表面温度(精度0.01℃)。通过光热薄膜3的表面温度可以比较光热薄膜3的光能向热能转换的能力强弱。对于覆盖四层碳化丝瓜络的光热薄膜3，在一个标准太阳强度光照下，在5分钟时间内，温度迅速升高到70℃以上。
对比例1
一种光热薄膜3的制备方法，包括以下步骤：
(1)将丝瓜络剪成2cm×2cm的小块，用自来水冲洗3次，自然晾干后装入陶瓷罐，盖上盖子，在管式炉中加热到600℃，真空保持2h；
(2)将碳化丝瓜络研磨后取0.2g分散于60ml无水乙醇溶液中超声处理5h后形成稳定的悬浮液，吸取60ml的悬浮液滴涂在A4纸表面，室温下干燥；
(3)重复步骤(2)，制备具有4层生物质碳膜1的光热薄膜3。
对比实施例4和对比例1，即界面转移策略与滴涂法之间的比较，可以看出界面自组装转移策略是实现均匀、稳定的大尺寸光热薄膜3的关键。利用界面转移策略能够实现均匀、稳定的大尺寸制备；简单的滴涂会出现咖啡环现象，导致生物质碳分布不均匀。
实施例5
一种光热薄膜3的制备方法，包括以下步骤：
(1)生物质为丝瓜络，将生物质剪成2cm×2cm的小块，用自来水冲洗3次，自然晾干后，与浓酸按质量比1:16混合，室温下搅拌2h后，按0.032mL/s的速度滴加水，洗涤溶液至中性，离心取沉淀，干燥后得到生物质碳材料；
(2)将生物质碳研磨后取0.1g在10mL、质量百分数为1wt％的聚乙烯醇(PVA)水溶液中超声分散3h，得到稳定的浓度为10mg/ml的生物质碳的分散液；通过真空抽滤法，使得生物质碳膜1均匀的沉积在亲水膜2上，亲水膜2为A4打印纸，室温干燥后形成光热薄膜3；
(3)对光热薄膜3进行表面氧等离子处理4分钟，功率为30W。
实施例6
一种光热薄膜3的制备方法，包括以下步骤：
(1)生物质为海带，将生物质剪成2cm×2cm的小块，用自来水冲洗3次，自然晾干后，与浓酸按质量比1:20混合，室温下搅拌10h后，按0.088mL/s的速度滴加水，洗涤溶液至中性，离心取沉淀，干燥后得到生物质碳材料；
(2)将生物质碳研磨后取0.1g在10mL、质量百分数为1wt％的聚乙烯醇水溶液中超声分散8h，得到稳定的浓度为15mg/ml的生物质碳的分散液；通过真空抽滤法，使得生物质碳膜1均匀的沉积在亲水膜2上，亲水膜2为乙酸膜，室温干燥后形成光热薄膜3；
(3)对光热薄膜3进行表面氧等离子处理10分钟，功率为45W。
实施例7
一种光热薄膜3的制备方法，包括以下步骤：
(1)生物质为树叶，将生物质剪成2cm×2cm的小块，用自来水冲洗3次，自然晾干后，与浓酸按质量比1:18混合，室温下搅拌4h后，按0.06mL/s的速度滴加水，洗涤溶液至中性，离心取沉淀，干燥后得到生物质碳材料；
(2)将生物质碳研磨后取0.1g在10mL、质量百分数为1wt％的聚乙烯醇水溶液中超声分散5.5h，得到稳定的浓度为13mg/ml的生物质碳的分散液；通过真空抽滤法，使得生物质碳膜1均匀的沉积在亲水膜2上，亲水膜2为聚四氟乙烯膜，室温干燥后形成光热薄膜3；
(3)对光热薄膜3进行表面氧等离子处理6分钟，功率为38W。
将实施例5-7步骤(1)所制得的生物质碳材料进行X射线光电子能谱测试(XPS)，结果如图2所示，可以看出：实施例5所制得的生物质碳材料，C的原子百分数为67.93％，N的原子百分数为2.54％，O的原子百分数为29.53％；实施例6所制得的生物质碳材料，C的原子百分数为66.85％，N的原子百分数为2.3％，O的原子百分数为30.85％；实施例7所制得的生物质碳材料，C的原子百分数为70.4％，N的原子百分数为2.16％，O的原子百分数为27.44％。
实施例8
一种光热薄膜3的制备方法，包括以下步骤：
(1)生物质为树叶，将生物质剪成2cm×2cm的小块，用自来水冲洗3次，自然晾干后，与浓酸按质量比1:15混合，室温下搅拌6h后，按0.05mL/s的速度滴加水，洗涤溶液至中性，离心取沉淀，干燥后得到生物质碳材料；
(2)将生物质碳研磨后取0.1g在10mL、质量百分数为1wt％的聚乙烯醇水溶液中超声分散5h，得到稳定的浓度为12mg/ml的生物质碳的分散液；通过真空抽滤法，使得生物质碳膜1均匀的沉积在亲水膜2上，亲水膜2为纤维素膜，室温干燥后形成光热薄膜3；
(3)对光热薄膜3进行表面氧等离子处理2分钟，功率为35W。
对本实施例所制备的光热薄膜3进行在紫外-可见-近红外(200～1300nm)吸收谱图的测试。测试结果如图5，可以看出在200～1300nm波长范围，该光热薄膜3吸光率大于95％。
对本实施例所制备的光热薄膜3的结构稳定性进行测试，卷曲或翻折该光热薄膜3共2000次，发现光热薄膜3质量没有明显变化，证明生物质碳颗粒没有从薄膜脱落。
对本实施例所制备的光热薄膜3测试其接触角，研究其浸润性，发现接触角为49°，证明其亲水性。
测试本实施例所制备的光热薄膜3在一个太阳强度下的表面温度变化：利用北京纽比特科技有限公司solar500氙灯4光源来模拟太阳光，保持一个标准太阳强度。用热电偶温度计测出光热薄膜3表面温度(精度0.01℃)。通过光热薄膜3的表面温度可以比较光热薄膜3的光能向热能转换的能力强弱。在一个标准太阳强度光照下，在5分钟时间内，温度迅速升高到70℃以上。
对比例2
省略实施例8中使用氧等离子处理的步骤(3)，制得用于对比的光热薄膜3。具体包括以下步骤：
(1)生物质为树叶，将生物质剪成2cm×2cm的小块，用自来水冲洗3次，自然晾干后，与浓酸按质量比1:15混合，室温下搅拌6h后，按0.05mL/s的速度滴加水，洗涤溶液至中性，离心取沉淀，干燥后得到生物质碳材料；
(2)将生物质碳研磨后取0.1g在10mL、质量百分数为1wt％的聚乙烯醇水溶液中超声分散5h，得到稳定的浓度为12mg/ml的生物质碳的分散液；通过真空抽滤法，使得生物质碳膜1均匀的沉积在亲水膜2上，亲水膜2为纤维素膜，室温干燥后形成光热薄膜3。
测试对比例2所制备的光热薄膜3测试在紫外-可见-近红外(200～1300nm)吸收谱图测试结果如图6所示，可以看出，在200～1300nm波长范围，该光热薄膜3吸光率大于95％。
将对比例2所制备的光热薄膜3的结构稳定性进行测试，卷曲或翻折该光热薄膜3共2000次，发现光热薄膜3质量没有明显变化，证明生物质碳颗粒没有从薄膜脱落。
将对比例2所制备的光热薄膜3进行接触角测试，研究其浸润性，发现接触角为77°，证明其较差的亲水性。
将对比例2所制备的光热薄膜3测试在一个太阳强度下的表面温度变化：利用北京纽比特科技有限公司solar500氙灯4光源来模拟太阳光，保持一个标准太阳强度。用热电偶温度计测出光热薄膜3表面温度(精度0.01℃)。通过光热薄膜3的表面温度可以比较光热薄膜3的光能向热能转换的能力强弱。在一个标准太阳强度光照下，在5分钟时间内，温度迅速升高到78℃以上。
对比实施例8和对比例2，说明表面氧等离子体处理是提高光热薄膜3亲水性的关键。
对比例3
替换实施例8中的PVA为水，省略使用其氧等离子处理的步骤(3)，制得用于对比的光热薄膜3。具体包括以下步骤：
(1)生物质为树叶，将生物质剪成2cm×2cm的小块，用自来水冲洗3次，自然晾干后，与浓酸按质量比1:15混合，室温下搅拌6h后，按0.05mL/s的速度滴加水，洗涤溶液至中性，离心取沉淀，干燥后得到生物质碳材料；
(2)将生物质碳研磨后取0.1g在10mL水溶液中超声分散5h，得到稳定的浓度为12mg/ml的生物质碳的分散液；通过真空抽滤法，使得生物质碳膜1均匀的沉积在亲水膜2上，亲水膜2为纤维素膜，室温干燥后形成光热薄膜3。
将所制备的光热薄膜3测试在紫外-可见-近红外(200～1300nm)吸收谱图，测试结果如图7，在200～1300nm波长范围，该光热薄膜3吸光率大于95％。对所制备的光热薄膜3的结构稳定性进行测试，卷曲或翻折该光热薄膜3共2000次，发现光热薄膜3质量明显减小，说明生物质碳颗粒大量从薄膜脱落。
将所制备的光热薄膜3测试在一个太阳强度下的表面温度变化：利用北京纽比特科技有限公司solar500氙灯4光源来模拟太阳光，保持一个标准太阳强度，用热电偶温度计测出光热薄膜3表面温度(精度0.01℃)，通过光热薄膜3的表面温度可以比较光热薄膜3的光能向热能转换的能力强弱。在一个标准太阳强度光照下，在5分钟时间内，温度迅速升高到72℃左右。
对比对比例2和对比例3，说明PVA的加入是提高光热薄膜3结构稳定性的关键。
实施例9
如图8，将实施例4、实施例8、对比例3所制得的光热薄膜3置于滤纸6上表面。滤纸6经过特定剪裁，得到6只分支的水输运通道，如图9所示，并粘附在隔热泡沫5上，将边缘的分支折叠90度，插入水中。隔热泡沫5漂浮于烧杯7内的水面上，氙灯4置于光热薄膜3的正上方，烧杯7置于电子秤8上。
滤纸6将烧杯7内的水传输到光热薄膜3的表面，当氙灯4照射在光热薄膜3上时，光热薄膜3吸收氙灯4释放出的光能，然后将光能转换为热能。利用转换得到的热能加热水产生蒸汽，电子秤8用来实时测量烧杯7内剩余水的质量。秒表用来计时，每隔5min记录一次上述电子秤8所示数据，连续记录3h。隔热泡沫5用于减少热能的损失。
在一个标准太阳光照下，实施例4所制得的光热薄膜3的水蒸发速率为1.53kg m- 2h-1，实施例8所制得的光热薄膜3的水蒸发速率为1.355kg m-2h-1，对比例3所制得的光热薄膜3的水蒸发速率为1.270kg m-2h-1。
实施例10
将实施例4所制得的光热薄膜3置于滤纸6上表面，滤纸6经过特定剪裁，分别得到2、4、8只分支的水输运通道，如图10中的(a)、(b)、(c)所示，其余操作同实施例9。在一个标准太阳光照下，2支水输运通道的光热薄膜3的水蒸发速率为1.223kg m-2h-1，4支水输运通道的光热薄膜3的水蒸发速率为1.250kg m-2h-1，8只分支的水输运通道的光热薄膜3的水蒸发速率为1.234kg m-2h-1。
对比实施例9和实施例10，说明合适的水传输速率是提高水蒸发速率的关键。
Claims (10)
1.一种光热薄膜，其特征在于：包括生物质碳膜(1)和亲水膜(2)，所述生物质碳膜(1)设置在亲水膜(2)的表面；所述生物质碳膜(1)中，碳的原子百分数为66～82％，氧的原子百分数为16～31％，其余为氮。
2.根据权利要求1所述的一种光热薄膜，其特征在于：所述亲水膜(2)的水接触角小于45度，具有毛细现象。
3.根据权利要求1所述的一种光热薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，对生物质进行碳化得到具有宽光谱吸收的生物质碳材料；
步骤二，将生物质碳材料转移至亲水膜(2)表面，形成生物质碳膜(1)。
4.根据权利要求3所述的一种光热薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，碳化方法包括高温热解和浓酸脱水。
5.根据权利要求4所述的一种光热薄膜的制备方法，其特征在于：所述高温热解包括以下步骤，将生物质剪成小块，用自来水冲洗，自然晾干；接着将上述生物质装入陶瓷罐，盖上盖子，在管式炉中加热到400～800℃，真空或保护气体环境下保温2～3h，得到生物质碳材料。
6.根据权利要求4所述的一种光热薄膜的制备方法，其特征在于：所述浓酸脱水包括以下步骤，将生物质剪成小块，用自来水冲洗，自然晾干；接着将上述生物质与浓酸按质量比1:15～20混合，室温下搅拌2～10h后，按0.032～0.088mL/s的速度滴加水洗涤溶液至中性，离心取沉淀，干燥后得到生物质碳材料。
7.根据权利要求3所述的一种光热薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，转移包括界面辅助转移和真空抽滤。
8.根据权利要求7所述的一种光热薄膜的制备方法，其特征在于，所述界面辅助转移包括以下步骤：
(1)将步骤一所得生物质碳材料研磨后，在无水乙醇溶液中超声分散3～8h，得到浓度为2.9～4mg/ml的生物质碳的乙醇悬浮液；
(2)将生物质碳的乙醇悬浮液分散于水面，形成自组装的生物质碳膜(1)；
(3)将亲水性膜置于所述自组装的生物质碳膜(1)的表面，待亲水膜(2)完全浸湿后缓慢掀起脱离水面，室温下干燥，得到光热薄膜(3)。
9.根据权利要求7所述的一种光热薄膜的制备方法，其特征在于，所述真空抽滤包括以下步骤：将步骤一所得生物质碳材料研磨后，在聚乙烯醇水溶液中超声分散3～8h，得到浓度为10～15mg/ml的生物质碳的分散液，将所得分散液进行真空抽滤，使得生物质碳膜(1)均匀的沉积在亲水膜(2)上，室温干燥后形成光热薄膜(3)；对光热薄膜(3)进行表面氧等离子处理2～10分钟，功率为30～45W，得到均匀地生物质碳光热薄膜(3)。
10.根据权利要求1所述的一种光热薄膜在在水处理中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010939579.3A CN112250126A (zh) | 2020-09-09 | 2020-09-09 | 一种光热薄膜及其制备方法与应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010939579.3A CN112250126A (zh) | 2020-09-09 | 2020-09-09 | 一种光热薄膜及其制备方法与应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112250126A true CN112250126A (zh) | 2021-01-22 |
Family
ID=74232256
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010939579.3A Pending CN112250126A (zh) | 2020-09-09 | 2020-09-09 | 一种光热薄膜及其制备方法与应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112250126A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113005765A (zh) * | 2021-04-07 | 2021-06-22 | 吉林大学 | 一种亲水-疏水“两面神”结构复合光热转化材料、制备方法及其应用 |
| CN113181778A (zh) * | 2021-05-19 | 2021-07-30 | 湖北工业大学 | 基于茶的光热海水淡化膜的制备方法以及光热海水淡化膜 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2009081592A1 (ja) * | 2007-12-26 | 2011-05-06 | 国立大学法人九州大学 | カーボンナノチューブ混合ポリマーゲル |
| CN109395590A (zh) * | 2018-09-18 | 2019-03-01 | 南方科技大学 | 一种pvdf抗菌膜的制备方法 |
| CN110182854A (zh) * | 2019-06-10 | 2019-08-30 | 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 | 一种类海胆状氧化钴光热转化薄膜及其制备方法和应用 |
| CN110255523A (zh) * | 2018-03-12 | 2019-09-20 | 天津大学 | 一种碳基光热转化薄膜的制备方法 |
| CN110336488A (zh) * | 2019-06-14 | 2019-10-15 | 南京师范大学 | 一种基于宽光谱光源的光热蒸汽发电系统 |
| US20200041169A1 (en) * | 2018-08-02 | 2020-02-06 | Uchicago Argonne, Llc | Systems and methods for photothermal material |
| AU2019302814A1 (en) * | 2018-07-13 | 2021-01-14 | The Industry & Academic Cooperation In Chungnam National University (Iac) | Device for simultaneously producing water vapor and electricity |
-
2020
- 2020-09-09 CN CN202010939579.3A patent/CN112250126A/zh active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2009081592A1 (ja) * | 2007-12-26 | 2011-05-06 | 国立大学法人九州大学 | カーボンナノチューブ混合ポリマーゲル |
| CN110255523A (zh) * | 2018-03-12 | 2019-09-20 | 天津大学 | 一种碳基光热转化薄膜的制备方法 |
| AU2019302814A1 (en) * | 2018-07-13 | 2021-01-14 | The Industry & Academic Cooperation In Chungnam National University (Iac) | Device for simultaneously producing water vapor and electricity |
| US20200041169A1 (en) * | 2018-08-02 | 2020-02-06 | Uchicago Argonne, Llc | Systems and methods for photothermal material |
| CN109395590A (zh) * | 2018-09-18 | 2019-03-01 | 南方科技大学 | 一种pvdf抗菌膜的制备方法 |
| CN110182854A (zh) * | 2019-06-10 | 2019-08-30 | 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 | 一种类海胆状氧化钴光热转化薄膜及其制备方法和应用 |
| CN110336488A (zh) * | 2019-06-14 | 2019-10-15 | 南京师范大学 | 一种基于宽光谱光源的光热蒸汽发电系统 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| 《中学化学实验指南》编写组 编: "《中学化学实验指南 上册》", 31 July 1989, 上海科技教育出版社 * |
| XIAOLI SHAN等: "Low-Cost,Scalable, and Reusable Photothermal Layers for Highly Efficient Solar SteamGeneration and Versatile Energy Conversion", 《ADVANCED SUSTAINABLE SYSTEMS》 * |
| 中国材料研究学会组织编写: "《中国战略性新兴产业—新材料 高性能分离膜材料》", 31 December 2017, 中国铁道出版社 * |
| 胡桢 等主编: "《新型高分子合成与制备工艺》", 31 May 2014, 哈尔滨工业大学出版社 * |
| 辛智青，胡堃 主编: "《印刷制造原理与技术》", 31 July 2019, 文化发展出版社 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113005765A (zh) * | 2021-04-07 | 2021-06-22 | 吉林大学 | 一种亲水-疏水“两面神”结构复合光热转化材料、制备方法及其应用 |
| CN113181778A (zh) * | 2021-05-19 | 2021-07-30 | 湖北工业大学 | 基于茶的光热海水淡化膜的制备方法以及光热海水淡化膜 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110105917B (zh) | 一种光热复合材料及其制备方法与应用 | |
| CN107879405B (zh) | 一种太阳能水蒸发纯化和分解装置 | |
| CN106809897B (zh) | 用于海水淡化及净水处理的石墨烯光热转化材料制备方法 | |
| CN107311255B (zh) | 一种基于碳纳米管薄膜的太阳能海水淡化或污水处理方法 | |
| CN107487801B (zh) | 一种实现高效光热蒸汽转换的多孔木炭片的制备方法 | |
| CN107606593A (zh) | 一种基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置 | |
| CN112250126A (zh) | 一种光热薄膜及其制备方法与应用 | |
| CN113307321A (zh) | 太阳能界面蒸发器及其应用 | |
| CN110358143A (zh) | 一种碳基吸收材料、制备方法及其应用 | |
| CN111892742A (zh) | 一种光热转化高分子太阳能吸收材料及其制备方法和应用 | |
| CN110255526A (zh) | 一种生物质炭太阳能水蒸发材料及其制备方法 | |
| CN109292869A (zh) | 基于气液界面加热的太阳能海水淡化装置及应用 | |
| CN112978834A (zh) | 一种水面漂浮式冷凝器太阳能海水淡化装置 | |
| CN108715471A (zh) | 一种基于铜纳米颗粒光热效应的海水淡化方法 | |
| CN108314118A (zh) | 一种海水净化与淡化处理装置与应用 | |
| CN114525115A (zh) | 一种蒲草基光热界面蒸发材料及其制备方法和应用 | |
| Zhang et al. | Nanoplating of a SnO 2 thin-film on MXene-based sponge for stable and efficient solar energy conversion | |
| CN107158968A (zh) | 一种用于光蒸发水的含半导体硫属化合物复合半透膜、其制备方法及用途 | |
| Zhao et al. | A portable high-performance self-insulated solar evaporator based on wooden sponge for seawater desalination and wastewater purification | |
| CN112093790B (zh) | 一种实现高效光热转换的多孔碳化甘蔗的制备方法及其应用 | |
| CN113233532B (zh) | 一种基于太阳能界面蒸发的低成本光热材料及其制备方法 | |
| CN110437496B (zh) | 一种用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料及其制备方法和应用 | |
| CN113896834A (zh) | 一种复合水凝胶光热转换材料的制备方法及其应用 | |
| CN113803892A (zh) | 一种碳包覆高硅氧玻璃纤维光热转换材料及其制备方法、蒸汽生成器与应用 | |
| Sun et al. | A high-efficiency solar desalination biomass material prepared by DBD plasma |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210122 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |