CN113334879A - 一种具有氨氮截留功能的太阳能光热蒸发膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新能源材料领域，具体涉及一种具有氨氮截留功能的太阳能光热蒸发膜及其制备方法。所述太阳能光热蒸发膜为Janus结构，分上下双层，包括作为下层的含质子化胺基基团的阳离子聚电解质复合水凝胶膜、以及作为上层的光热蒸发材料。本发明Janus复合水凝胶膜材料在具备高效太阳光热蒸发能力的同时，还可以利用阳离子聚电解质对氨氮成分的静电排斥作用，使光热材料兼具氨氮截留功能，更适用于处理含氨氮成分的废水。
Description
技术领域
本发明属于新能源材料领域，具体涉及具有氨氮截留功能的太阳能光热膜及其制备方法。
背景技术
太阳能界面光热蒸发技术是以太阳光为驱动力实现高效水-汽转化，在蒸发净化处理污水方面具有绿色、节能、低成本等优势。当前，太阳能界面光热蒸发膜材料已经广泛用于海水淡化、苦碱水蒸馏、污水处理等领域。太阳能界面光热蒸发技术的核心是能够将太阳能高效转化为热能、并快速加热蒸发周围水分的光热膜材料。光热膜通常由光热转换剂，如廉价的纳米碳材料、纳米Fe3O4等，与多孔材料如多孔水凝胶、海绵、甚至木头切片等复合，利用毛细管道压力驱动吸水，在水-空气界面处实现高效水蒸发。由于减小了能量向水体耗散，光热膜的水蒸发速率远高于传统光热技术。然而，在水蒸发过程中，污水中的易挥发小分子污染物，尤其是游离氨氮也很容易通过这种微米级的孔道随水蒸汽扩散。
因此，当前光热膜广泛采用的多孔毛细结构不适于抑制氨氮挥发。有必要提供一种能够截留氨氮的光热蒸发膜，以利于其处理含氨氮污水。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种具有氨氮截留功能的太阳能光热蒸发膜及其制备方法，该膜材料为Janus结构，能够在高效光热蒸发的同时截留氨氮，解决现有光热膜无法抑制易挥发小分子污染物的问题。
为此目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有氨氮截留功能的太阳能光热蒸发膜，由处于上部的光热蒸发层和处于下部的氨氮截留层组成。
所述光热蒸发层为细菌纤维素光热膜、聚乙烯醇光热膜、碳化海绵、碳化聚丙烯腈静电纺丝膜等膜材料的一种
所述氨氮截留层为致密结构的阳离子型聚电解质复合水凝胶膜。
所述氨氮截留层的厚度为2 mm-2 cm之间。
所述阳离子型聚电解质为含质子化胺基基团的聚乙烯亚胺、聚丙烯酰胺、聚酰胺-胺型树枝状聚合物中的一种或几种的混合。
所述复合水凝胶膜为阳离子聚电解质与骨架支撑材料复合而成。
所述骨架材料为细菌纤维素、三聚氰胺海绵、无纺布等材料中的一种。
本发明的另一目的是提供上述Janus结构太阳能光热蒸发膜的制备和使用方法，包括以下步骤：
1）按质量比称取阳离子聚电解质单体及相应的交联剂、引发剂配制成反应液。
2）将干燥的骨架支撑材料放入反应液浸泡24小时，使其饱和吸附反应液。
3）从反应液中取出骨架支撑材料，与光热蒸发层面对面贴合后，在真空环境下40-80oC进行交联聚合反应2-10小时，即可获得Janus结构太阳能光热蒸发膜。
本发明的第三目的是提供所述太阳能光热蒸发膜的应用，光热蒸发应用时，Janus结构太阳能光热蒸发膜的氨氮截留层半漂浮于待蒸发液的液面，太阳光或模拟太阳光直接照射光热蒸发层。
本发明的制备方法简单易行，解决了太阳能光热膜在处理含易氨氮污水时无法截留氨氮的问题，通过本发明方法制得的Janus结构太阳能光热蒸发膜兼具高效光热蒸发与氨氮截留性能。
附图说明
图1 本发明所述太阳能光热蒸发膜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种具有氨氮截留功能的太阳能光热蒸发膜，具有Janus结构，包括氨氮截留层和光热蒸发层，制备方法包括以下步骤，
1）将丙烯酰胺单体、交联剂N,N′-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂过硫酸钾分别按质量比为20%、0.8%、0.3%配制成反应液A。
2）将抽滤获得的细菌纤维素膜冷冻干燥，置于反应液A中浸泡24小时充分吸收，获得反应膜B。
3）将聚丙烯腈按质量比8%溶于N,N′-二甲基甲酰胺，静电纺丝获得聚丙烯腈纤维膜。
4）将聚丙烯腈纤维膜在氮气氛围下400度碳化，获得光热蒸发膜C。
5）将反应膜B与光热蒸发膜C紧密贴合后，在真空环境下60oC进行交联聚合反应4小时，获得Janus结构太阳能光热蒸发膜，如图1所示。
Janus结构太阳能光热蒸发膜光热蒸发试验：将Janus结构太阳能光热蒸发膜置于NH4Cl溶液液面（500mg/L, pH=7），在1个标准太阳光强下照射连续照射2小时，测得光热蒸发效率为1.3 kg m-2 h-1，氨氮截留率为93%。作为对比，直接用光热蒸发膜C蒸发NH4Cl溶液的光热蒸发效率为1.3 kg m-2 h-1，而氨氮截留率仅为5%。
实施例2
一种具有Janus结构太阳能光热蒸发膜，包括氨氮截留层和光热蒸发层，制备方法包括以下步骤，
1）将丙烯酰胺单体、交联剂N,N′-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂过硫酸钾分别按质量比为15%、0.8%、0.3%配制成反应液A。
2）将抽滤获得的细菌纤维素膜冷冻干燥，置于反应液A中浸泡24小时充分吸收，获得反应膜B。
3）将聚丙烯腈按质量比8%溶于N,N′-二甲基甲酰胺，静电纺丝获得聚丙烯腈纤维膜。
4）将聚丙烯腈纤维膜在氮气氛围下400度碳化，获得光热蒸发膜C。
5）将反应膜B与光热蒸发膜C紧密贴合后，在真空环境下60oC进行交联聚合反应4小时，获得Janus结构太阳能光热蒸发膜。
Janus结构太阳能光热蒸发膜光热蒸发试验：将Janus结构太阳能光热蒸发膜置于NH4Cl溶液液面（500mg/L, pH=7），在1个标准太阳光强下照射连续照射2小时，测得光热蒸发效率为1.3 kg m-2 h-1，氨氮截留率为78%。
实施例3
一种具有Janus结构太阳能光热蒸发膜，包括氨氮截留层和光热蒸发层，制备方法包括以下步骤，
1）将丙烯酰胺单体、交联剂N,N′-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂过硫酸钾分别按质量比为10%、0.8%、0.3%配制成反应液A。
2）将抽滤获得的细菌纤维素膜冷冻干燥，置于反应液A中浸泡24小时充分吸收，获得反应膜B。
3）将聚丙烯腈按质量比8%溶于N,N′-二甲基甲酰胺，静电纺丝获得聚丙烯腈纤维膜。
4）将聚丙烯腈纤维膜在氮气氛围下400度碳化，获得光热蒸发膜C。
5）将反应膜B与光热蒸发膜C紧密贴合后，在真空环境下60oC进行交联聚合反应4小时，获得Janus结构太阳能光热蒸发膜。
Janus结构太阳能光热蒸发膜光热蒸发试验：将Janus结构太阳能光热蒸发膜置于NH4Cl溶液液面（500mg/L, pH=7），在1个标准太阳光强下照射连续照射2小时，测得光热蒸发效率为1.3 kg m-2 h-1，氨氮截留率为62%。
实施例4
一种具有Janus结构太阳能光热蒸发膜，包括氨氮截留层和光热蒸发层，制备方法包括以下步骤，
1）将丙烯酰胺单体、交联剂N,N′-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂过硫酸钾分别按质量比为5%、0.8%、0.3%配制成反应液A。
2）将抽滤获得的细菌纤维素膜冷冻干燥，置于反应液A中浸泡24小时充分吸收，获得反应膜B。
3）将聚丙烯腈按质量比8%溶于N,N′-二甲基甲酰胺，静电纺丝获得聚丙烯腈纤维膜。
4）将聚丙烯腈纤维膜在氮气氛围下400度碳化，获得光热蒸发膜C。
5）将反应膜B与光热蒸发膜C紧密贴合后，在真空环境下60oC进行交联聚合反应4小时，获得Janus结构太阳能光热蒸发膜。
Janus结构太阳能光热蒸发膜光热蒸发试验：将Janus结构太阳能光热蒸发膜置于NH4Cl溶液液面（500mg/L, Ph=7），在1个标准太阳光强下照射连续照射2小时，测得光热蒸发效率为1.3 kg m-2 h-1，氨氮截留率为40%。
实施例5
一种具有Janus结构太阳能光热蒸发膜，包括氨氮截留层和光热蒸发层，制备方法包括以下步骤，
1）将丙烯酰胺单体、交联剂N,N′-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂过硫酸钾分别按质量比为20%、0.8%、0.3%配制成反应液A。
2）将抽滤获得的细菌纤维素膜冷冻干燥，置于反应液A中浸泡24小时充分吸收，获得反应膜B。
3）将聚丙烯腈按质量比8%溶于N,N′-二甲基甲酰胺，静电纺丝获得聚丙烯腈纳米纤维膜。
4）将三聚氰胺海绵在氮气氛围下450度碳化，获得光热蒸发膜C。
5）将反应膜B与光热蒸发膜C紧密贴合后，在真空环境下60oC进行交联聚合反应4小时，获得Janus结构太阳能光热蒸发膜。
Janus结构太阳能光热蒸发膜光热蒸发试验：将Janus结构太阳能光热蒸发膜置于NH4Cl溶液液面（500mg/L, pH=7），在1个标准太阳光强下照射连续照射2小时，测得光热蒸发效率为2.2 kg m-2 h-1，氨氮截留率为93%。作为对比，直接用光热蒸发膜C蒸发NH4Cl溶液的光热蒸发效率为2.2 kg m-2 h-1，而氨氮截留率仅为8%。
实施例6
一种具有Janus结构太阳能光热蒸发膜，包括氨氮截留层和光热蒸发层，制备方法包括以下步骤，
1）将乙烯亚胺单体、交联剂N,N′-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂过硫酸钾分别按质量比为20%、0.8%、0.3%配制成反应液A。
2）将抽滤获得的细菌纤维素膜冷冻干燥，置于反应液A中浸泡24小时充分吸收，获得反应膜B。
3）将聚丙烯腈按质量比8%溶于N,N′-二甲基甲酰胺，静电纺丝获得聚丙烯腈纳米纤维膜。
4）将三聚氰胺海绵在450度碳化，获得光热蒸发膜C。
5）将反应膜B与光热蒸发膜C紧密贴合后，在真空环境下60oC进行交联聚合反应4小时，获得Janus结构太阳能光热蒸发膜。
Janus结构太阳能光热蒸发膜光热蒸发试验：将Janus结构太阳能光热蒸发膜置于NH4Cl溶液液面（500mg/L, pH=7），在1个标准太阳光强下照射连续照射2小时，测得光热蒸发效率为2.2 kg m-2 h-1，氨氮截留率为82%。作为对比，直接用光热蒸发膜C蒸发NH4Cl溶液的光热蒸发效率为2.2 kg m-2 h-1，而氨氮截留率仅为8%。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种具有氨氮截留功能的太阳能光热蒸发膜，其特征在于，所述太阳能光热蒸发膜由氨氮截留层和光热蒸发层组成。
2.根据权利要求1所述的太阳能光热蒸发膜，其特征在于，所述氨氮截留层为致密结构的阳离子型聚电解质复合水凝胶膜。
3.根据权利要求1所述的太阳能光热蒸发膜，其特征在于，所述光热蒸发层为细菌纤维素光热膜、聚乙烯醇光热膜、碳化海绵、碳化聚丙烯腈静电纺丝膜材料的一种。
4.根据权利要求2所述的太阳能光热蒸发膜，其特征在于，所述阳离子型聚电解质为含质子化胺基基团的聚乙烯亚胺、聚丙烯酰胺、聚酰胺-胺型树枝状聚合物中的一种或几种的混合。
5.根据权利要求2所述的太阳能光热蒸发膜，其特征在于，复合水凝胶膜为阳离子型聚电解质与骨架支撑材料复合而成。
6.根据权利要求2所述的太阳能光热蒸发膜，其特征在于，氨氮截留层的厚度为2 mm-2cm之间。
7.根据权利要求5所述的太阳能光热蒸发膜，其特征在于，骨架支撑材料为细菌纤维素、三聚氰胺海绵、无纺布中的一种。
8.权利要求1-7所述太阳能光热蒸发膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）按质量比称取阳离子聚电解质单体及相应的交联剂、引发剂配制成反应液；
2）将干燥的骨架支撑材料放入反应液浸泡24小时，使其饱和吸附反应液；
3）从反应液中取出骨架支撑材料，与光热蒸发层面对面贴合后，在真空环境下40-80oC进行交联聚合反应2-10小时，即可获得Janus结构太阳能光热蒸发膜。
9.权利要求1-7所述的太阳能光热蒸发膜的应用，其特征在于，将太阳能光热蒸发膜的氨氮截留层半漂浮于待蒸发液的液面，太阳光或模拟太阳光直接照射光热蒸发层。
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