CN113181778A

CN113181778A - 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

Info

Publication number: CN113181778A
Application number: CN202110545873.0A
Authority: CN
Inventors: 祝祥威; 金音; 董志月; 李雪银; 张婷; 蔡冬娜; 刘睿思
Original assignee: Hubei University of Technology
Current assignee: Hubei University of Technology
Priority date: 2021-05-19
Filing date: 2021-05-19
Publication date: 2021-07-30

Abstract

本发明提供一种基于茶的光热海水淡化膜的制备方法以及由该方法制得的光热海水淡化膜。该方法包括以下步骤：(1)将茶经干燥后研磨成茶粉；(2)将所述茶粉分散到溶剂中，得到分散液；(3)将所述分散液真空抽滤到滤膜上，得到光热海水淡化膜。本发明提供的方法，原料廉价易得，制膜操作简便，所制备的膜材料亦可实现多次循环使用，具体工业实用性。

Description

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

技术领域

本发明涉及光热海水淡化和生物资源利用技术领域，具体涉及一种基于茶的光热海水淡化膜的制备方法以及由该方法制得的光热海水淡化膜。

背景技术

太阳能蒸发水(solar vapor generation，SVG)是一种典型的利用太阳光-热能之间的转变、使水分子在低于其蒸发温度的条件下变成水蒸汽的水处理技术，被广泛研究[L.Zhaoetal,Joule,2020,4,2733]。但在容积型体系水蒸发的过程中，光反射、热扩散都限制了整个光-水蒸气之间的转化效率，使产水速率较低。随着光、热管理技术，纳米级结构以及材料设计理念的发展，界面光热产水(interfacial solar vapor generation，ISVG)已经发展成为理想的光热转化方法，是第二代新型的光热产水体系[H.Jin,etal,NanoEnergy,2016,28,397]。

但是水蒸发需要吸收高于40kJ/mol的能量，这一条件限制了界面光热产水在实际应用中的发展。目前，能够调节水分子与膜材料之间的氢键种类的材料是利用自然光纯化水资源的佼佼者。弄清楚能够影响水分子的加热、转移、相变行为的材料的设计原则以及水分子行为以及协同提高ISVG过程是非常重要的。

近年来，影响ISVG过程中水分子行为以及协同提高水蒸发速率的研究发展迅速，主要集中在：开发碳材料作为传水介质或修饰生物材料作为传输水分通道。

由静电纺丝、亚胺化处理和激光烧蚀得到的石墨烯纤维复合膜(中国专利：CN111282443A)，其独特的3D三角阵列石墨烯结构显著提高了吸光率和蒸发率，此复合膜的光热转换效率约为93％。

树木对水分的高速传输作用启发，在木头(水传输通道)表面覆盖一层碳纳米管(吸光材料)用作光热产水的研究[C.Chen etal,Adv.Mater.,2017,29(30),1701756]，木头中的纤维素的纳米/微米级亲水性孔道会产生毛细管作用和纳米限域效应，促进了水分子的传递和运输。

然而石墨烯、碳纳米管等碳材料的价格极为昂贵，大大提高了海水淡化装置的成本。

淀粉在微生物作用下产生的微孔结构(中国专利：CN107903550A)，不仅极大地提高了海水的透过率，而且通过折射作用“捕获”更多太阳光，促使微孔结构中的纳米金颗粒进行多次光吸收，实现了高效率的光热转换。然而这类膜材料的制备较为复杂，且淀粉在潮湿环境中的稳定性较之纤维素、木质素等更低，所制备膜材料的耐用性尚待考察。

发明内容

本发明鉴于现有的光热海水淡化膜存在的原材料价格昂贵、或稳定性差的问题，提供一种原材料廉价易得、可循环使用的、基于茶的光热海水淡化膜的制备方法以及由该方法制得的光热海水淡化膜，其中，该方法包括以下步骤：

(1)将茶经干燥后研磨成茶粉；

(2)将所述茶粉分散到溶剂中，得到分散液；

(3)将所述分散液真空抽滤到滤膜上，得到光热海水淡化膜。

本发明还提供一种由本发明提供的方法制得的基于茶的光热海水淡化膜。

在本发明中，所述茶可以是茶叶或茶叶冲泡后的茶渣，价格都比石墨烯、碳纳米管便宜。尤其是优选所述茶为茶渣时，由于冲泡后的茶渣属于废料资源，可大量廉价的获取之。因此，本发明的方法通过利用冲泡后的茶渣这一真正意义上的生物资源废料，通过简单的球磨粉碎和抽滤处理，即可获得与石墨烯等合成高分子材料相近的光热产水效率。与石墨烯等高价的光热材料相比，本发明提供的方法更是从原料上就实现了绿色加工。同时，本发明提供的方法的制膜操作简便，所制备的膜材料亦可实现多次循环使用，具体工业实用性。

附图说明

图1是本发明实施例中制备出的不同膜的紫外-可见-近红外吸收光谱图；

图2是本发明实施例中制备出的不同海水淡化膜在1kW/m²光照下的表面温度变化曲线图；

图3是本发明实施例中制备出的海水淡化膜在1kW/m²光照下的膜表面温度最高值的红外热成像图；

图4是本发明实施例中制备出的不同海水淡化膜在1kW/m²光照下的水蒸发速率柱状对比图；

图5是本发明实施例中制备出的不同海水淡化膜在1kW/m²光照下的的光蒸汽转换效率柱状对比图；

图6是本发明实施例中制备出的海水淡化膜在1kW/m²光照下连续工作十小时的水蒸发速率变化图。

具体实施方式

本发明一种基于茶的光热海水淡化膜的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将茶经干燥后研磨成茶粉；

(2)将所述茶粉分散到溶剂中，得到分散液；

(3)将所述分散液真空抽滤到滤膜上，得到光热海水淡化膜。

其中，所述茶可以为茶叶和/或将茶叶冲泡后的茶渣；从经济性角度考虑，优选茶叶冲泡后的茶渣。

在本发明实施例中，为方便实验，茶渣是通过发明人自己冲泡茶叶后获得的，例如通过将茶叶冲泡、浸提3-5次并干燥而获得。在工业上，茶渣例如可以通过购于茶饮料公司生产茶饮料时废弃的茶渣而大批量廉价获得。

所述茶可以为市面上能购得的各种茶，对此没有特别的限制。原因在于，茶固有的吸光能力和毛细结构赋予其优异的光热转换性能和水传输性能，在淡化过程中可以将太阳能转换为热能，同时及时将海水传输至固液汽三相界面处，并令水在界面处实现高效率的光蒸汽转换。因此，黑茶、绿茶、红茶、乌龙茶、白茶和黄茶等都可以用于光热海水淡化膜的制备，其中，黑茶由于吸光能力强、光热转换性能突出，在相同的光照条件下能够产生更高的热量，因此，优选将黑茶作为原料来制备光热海水淡化膜。

另外，在步骤(1)中，对研磨没有特别的限定，只要能将茶研磨到所得到的茶粉为颗粒状、其平均粒径为：0.5～1.5μm即可。优选所述研磨为在球磨机上进行球磨，球磨条件为：以400～900转/min的转速球磨10～40分钟。

在步骤(2)中，对所述溶剂没有特别的限定，只要能将茶粉充分分散即可，所述溶剂例如可以为选自由蒸馏水、丙酮、无水乙醇、四氢呋喃、二甲基甲酰胺组成的组中的一种。另外，所述溶剂与茶粉的质量比可以为1000～4000:1。

在步骤(3)中，所述光热海水淡化膜的厚度可以为1～7mm。另外，对所述滤膜没有特别的限定，只需茶粉可以在其表面沉积成膜即可。例如，所述滤膜可以为选自由混合纤维素酯膜、聚四氟乙烯膜、尼龙膜、聚偏氯乙烯膜组成的组中的一种。另外，对真空抽滤的时间没有特别的限定，只要能将溶剂抽干且茶粉在滤膜表面不会脱落即可。例如，所述真空抽滤的时间可以为30～90min

实施例

下面，通过具体实施例来对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

(1)将红茶叶冲泡、浸提5次并干燥；

(2)将干燥后红茶渣置于球磨机上，以500转/min的转速工作10分钟，得到红茶渣茶粉，其平均粒径为1.2μm；

(3)将10mg红茶渣粉分散到20g蒸馏水中，得到分散液；

(4)将分散液真空抽滤到聚四氟乙烯滤膜上，抽滤时间为30min，得到厚度为5mm的光热海水淡化膜，命名为E-BT。

实施例2

(1)将绿茶叶冲泡、浸提5次并干燥；

(2)将干燥后的绿茶渣置于球磨机上，以800转/min的转速工作30分钟，得到绿茶渣茶粉，其平均粒径为0.6μm；

(3)将6mg绿茶渣粉分散到20g四氢呋喃中，得到分散液；

(4)将分散液真空抽滤到混合纤维素酯膜上，抽滤时间为70min，得到厚度为2.2mm的光热海水淡化膜，命名为E-GT。

实施例3

(1)将黑茶叶冲泡、浸提5次并干燥；

(2)将干燥后的黑茶渣置于球磨机上，以900转/min的转速工作40分钟，得到黑茶渣茶粉，其平均粒径为0.8μm；

(3)将8mg黑茶渣粉分散到15g无水乙醇溶液中，得到分散液；

(4)将分散液真空抽滤到聚偏氯乙烯膜上，抽滤时间为90min，得到厚度为3.5mm的光热海水淡化膜,命名为E-DT。

下面分别对实施例1-3制得的基于茶的光热海水淡化膜进行吸光度测试、光热转换实验、水蒸汽光热转换实验以及测试海水淡化前后海水中的金属离子浓度及海水电阻率。具体方法如下所述：

1、吸光度测试

采用紫外-可见-近红外分光光度计(Lambda-750S)测定膜的吸收光谱，评估其吸光度，膜的紫外-可见-近红外吸收光谱图如图1所示。

2、光热转换实验

直接将膜放置在1kW/m²的模拟太阳光下照射，使用红外热成像仪(DM-I220)原位监测到的膜表面温度随时间的变化曲线图如图2所示，测得的膜表面温度的最高值的红外热成像图如图3所示。

3、水蒸汽光热转换实验、以及测试海水淡化前后海水中的金属离子浓度及海水电阻率

将海水倒入烧杯中，并将光热海水淡化膜漂浮在液面上，在1kW/m²的模拟太阳光下测试膜的光蒸汽转换性能，用电子天平(Soptop-JA2003，)测量光照1小时水蒸发质量变化，水蒸发速率柱状对比图如图4所示。另外，持续光照10小时的水蒸发速率变化图如图6所示。

其中，水蒸发速率(m，kg/m²/h)和光蒸汽转换效率(η，％)分别由公式(1)和公式(2)计算得到：

m＝Δm/(S×t) (1)

η＝m'×hLv/Pin (2)

公式(1)中，△m为1h内的水质量的变化(kg)，S为HPC-x膜的面积(m²)，t为照射时间(1h)；公式(2)中，m'为减去暗室蒸发率的蒸发率(kg/m²/h)，hLv为包括显热和潜热在内的汽液相变总焓(kJ/kg)，以及Pin为太阳能吸收器上的入射光功率(kW/m²)。

计算得到的膜的光蒸汽转换效率柱状对比图如图5所示。

另外，在烧杯上方放置玻璃罩冷凝转化得到的水蒸气，冷凝后的水沿着玻璃罩壁滑落，最终被收集到下方的玻璃皿中。采用电感耦合等离子体发射光谱法(HORIBAScientific，JY200-2)分别测定淡化前的海水和淡化后的冷凝水的金属离子浓度，结果如表1所示。采用数字万用表测试淡化前的海水和淡化后的冷凝水的电阻率，结果如表1所示。

表1

实验结果分析如下：

从图1中可以看出，光热海水淡化膜E-BT、E-GT、E-DT均具有较强的光吸收率，其中E-DT膜具有最强的光吸收率，测试其在太阳光谱380nm～1880nm下的光吸收率达到84％以上。

从图2中可以看出，在1kW/m²的模拟太阳光照射下，光热海水淡化膜E-BT、E-GT、E-DT均具有较好的光热转换性能，其中E-DT的表面温度在经过5min照射后就趋于稳定，红外成像仪测量膜表面的温度高达63.7℃。

从图4和图5中可以看出，在1kW/m²的模拟太阳光照射下对膜进行蒸发速率和光蒸汽转换效率测试，光热海水淡化膜E-BT、E-GT、E-DT均具有较好的光蒸汽光热转换性能，其中E-DT在一个太阳光下的水蒸发速率高达1.43kg/m²/h(如图4所示)，同时它的光蒸汽光热转换效率达到了82.3％(如图5所示)。

从图6可以看出，1kW/m²的模拟太阳光照射下在海水中循环工作10小时，蒸发速率保持相对稳定，说明了光热海水淡化膜E-BT、E-GT、E-DT的水蒸汽转换性能和光热转换效率稳定；并且如表1所示，在水蒸汽光热转换过程中过滤了大量的电解质，淡化后的海水(即冷凝水)中金属离子浓度显著降低，冷凝水的导电性明显降低，尤其利用E-DT膜淡化的海水中钠离子浓度由最初的22222.5ppm降低至23.8ppm，海水的电阻由1.24kΩ上升至2.00MΩ。

从上述实验结果可以看出，光热海水淡化膜在太阳光的全波长范围内都有良好的吸收，在模拟太阳光照射的条件下，膜能够快速将太阳能转换为热能，良好的光热转换能力赋予膜快速的水蒸发速率和高的光热转换效率，同时膜极佳的稳定性保证了其能够连续工作，从而令大批量的海水实现高效率淡化。

Claims

1.一种基于茶的光热海水淡化膜的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将茶经干燥后研磨成茶粉；

(2)将所述茶粉分散到溶剂中，得到分散液；

(3)将所述分散液真空抽滤到滤膜上，得到光热海水淡化膜。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述茶为茶叶和/或将茶叶冲泡后的茶渣。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述茶包括：选自黑茶、绿茶、红茶、乌龙茶、白茶和黄茶中的一种或几种。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述茶为黑茶。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(1)中，所述茶粉为颗粒状，平均粒径为0.5-1.5μm。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤(2)中，所述溶剂为选自由水、丙酮、无水乙醇、四氢呋喃、二甲基甲酰胺组成的组中的一种。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤(2)中，所述溶剂与茶粉的质量比为1000～4000:1。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤(3)中，所述光热海水淡化膜的厚度为1～7mm。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤(3)中，

所述滤膜为选自由混合纤维素酯膜、聚四氟乙烯膜、尼龙膜、聚偏氯乙烯膜组成的组中的一种；

所述真空抽滤的时间为30～90min。

10.根据权利要求1～9任意一项所述的方法制得的基于茶的光热海水淡化膜。