CN112852147A - 一种高转化效率光吸收器薄膜及其制备方法和包括该薄膜的海水淡化器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高转化效率光吸收器薄膜及其制备方法和包括该薄膜的海水淡化器。光吸收器薄膜，以芳香族聚酰胺纳米纤维为框架结构，掺杂具有太阳能吸收效果的配比物质制备而成。本发明光吸收器薄膜选择芳香族聚酰胺为原料，并制备出芳香族聚酰胺纳米纤维作为具有高机械强度的框架结构，因其优异的机械强度(抗拉、抗弯曲等性能高)，从而使得太阳光光吸收器拥有良好的柔韧性，并有利于在可穿戴和非平面光热器件中得到广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于界面蒸发、海水淡化及复合材料技术领域，特别涉及一种高转化效率光吸收器薄膜及其制备方法和包括该薄膜的海水淡化器。
背景技术
现如今，缺水已经成为人类社会所面临的重大挑战之一。随着人口的增加，环境的不断恶化，淡水的稀缺性争辩的日益严重。地球上的水体主要包括海洋水，陆地水，和大气水这三种类型，其中海洋水占全球水储量的96％，地球上的淡水占总水量的2.5％，其中包含70％的固态水，29.2％的地下水，而真正能被人类方便使用的淡水仅占总水量0.26％。因此如何获取更多的淡水成为一个新的富有挑战的课题。
目前全球海水淡化技术超过20余种，包括反渗透法、低多效、多级闪蒸、电渗析法、压汽蒸馏、露点蒸发法、水电联产、热膜联产以及利用核能、太阳能、风能、潮汐能海水淡化技术等等，以及微滤、超滤、纳滤等多项预处理和后处理工艺。目前全球的主流技术主要是低多效蒸馏法，多级闪蒸发和反渗透膜法。一般而言，低多效蒸馏法具有节能海水预处理要求低，淡化水品质高等优点，反渗透膜法具有投资低，能耗低等优点，但是海水预处理要求高，多级闪蒸发具有技术成熟，运行可靠，装置产量大等优点，但能耗偏高。一般认为，低多蒸馏法和反渗透膜法是未来方向。
近年来，界面光蒸汽转换(interfacial solar vapor generation)作为新兴的太阳能利用技术，因其拥有较高的光热-蒸汽转换效率，以及在海水淡化、杀菌、发电、分馏等诸多领域具有很好的应用前景，引起了学界、产业界的广泛关注。
在过去的几年时间里，世界各地的诸多研究小组通过材料结构设计、光学调控、热学管理以及水通道的设计，获得了较好的光蒸发性能。但是目前为止，已报道的关于界面太阳能蒸汽装置多是由金属片，氧化铝模板，或者是碳材料等作为主要材料加工制备而成。这些材料因其本身特有的性质能实现对太阳光到热的高效率转化。但是，由于材料本身的限制，这些器件的柔韧性及可重复使用的性能较差。同时由于加工技术的限制，这些材料很难做到大面积的加工制备，即使有些可以实现大面积加工，但是还进一步面临着成本过高的问题。因此，如何制备一种既有高转化效率又加工工艺简单，加工成本低，可二次使用的柔性界面太阳能蒸汽装置换就具有十分重要的科学意义和实用价值。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种高转化效率光吸收器薄膜及其制备方法和包括该薄膜的海水淡化器。膜材料光热转换效率高，质量轻，具有良好的柔韧性，可拉伸、弯曲、折叠；产品形貌大小可控，使用灵活性高，便于使用，运输，整理收纳。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高转化效率光吸收器薄膜，以芳香族聚酰胺纳米纤维为框架结构，掺杂具有太阳能吸收效果的配比物质制备而成。
进一步的，芳香族聚酰胺纳米纤维的原料为芳香族聚酰胺。
进一步的，配比物质为碳纳米材料、碳化材料或等离激元粒子。
进一步的，配比物质为碳纳米管、石墨烯、生物炭、导电高分子聚合物、金纳米颗粒、铝纳米颗粒、铂纳米颗粒中的一种或两种以上的混合物。
一种高转化效率光吸收器薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)以芳香族聚酰胺纤维为原料，制备纳米芳香族聚酰胺纤维溶液；
(2)制备配比溶液；
(3)将制备的芳香族聚酰胺纳米纤维溶液和配比溶液混合制备混合溶液；
(4)将混合溶液经孵化、定型，制备高转化效率光吸收器薄膜。
进一步的，步骤(1)中纳米芳香族聚酰胺纤维溶液的制备具体包括以下步骤：
(1.1)将芳香族聚酰胺纤维进行干燥以及纤维化预处理得到纤维化芳香族聚酰胺；
(1.2)将纤维化芳香族聚酰胺、氢氧化钾、DMSO按照配比混合均匀，并不断搅拌，待溶液由无色变为紫红色油状溶液后，加入水解剂水解，随后反应得到芳香族聚酰胺纳米纤维溶液。
进一步的，水解剂为磷酸、无水乙醇、水中的一种或两种以上的混合物。
进一步的，步骤(4)中高转化效率光吸收器薄膜的制备具体包括以下步骤：混合溶液通过减压抽滤的方式得到凝胶状的物质，之后加入固化剂，加速凝胶定型，随后通过冷冻干燥得到高转化效率光吸收器薄膜。
一种海水淡化器，包括上述任一所述高转化效率光吸收器薄膜。
本发明的有益效果：
1.本发明光吸收器薄膜选择芳香族聚酰胺为原料，并制备出芳香族聚酰胺纳米纤维作为具有高机械强度的框架结构，因其优异的机械强度(抗拉、抗弯曲等性能高)，从而使得太阳光光吸收器拥有良好的柔韧性，并有利于在可穿戴和非平面光热器件中得到广泛应用。
2.区别于现有技术中采用自上而下的制备方法，本发明光吸收器薄膜将芳香族聚酰胺纳米纤维溶液和太阳光吸收剂纳米颗粒溶液进行混合，制备纳米复合薄膜光吸收器，该方法成本低且易于放大，降低了光吸收器的生产成本。
3.基于芳香族聚酰胺纳米纤维优异的化学/热稳定性，因为本身具有良好的绝热性能，即使在高光吸收和高光热转换作用下薄膜表面温度急剧升高，光吸收器薄膜也不会燃烧或变形，高温下仍然能够保持其物理性能和功能稳定。
4.本发明光吸收器薄膜具有良好的光热转化效率，以及水蒸发效果。该膜材料具有自身漂浮的特殊性更有利于将热量汇集到吸收器表面，不易流失，更大程度的提高光热转化效率。在20度环境温度下，在一个太阳光照强度下，每平米基于该材料制备的太阳能海水淡化装置每小时可以生产1.34Kg水，光热转换效率高达91％。
附图说明
图1是实施例制备的高转化效率光吸收器薄膜。
图2是实施例制备高转化效率光吸收器薄膜的电镜图。
图3是实施例四种不同碳含量高转化效率光吸收器薄膜的拉伸性能测试。
图4是实施例四种不同碳含量高转化效率光吸收器薄膜的水蒸发效率性能测试。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明提供的如下的具体实施方案以及他们之间的所有可能的组合。出于简洁的目的，本申请没有逐一记载实施方案的各种具体组合方式，但应当认为本申请具体记载并公开了所述具体实施方案的所有可能的组合方式。
高转化效率光吸收器薄膜以芳香族聚酰胺纳米纤维为框架结构，掺杂具有太阳能吸收效果的配比物质制备而成。
具体制备方法步骤如下：
S1.制备纳米芳香族聚酰胺纤维溶液：
称取1.5g芳香族聚酰胺，1.5gKOH固体颗粒至于500mL圆底烧瓶中，并向瓶中加入350mL 的N,N-二甲基亚砜。随后将盛有反应物质的烧瓶至于70℃恒定温度下搅拌反应5天，得到均一的紫红色油状溶液时，向圆底烧瓶中加入水解剂。本实施例水解剂采用2毫升体积比为1：1 的磷酸和水的混合溶液。恒温下，继续水解反应48h，得到制备纳米芳香族聚酰胺纤维溶液备用。
S2.制备配比溶液：
本实施例中使用配比溶液为生物炭(炭化的玉米秸秆茎髓)溶液。将炭化的玉米秸秆茎髓经高温无氧炭化，随后粉碎，用1500目筛网过滤，将得到的炭粉末添加到水溶液中充分搅拌，随后滤除残渣，收集滤出液备用。
S3.纳米纤维、生物炭材料混合溶液的制备
本实施例中纳米纤维以及生物炭材料混合溶液的制备是利用如上已制备的芳香族聚酰胺纳米纤维溶液和炭化的玉米秸秆茎髓分散液混合制备而成。主要制备方法如下：a.圆底烧瓶中加入200mL超纯水，加热、搅拌至沸腾；b.用一次性滴管取20mL步骤S1中制备的芳香族聚酰胺纳米纤维溶液转移到圆底烧瓶中，不断搅拌升温，直到混合溶液再次沸腾，迅速将一定量(根据需要设置不同的配比，本实施例中的配比为生物炭与芳纶纤维的质量比来决定，在芳纶纤维质量一定的前提下，炭含量分别为0.5％，1.0％，1.5％，2.0％)的S2中制备配比溶液加入到已沸腾的混合溶液中，搅拌，确保混合均匀之。
S4.薄膜材料的制备
本实施例采用减压抽滤的方法制备高强度、柔性界面太阳能海水淡化器薄膜。具体制备方法如下：
组装减压抽滤装置，在抽滤瓶中放入两层抽滤纸，加水湿润，打开电源开关。随后将步骤S3中制备的混合溶液快速转移到漏斗中去，继续抽滤至无液体由布氏漏斗末端流出，继续抽滤2min停止，关闭减压抽滤泵电源开关。随后将得到的凝胶状物质浸没到含有50mg/mL二甲基咪唑的水溶液中，静置12h。随后将凝胶物质取出，用甲醇溶液多次冲洗，将冲洗过后的凝胶浸没到叔丁醇溶液中冷冻12h，将冷冻后的凝胶快转移到冷冻干燥机中，冷冻干燥后即可得到高强度、柔性界面太阳能海水淡化器薄膜，进而组装得到高强度、柔性界面太阳能海水淡化器如图1所示。
实际样品测试
针对本实施例所制备的高强度、柔性界面太阳能海水淡化器薄膜，对其结构性质做进一步表征测试，主要包括：结构表征及性能测试。
首先，通过电镜来观察所制备膜材料的微观结构，看是否具备蒸汽水分流出的窗口。如图2所示，为制备高强度、柔性界面太阳能海水淡化器薄膜微观结构图。有图可以看出该膜表面及内部布满数量很多的为纳米孔，这些空洞给水汽的流通提供了一种可能，同时芳纶纳米纤维的框架式结构可以有效避免因吸水导致孔洞的塌陷，有效保证水汽的流通。
其次，测定不同生物炭含量对膜材料机械性能的影响。本实施例制备了炭含量分别为0.5％， 1.0％，1.5％，2.0％的四种膜材料并测试了她们的拉伸性能。如图3所示在一定范围内炭含量的增加有助于增强材料的耐拉伸性能，拉伸强度最高可以达到13兆帕的拉力，形变量约为14％。
最后，表征了高强度、柔性界面太阳能海水淡化器薄膜在一个太阳光照下的水蒸发速率。如图4所示，我们采用太阳光模拟器作为照射光源，探究了在一个太阳光照射强度下，不同炭含量膜材料海水淡化其的水蒸发速率。实验发现，随着炭含量的增大，高强度、柔性界面太阳能海水淡化器薄膜的水蒸发速率由每平方米每小时0.99Kg不断增大，最高达到1.34Kg。在长达30天同条件的测试条件下，其蒸发速率依然可以维持在1.3Kg左右，就有良好的稳定性。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种高转化效率光吸收器薄膜，其特征在于：以芳香族聚酰胺纳米纤维为框架结构，掺杂具有太阳能吸收效果的配比物质制备而成。
2.根据权利要求1所述的高转化效率光吸收器薄膜，其特征在于：所述芳香族聚酰胺纳米纤维的原料为芳香族聚酰胺。
3.根据权利要求1所述的高转化效率光吸收器薄膜，其特征在于：所述配比物质为碳纳米材料、碳化材料或等离激元粒子。
4.根据权利要求1所述的高转化效率光吸收器薄膜，其特征在于：所述配比物质为碳纳米管、石墨烯、生物炭、导电高分子聚合物、金纳米颗粒、铝纳米颗粒、铂纳米颗粒中的一种或两种以上的混合物。
5.一种根据权利要求1至4任一所述高转化效率光吸收器薄膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)以芳香族聚酰胺纤维为原料，制备纳米芳香族聚酰胺纤维溶液；
(2)制备配比溶液；
(3)将制备的芳香族聚酰胺纳米纤维溶液和配比溶液混合制备混合溶液；
(4)将混合溶液经孵化、定型，制备高转化效率光吸收器薄膜。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中纳米芳香族聚酰胺纤维溶液的制备具体包括以下步骤：
(1.1)将芳香族聚酰胺纤维进行干燥以及纤维化预处理得到纤维化芳香族聚酰胺；
(1.2)将纤维化芳香族聚酰胺、氢氧化钾、DMSO按照配比混合均匀，并不断搅拌，待溶液由无色变为紫红色油状溶液后，加入水解剂水解，随后反应得到芳香族聚酰胺纳米纤维溶液。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述水解剂为磷酸、无水乙醇、水中的一种或两种以上的混合物。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中高转化效率光吸收器薄膜的制备具体包括以下步骤：混合溶液通过减压抽滤的方式得到凝胶状的物质，之后加入固化剂，加速凝胶定型，随后通过冷冻干燥得到高转化效率光吸收器薄膜。
9.一种海水淡化器，其特征在于包括权利要求1至4任一所述高转化效率光吸收器薄膜。
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