CN112960718A - 一种光热复合薄膜材料及仿生浮萍式海水淡化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光热复合薄膜材料及仿生浮萍式海水淡化装置，所设计的海水淡化装置具有自漂浮、亲水性和低热导率等特征，且其顶层的功能复合材料为CoO@CNTF，具有优异的光热转换性能。其特征在于，利用电化学产生的氧气气泡将CNTF撑开；所述薄膜浸入钴盐溶液、有机配体2‑甲基咪唑和表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵的混合溶液中，经水热反应制得MOF前驱体@CNTF；最终经高温碳化处理得到CoO@CNTF。本发明涉及的光热复合薄膜材料具有优异的光热转换、柔性和稳定性等特性，其仿生浮萍式海水淡化装置的设计能有效提高对全光谱太阳光的吸收能力，进而提高海水淡化效率，且适合低成本规模化生产。
Description
技术领域
本发明属于光热转换及太阳能海水淡化领域，具体涉及一种光热复合薄膜材料及仿生浮萍式海水淡化装置。
背景技术
地球上的水资源总量较大，但仅有不到3％的淡水可供人类生产和生活，且大部分淡水存在开采困难和污染严重等问题。目前海水淡化技术是公认的能有效解决淡水危机的方法之一。基于光谱利用技术的光热转换材料可吸收全光谱的太阳光，并将太阳能转换成热能以应用于海水淡化中。除此之外，低热损失、高光热转换、强吸水传输也是实现高效太阳能驱动海水淡化的必要条件。
目前可应用于海水淡化领域的光热转换材料主要有金属纳米材料、有机聚合物、无机半导体和碳材料。其中存在金属纳米材料价格昂贵、有机聚合物稳定性较差、无机半导体制备价格较高且难以规模化制备等问题。因此，制备价格低廉、综合性能优异的具有全光谱吸收能力的光热转换材料仍是目前主要的研究热点之一。
发明内容
本发明的目的是获得一种光热复合薄膜材料及仿生浮萍式海水淡化装置。通过材料自组装得到海水淡化装置，所述的材料具有高光吸收、光热转换、稳定性和海水淡化特性，具有一定的创新性，可适用于光热转换及太阳能海水淡化领域。
为实现以上目的，本发明采用了如下技术方案：
步骤1，将碳纳米管薄膜(CNTF)浸入浓酸溶液(浓硫酸与浓硝酸体积比为1∶1)进行表面预处理，用去离子水冲洗至中性，烘干备用；
步骤2，将酸化好的CNTF固定在正极，铂片为负极，对其进行撑开并负载氧气；
步骤3，将步骤2得到的材料浸入钴盐溶液、二-甲基咪唑和十六烷基三甲基溴化铵的混合溶液中；
步骤4，将步骤3得到的材料进行水热反应，反应结束后冷却至室温，制得MOF前驱体@CNTF；
步骤5，将步骤4得到的MOF前驱体@CNTF置于氩气中碳化，得到CoO@CNTF；
步骤6，裁剪三聚氰胺泡沫和聚苯乙烯泡沫，通过组装得到仿生浮萍结构，将步骤5得到的CoO@CNTF置于三聚氰胺泡沫表面，并放到装满海水或污水的烧杯中；将烧杯置于分析天平上，调节太阳光模拟器AM1.5G的光照强度为0.1～1.0W/cm2，并进行淡化测试；将天平与电脑终端连接，实时监测海水或污水的失重数据。
优选的，步骤1中CNTF在浓酸溶液中的浸泡时间为4～10小时。
优选的，步骤2中所用的电解液是0.1～5mol/L稀硝酸，所用的电压为5～20V，通电时间为10～60s。
优选的，步骤3中钴盐溶液和所述有机配体的溶剂为去离子水，所用钴盐是六水合硝酸钴，钴盐和有机配体的溶剂比例为1∶1～1∶10。
优选的，步骤4中水热反应的温度为60～150℃，反应时间是2～10h。
优选的，步骤5中的碳化温度为400～1000℃，升温速率是2～10℃/min。
优选的，一种仿生浮萍式海水淡化装置，上层为光热功能膜、中间层使用三聚氰胺泡沫作为吸水通道，底部为自漂浮型聚苯乙烯泡沫。
有益效果：
1、本发明获得的一种光热复合薄膜材料及仿生浮萍式海水淡化装置，具有高光热转换、低热损失、强吸水传输等特性；同时具有简单的制备工艺等优点；
2、本发明的所述光热功能材料制备工艺简单，适合大规模低成本制造，可广泛应用。
附图说明
图1 CoO@CNTF的SEM；
图2仿生浮萍式海水淡化装置的示意图，其中①和③为三聚氰胺泡沫，②为聚苯乙烯泡沫；
图3 CoO@CNTF的水蒸发速率与时间的关系图；
图4 CNTF的SEM图片。
具体实施方式
实施例1、将CNTF浸泡在浓酸溶液(浓硫酸∶浓硝酸＝1∶1)中6h以进行表面预处理，随后用去离子水洗至中性烘干；将酸化好的CNTF固定在正极，铂片为负极，对其进行撑开并负载氧气，所用电解液是1mol/L的稀硝酸，电压为12V，通电时间为10s；然后将其浸入钴盐溶液、有机配体二-甲基咪唑的混合溶液中，其中，盐溶液和所述有机配体的溶剂为去离子水，所用钴盐是六水合硝酸钴，钴盐和有机配体的溶剂分别为20mL和140mL；对所得材料进行水热反应，反应温度为90℃，反应时间是6h，并冷却至室温，制得MOF前驱体@CNTF；将其置于氩气中碳化，碳化温度为600℃，升温速率是5℃/min，最终得到的产物为CoO@CNTF。图1是CoO@CNTF的SEM，可观察到有ZIF-67生长到CNTF上，形貌较均匀。裁剪长宽高分别为3*3*1-cm的三聚氰胺泡沫和聚苯乙烯泡沫，通过组装得到仿生浮萍式海水淡化装置(如图2)。
将上述步骤得到的CoO@CNTF置于三聚氰胺泡沫表面，并放到装满蒸馏水的烧杯中；将烧杯置于分析天平上，调节太阳光模拟器AM1.5G的光照强度为100mW/cm2，并进行淡化测试；将天平与电脑终端连接，实时监测失重数据。结果显示，经3600s的光照后，该例中水的蒸发速率为0.68kg·h-1·m-2，约为未放置光热功能材料淡化实验的2.3倍(如图3)。
实施例2、裁剪长宽高分别为3*3*1cm的三聚氰胺泡沫和聚苯乙烯泡沫，通过组装得到仿生浮萍式海水淡化装置，并将CNTF置于三聚氰胺泡沫表面，并放到装满水的烧杯中；将烧杯置于分析天平上，调节太阳光模拟器AM1.5G的光照强度为100mW/cm2，并进行淡化测试；将天平与电脑终端连接，实时监测失重数据。图4是CNTF的SEM，可观察到形貌较均匀的碳纳米管分布。结果显示，经3600s的光照后，该例中水的蒸发速率约为0.55kg·h-1·m-2，对比未放置光热功能材料的淡化实验，约为其1.8倍(如图3)。
实施例3、CoO@CNTF的制备条件和实施例1相同，将CoO@CNTF置于三聚氰胺泡沫表面，并放到装满蒸馏水的烧杯中；将烧杯置于分析天平上，调节太阳光模拟器AM1.5G的光照强度为300mW/cm2，并进行淡化测试；将天平与电脑终端连接，实时监测失重数据。如图3所示，测试结果表明，经3600s的光照后，该例中水的蒸发速率约为1.82kg·h-1·m-2，约为未放置光热功能材料淡化实验的6倍。
Claims (7)
1.一种光热复合薄膜材料及仿生浮萍式海水淡化装置，其特征在于，一种光热复合薄膜材料的制备方法，是将碳纳米管薄膜(CNTF)进行表面预处理，用去离子水洗至中性后，烘干后备用；将酸化好的碳纳米管薄膜采用电化学分解的氧气撑开，然后浸入钴盐溶液、有机配体2-甲基咪唑和表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵混合溶液中；通过水热反应，制得MOF前驱体@CNTF，最后经高温碳化；基于这种光热复合薄膜材料，能够制成一种仿生浮萍式海水淡化装置。
2.根据权利要求1所述的一种光热复合薄膜材料的制备方法，其特征在于，表面预处理是将CNTF浸泡在浓酸混合溶液(浓硫酸与浓硝酸体积比为1∶1)中，浸泡时间为4～10h，然后取出用去离子水冲洗至中性，最后烘干。
3.根据权利要求1所述的一种光热复合薄膜材料的制备方法，其特征在于，将酸化好的CNTF撑开，具体将CNTF固定在正极，铂片为负极，电解液是0.1～5.0mol/L的稀硝酸，电压为5～20V，通电时间为10～60s。
4.根据权利要求1所述的一种光热复合薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述钴盐溶液和有机配体的溶剂为去离子水，钴盐是六水合硝酸钴，钴盐和有机配体的溶剂比例为1∶1～1∶10；所述水热温度为60～150℃，反应时间是2～10h。
5.根据权利要求1所述的一种光热复合薄膜材料的制备方法，其特征在于，所制备的MOF前驱体@CNTF在惰性气体(氮气或氩气)保护下进行碳化，碳化温度为400～1000℃，升温速率是2～10℃/min。
6.权利要求1所述的一种仿生浮萍式海水淡化装置，其特征在于，包含光热功能膜、三聚氰胺泡沫和聚苯乙烯泡沫。
7.根据权利要求7所述的一种仿生浮萍式海水淡化装置，其特征在于，上层为光热功能膜、中间层使用三聚氰胺泡沫作为吸水通道，底部为自漂浮型聚苯乙烯泡沫；所设计的海水淡化装置具有自漂浮、亲水性和低热导率等特征。
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