CN113583637B - 一种易回收光热海水淡化三元复合材料及制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种易回收光热海水淡化三元复合材料及制备方法与应用，该三元复合材料由带有磁性的四氧化三铁纳米材料、碳球以及其他碳材料复合而成；其中碳球来源于可溶性糖类；所述可溶性糖类包括麦芽糖、果糖、葡萄糖、蔗糖、乳糖；其他碳材料为碳纳米管、无定形碳、石墨、石墨烯、氧化石墨烯中的一种。该三元复合材料中四氧化三铁纳米球、碳纳米管、微纳米碳球呈现为不同粒径的材料混合，形成具有大量微纳米空腔的复合材料，有助于水的储存、运输与蒸发。该光热纳米复合材料经过疏水处理可自浮于水面上，通过控制该光热复合材料的铺覆量，使三元复合材料粉末均匀的满铺在一定面积的水面上，形成有效的吸光层加快海水的淡化效率。

Description

一种易回收光热海水淡化三元复合材料及制备方法与应用
技术领域
本发明涉及光热转化材料工程技术及太阳能海水淡化领域，具体涉及一种易回收光热海水淡化三元复合材料及制备方法与应用。
背景技术
现代人口激增，工业发展带来的水体污染，淡水资源紧缺等问题日益加重。远距离输送水资源、工业污废水二次再生利用等措施涉及范围广、施工难度大、经济效益低并不能从根本处解决当前问题，人们便将目光转向水资源储量最丰富的海洋。相比于传统海水淡化技术，光热海水淡化技术利用了储量丰富、绿色清洁、零成本的太阳能淡化海水，同时也在污水处理等方面存在着巨大的应用前景。近些年来，以气体-液体界面吸热蒸发为基础的太阳能海水淡化技术，因其环保清洁、低能耗、成本低等优点逐渐成为热点方向。但其光热转化速率，海水蒸发速率不稳定等问题亟待解决。
解决这一问题的关键是制备吸光性能优越、蒸发效率高且稳定的光热转换材料。目前光热转换材料的主要研究方向大致分为碳基材料、贵金属材料、金属氧化物和其他新型特殊黑色材料这四类。黑色材料因其具有吸收光谱范围广的特性，能够迅速吸收太阳能并转换为热能，再通过对材料进行疏水的表面改性，使材料漂浮在空气和水的界面上，实现气体--液体界面的传热，自动且高效地利用太阳能实现海水淡化。
现有技术，申请号为202011085128.4，公开一种磁性超疏水中空碳微球制备方法及应用，包括中空结构的超疏水碳壳层和被包覆于超疏水碳壳层内的磁性纳米粒子；超疏水碳壳层为多孔结构，且其表面具有多级微纳米表面凸起，可以作为油水分离材料以及海水淡化。但是在该对比文件中仅仅披露出该材料可以在海水淡化中应用，并且还存在其制备的过程比较繁琐且要求比较高，不利于推广使用。
发明内容
1.所要解决的技术问题：
针对上述技术问题，本发明提供一种易回收光热海水淡化三元复合材料及制备方法与应用，该三元复合材料中的不同粒径的材料之间混合，形成许多微纳米空腔，有助于水从空腔中快速的运输与蒸发。并且该光热三元复合材料经过疏水处理可自浮于水面上，使用时，通过控制该光热三元复合材料使用量，能够使该三元复合材料均匀的满铺在一定面积的水面上，形成有效的吸光层。适度的吸光层的厚度，不仅可以缩短水分运输时间，还可以消除盐析现象，提高水蒸发速率和光热转化效率。并且该复合材料中含有的Fe3O4纳米球具有良好的磁性，使三元复合光热材料便于回收重复使用，无二次污染，节约成本，保护环境。
2.技术方案：
一种易回收光热海水淡化三元复合材料，其特征在于：该三元复合材料由带有磁性的四氧化三铁纳米材料、碳球以及其他碳材料复合而成；其中碳球来源于可溶性糖类；所述可溶性糖类包括麦芽糖、果糖、葡萄糖、蔗糖、乳糖一种或者多种的混合；其他碳材料为碳纳米管、无定形碳、石墨、石墨烯、氧化石墨烯中的一种。
进一步地，该三元复合材料由带有磁性的四氧化三铁纳米材料、碳球以及碳纳米管复合而成；该三元复合材料中四氧化三铁纳米球、微纳米碳球、碳纳米管呈现为不同粒径的材料混合，形成具有微纳米空腔的复合材料。
一种易回收光热海水淡化三元复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将醋酸钠、聚乙二醇、乙二醇和可溶性铁盐，加入反应釜中，用螺桨式搅拌器搅拌半小时使其充分混合均匀，溶液呈现淡黄色。
步骤二：将步骤一生成的溶液在反应釜中控制温度为200 ℃反应7 h后，降温至室温，然后用无水乙醇和去离子水交替离心洗涤三次后，在60 ℃下，干燥10 h，得到Fe3O4纳米材料。
步骤三：称取步骤二中制备的Fe3O4纳米材料、可溶性糖和碳材料，加入到适量去离子水中，超声处理15 min，并通入氮气除氧15 min；将所得混合物转移至水热反应釜中，在180 ℃反应18 h后；对生成的溶液依次进行离心、洗涤、干燥，得到三元复合材料。
步骤四：将步骤三中生成的干燥后的三元复合材料，用疏水剂进行疏水处理，超声波振荡预设的时间，用烘箱干燥4 h后获得具有疏水性的三元复合材料。
进一步地，所述碳材料为碳纳米管，所述碳纳米管与Fe3O4纳米材料的质量比范围为0.2:1~1:1 。
进一步地，所述步骤三中的可溶性糖与Fe3O4纳米材料的质量比范围为1:1~5:1。
进一步地，步骤四中加入疏水剂的质量分数范围为0.15wt％~3wt％。
一种易回收光热海水淡化三元复合材料的应用，该三元复合材料用于太阳能海水淡化或者污水处理。
3.有益效果：
（1）本发明中使用的原料Fe3O4纳米材料具有磁性，使本发明制备的纳米三元复合光热材料便于回收重复利用，没有二次污染，节约成本，保护环境。
（2）本发明提供的一种易回收光热海水淡化三元复合材料的制备工艺简单，操作方便，更适合工业化生产。
（3）本发明制备的纳米三元复合材料可以浮在水面上，通过控制粉末层厚度及均匀性，消除了盐析现象，提高了水蒸发速率和光热转化效率。
（4）本发明制备的纳米三元复合材料还可以用于处理含有有机污染物及金属离子的废水，得到符合世界卫生组织（WHO）标准的饮用水。
附图说明
图1为具体实施例二中合成的三元复合材料的扫描电镜图；
图2为具体实施例一至六中合成的三元复合材料在一个太阳光强度照射下3 h的蒸发速率柱形图；
图3为使用具体实施例二生成的三元复合材料淡化海水后淡水中所含铜离子、铁离子、镍离子、锌离子的含量变化以及与世界卫生组织饮用水标准的比较。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体的说明。
一种易回收光热海水淡化三元复合材料，其特征在于：该三元复合材料由带有磁性的四氧化三铁纳米材料、碳球以及其他碳材料复合而成；其中碳球来源于可溶性糖类；所述可溶性糖类包括麦芽糖、果糖、葡萄糖、蔗糖、乳糖一种或者多种的混合；其他碳材料为碳纳米管、无定形碳、石墨、石墨烯、氧化石墨烯中的一种。
进一步地，该三元复合材料由带有磁性的四氧化三铁纳米材料、碳球以及碳纳米管复合而成；该三元复合材料中四氧化三铁纳米球、微纳米碳球、碳纳米管呈现为不同粒径的材料混合，形成具有微纳米空腔的复合材料。
一种易回收光热海水淡化三元复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将醋酸钠、聚乙二醇、乙二醇和可溶性铁盐，加入反应釜中，用螺桨式搅拌器搅拌半小时使其充分混合均匀，溶液呈现淡黄色。
步骤二：将步骤一生成的溶液在反应釜中控制温度为200 ℃反应7 h后，降温至室温，然后用无水乙醇和去离子水交替离心洗涤三次后，在60 ℃下，干燥10 h，得到Fe3O4纳米材料。
步骤三：称取步骤二中制备的Fe3O4纳米材料、可溶性糖和碳材料，加入到适量去离子水中，超声处理15 min，并通入氮气除氧15 min；将所得混合物转移至水热反应釜中，在180 ℃反应18 h后；对生成的溶液依次进行离心、洗涤、干燥，得到三元复合材料。
步骤四：将步骤三中生成的干燥后的三元复合材料，用疏水剂进行疏水处理，超声波振荡预设的时间，用烘箱干燥4 h后获得具有疏水性的三元复合材料。
进一步地，所述碳材料为碳纳米管，所述碳纳米管与Fe3O4纳米材料的质量比范围为0.2:1~1:1 。
进一步地，所述步骤三中的可溶性糖与Fe3O4纳米材料的质量比范围为1:1~5:1。
进一步地，步骤四中加入疏水剂的质量分数范围为0.15wt％~3wt％。
一种易回收光热海水淡化三元复合材料的应用，该三元复合材料用于太阳能海水淡化或者污水处理。
具体实施例1
称取5.0 g醋酸钠、3.0 g聚乙二醇、60 mL乙二醇和1.5 g FeCl3·6H2O，迅速加入反应釜中，用螺桨式搅拌器搅拌半小时使其充分混合均匀。拧紧反应釜，放入烘箱中，保持200 ℃反应7 h。降至室温后，用无水乙醇和去离子水交替清洗三次，放入烘箱，在60 ℃下，干燥10 h。冷却至室温取出，研磨成细粉末状的Fe3O4纳米材料。
称取0.3 g上述Fe3O4纳米材料、0.2 g碳纳米管和1.5 g麦芽糖，加入到50 mL去离子水中，超声处理15 min，并通入氮气除氧15 min。将所得混合物转移至水热反应釜中，加热到180 ℃反应18 h。冷却后离心，将所得产物用水和乙醇清洗若干次，干燥后加入4 mL含有2wt％全氟辛基三氯硅烷的正己烷溶液，超声振荡20 min，用烘箱干燥4 h后获得最终产物。
将制备得到的纳米Fe3O4/CNTs/CS三元复合材料，均匀分散于盛在内径为52 mm烧杯内的水面，称量该光热系统总质量。用氙灯模拟1个太阳光强度，照射3 h，通过精密电子天平精确观察水的质量变化，并记录相关数据。
具体实施例2
称取5.0 g醋酸钠、3.0 g聚乙二醇、60 mL乙二醇和1.5 g FeCl3·6H2O，迅速加入反应釜中，用螺桨式搅拌器搅拌半小时使其充分混合均匀。拧紧反应釜，放入烘箱中，保持200 ℃反应7 h。降至室温后，用无水乙醇和去离子水交替清洗三次，放入烘箱，在60 ℃下，干燥10 h。冷却至室温取出，研磨成细粉末状的Fe3O4纳米材料。
称取0.3 g上述Fe3O4纳米材料、0.2 g碳纳米管和0.4 g麦芽糖，加入到50 mL去离子水中，超声处理15 min，并通入氮气除氧15 min。将所得混合物转移至水热反应釜中，加热到180 ℃反应18 h。冷却后离心，将所得产物用水和乙醇清洗若干次，干燥后加入4 mL含有2wt％全氟辛基三氯硅烷的正己烷溶液，超声振荡20 min，用烘箱干燥4 h后获得最终产物。
将制备得到的纳米Fe3O4/CNTs/CS 三元复合材料，均匀分散于盛在内径为52 mm烧杯内的水面，称量该光热系统总质量。用氙灯模拟1个太阳光强度，照射3 h，通过精密电子天平精确观察水的质量变化，并记录相关数据。
具体实施例3
称取5.0 g醋酸钠、3.0 g聚乙二醇、60 mL乙二醇和1.5 g FeCl3·6H2O，迅速加入反应釜中，用螺桨式搅拌器搅拌半小时使其充分混合均匀。拧紧反应釜，放入烘箱中，保持200 ℃反应7 h。降至室温后，用无水乙醇和去离子水交替清洗三次，放入烘箱，在60 ℃下，干燥10 h。冷却至室温取出，研磨成细粉末状的Fe3O4纳米材料。
称取0.3 g上述Fe3O4纳米材料、0.2 g碳纳米管和0.8 g麦芽糖，加入到50 mL去离子水中，超声处理15 min，并通入氮气除氧15 min。将所得混合物转移至水热反应釜中，加热到180 ℃反应18 h。冷却后离心，将所得产物用水和乙醇清洗若干次，干燥后加入4 mL含有2wt％全氟辛基三氯硅烷的正己烷溶液，超声振荡20 min，用烘箱干燥4 h后获得最终产物。
将制备得到的纳米Fe3O4/CNTs/CS 三元复合材料，均匀分散于盛在内径为52 mm烧杯内的水面，称量该光热系统总质量。用氙灯模拟1个太阳光强度，照射3 h，通过精密电子天平精确观察水的质量变化，并记录相关数据。
具体实施例4
称取5.0 g醋酸钠、3.0 g聚乙二醇、60 mL乙二醇和1.5 g FeCl3·6H2O，迅速加入反应釜中，用螺桨式搅拌器搅拌半小时使其充分混合均匀。拧紧反应釜，放入烘箱中，保持200 ℃反应7 h。降至室温后，用无水乙醇和去离子水交替清洗三次，放入烘箱，在60 ℃下，干燥10 h。冷却至室温取出，研磨成细粉末状的Fe3O4纳米材料。
称取0.3 g上述Fe3O4纳米材料、0.2 g碳纳米管和0.4 g葡萄糖，加入到50 mL去离子水中，超声处理15 min，并通入氮气除氧15 min。将所得混合物转移至水热反应釜中，加热到180 ℃反应18 h。冷却后离心，将所得产物用水和乙醇清洗若干次，干燥后加入4 mL含有2wt％全氟辛基三氯硅烷的正己烷溶液，超声振荡20 min，用烘箱干燥4 h后获得最终产物。
将制备得到的纳米Fe3O4/CNTs/CS 三元复合材料，均匀分散于盛在内径为52 mm烧杯内的水面，称量该光热系统总质量。用氙灯模拟1个太阳光强度，照射3 h，通过精密电子天平精确观察水的质量变化，并记录相关数据。
具体实施例5
称取5.0 g醋酸钠、3.0 g聚乙二醇、60 mL乙二醇和1.5 g FeCl3·6H2O，迅速加入反应釜中，用螺桨式搅拌器搅拌半小时使其充分混合均匀。拧紧反应釜，放入烘箱中，保持200 ℃反应7 h。降至室温后，用无水乙醇和去离子水交替清洗三次，放入烘箱，在60 ℃下，干燥10 h。冷却至室温取出，研磨成细粉末状的Fe3O4纳米材料。
称取0.3 g上述Fe3O4纳米材料、0.2 g碳纳米管和0.4 g果糖，加入到50 mL去离子水中，超声处理15 min，并通入氮气除氧15 min。将所得混合物转移至水热反应釜中，加热到180 ℃反应18 h。冷却后离心，将所得产物用水和乙醇清洗若干次，干燥后加入4 mL含有2wt％全氟辛基三氯硅烷的正己烷溶液，超声振荡20 min，用烘箱干燥4 h后获得最终产物。
将制备得到的纳米Fe3O4/CNTs/CS 三元复合材料，均匀分散于盛在内径为52 mm烧杯内的水面，称量该光热系统总质量。用氙灯模拟1个太阳光强度，照射3 h，通过精密电子天平精确观察水的质量变化，并记录相关数据。
具体实施例6
称取5.0 g醋酸钠、3.0 g聚乙二醇、60 mL乙二醇和1.5 g FeCl3·6H2O，迅速加入反应釜中，用螺桨式搅拌器搅拌半小时使其充分混合均匀。拧紧反应釜，放入烘箱中，保持200 ℃反应7 h。降至室温后，用无水乙醇和去离子水交替清洗三次，放入烘箱，在60 ℃下，干燥10 h。冷却至室温取出，研磨成细粉末状的Fe3O4纳米材料。
称取0.3 g上述Fe3O4纳米材料、0.2 g碳纳米管和0.4 g乳糖，加入到50 mL去离子水中，超声处理15 min，并通入氮气除氧15 min。将所得混合物转移至水热反应釜中，加热到180 ℃反应18 h。冷却后离心，将所得产物用水和乙醇清洗若干次，干燥后加入4 mL含有2wt％全氟辛基三氯硅烷的正己烷溶液，超声振荡20 min，用烘箱干燥4 h后获得最终产物。
将制备得到的纳米Fe3O4/CNTs/CS 三元复合材料，均匀分散于盛在内径为52 mm烧杯内的水面，称量该光热系统总质量。用氙灯模拟1个太阳光强度，照射3 h，通过精密电子天平精确观察水的质量变化，并记录相关数据。
数据分析：
附图1为本发明具体实施例二中合成的纳米三元复合材料的扫描电镜图，由图中可以得出Fe3O4球直径大约为50 nm，微纳米碳球的直径在700 nm-1.8 um之间，碳纳米管的直径在10-20 nm之间，其中看出较大的球状物为碳球，较小的球状物四氧化三铁纳米球，絮状物为碳纳米管；由于三者粒径不同，形状不同，其复合后的纳米三元复合材料内部有大量微米级通道，有利于水的储存和输送。
附图2为本发明实施例一至六中合成的纳米三元复合材料在一个太阳光强度照射下3 h的蒸发速率。从图中各数据对比得出，在1个太阳光强度照射下，六个不同配比的实施例中三元复合材料均有很高的光热转换率，并且其中含0.4 g麦芽糖的纳米复合材料相对于其他的具体实施例体现出了最高效率的光热转换效果。
附图3 为采用具体实施例二中合成的三元复合材料对含有多种金属离子的废水进行淡化处理，原溶液中所含各金属离子的浓度均为 0.1 g/L，并且将淡化后的冷凝水中铜离子（Cu2+）、铁离子（Fe3+）、镍离子（Ni2+）、锌离子（Zn2+）的含量和与世界卫生组织饮用水标准进行了比较分析。由图可以看出，具体实施例二中合成的纳米三元复合材料对含有铜离子（Cu2+）、铁离子（Fe3+）、镍离子（Ni2+）锌离子（Zn2+）的废水处理后，各金属离子含量均低于世界卫生组织饮用水标准规定的最大值。
采用具体实施例二合成的纳米三元复合材料对含有罗丹明B（RhB ，0.1 g/L）的污水蒸馏结果，所获得的蒸馏水中RhB的浓度几乎为零。通过对多种不同废水进行污水蒸馏实验充分说明了本发明也可以在废水处理领域应用。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (6)

1.一种易回收光热海水淡化三元复合材料，其特征在于：该三元复合材料由带有磁性的四氧化三铁纳米材料、碳球以及其他碳材料复合而成；其中碳球来源于可溶性糖类；所述可溶性糖类包括麦芽糖、果糖、葡萄糖、蔗糖、乳糖一种或者多种的混合；其他碳材料为碳纳米管、无定形碳、石墨、石墨烯、氧化石墨烯中的一种；
该三元复合材料由带有磁性的四氧化三铁纳米材料、碳球以及碳纳米管复合而成；该三元复合材料中四氧化三铁纳米球、微纳米碳球、碳纳米管呈现为不同粒径的材料混合，形成具有微纳米空腔的复合材料。
2.一种易回收光热海水淡化三元复合材料的制备方法，用于制备如权利要求1所述的一种易回收光热海水淡化三元复合材料，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将醋酸钠、聚乙二醇、乙二醇和可溶性铁盐，加入反应釜中，用螺桨式搅拌器搅拌半小时使其充分混合均匀，溶液呈现淡黄色；
步骤二：将步骤一生成的溶液在反应釜中控制温度为200 ℃反应7 h后，降温至室温，然后用无水乙醇和去离子水交替离心洗涤三次后，在60 ℃下，干燥10 h，得到Fe3O4纳米材料；
步骤三：称取步骤二中制备的Fe3O4纳米材料、可溶性糖和碳材料，加入到适量去离子水中，超声处理15 min，并通入氮气除氧15 min；将所得混合物转移至水热反应釜中，在180℃反应18 h后；对生成的溶液依次进行离心、洗涤、干燥，得到三元复合材料；
步骤四：将步骤三中生成的干燥后的三元复合材料，用疏水剂进行疏水处理，超声波振荡预设的时间，用烘箱干燥4 h后获得具有疏水性的三元复合材料。
3.根据权利要求2所述的一种易回收光热海水淡化三元复合材料的制备方法，其特征在于：所述碳材料为碳纳米管，所述碳纳米管与Fe3O4纳米材料的质量比范围为0.2:1~1:1 。
4.根据权利要求2所述的一种易回收光热海水淡化三元复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤三中的可溶性糖与Fe3O4纳米材料的质量比范围为1:1~5:1。
5.根据权利要求2所述的一种易回收光热海水淡化三元复合材料的制备方法，其特征在于：步骤四中加入疏水剂的质量分数范围为0.15wt％~3wt％。
6.一种易回收光热海水淡化三元复合材料的应用，应用如权利要求1所述的一种易回收光热海水淡化三元复合材料，其特征在于：该三元复合材料用于太阳能海水淡化或者污水处理。
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