CN114159984A - 一种含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜及其制备方法 - Google Patents
一种含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜及其制备方法，所述复合膜制备方法如下：S1、将MnO2纳米粒子和盐酸多巴胺超声分散于碱性水溶液中，得到A溶液；S2、将亲水性高分子溶解于醋酸水溶液中，得到B溶液；S3、将S1所得A溶液在一小时之内加入到S2所得B溶液中，混合搅拌均匀，取所得混合液置于底部平整的容器中，冷冻，然后在真空条件下冻干，得到含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜。本发明提供的含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜柔韧性好，密度低，轻薄，不需要悬浮装置就可以轻易地漂在水面上，而且遇水能保持复合膜的完整性，用于水蒸发效率高，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明属于使用含金属氧化物作为混合配料的有机高分子化合物技术领域，具体涉及一种含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜及其制备方法。
背景技术
随着全球人口数量的快速增长，在未来的几十年里，清洁水资源供应问题将会变得突出，虽然现有的技术可以缓解水资源短缺的问题，但会加剧能源消耗，甚至对环境造成不利影响。本领域相关研究人员为改善清洁水生产技术付出了巨大努力，例如太阳能驱动水蒸发，利用太阳光作为可再生能源生产清洁水，对环境的影响小，是解决水资源短缺问题的一种有效方法。
由于水对太阳能的吸收率低，传统的太阳能驱动蒸汽发生系统中太阳能到蒸汽的转换效率低，需要投入大量资金和土地资源，限制了其推广应用。随着光热材料的发展，出现了新型高效的太阳能驱动水蒸发系统，可以在不使用复杂光学聚光器的情况下驱动水蒸发，该方式是将光热材料集成到水源中，从而定位光吸收进行热转换，使热量有效传递到周围的水。
太阳能驱动水蒸发系统将太阳能与热能的能量转换定位在空气/液体界面上，因其可以减少热损失并提高能量转换效率，已经被作为传统体积加热蒸发的替代系统。目前，蒸发效率可达到90％以上。然而，太阳能驱动水蒸发的应用也面临着一些重要的挑战，如光热材料在海水、淡水和工业废水中的长期稳定性和耐久性；海水淡化中会发生盐的沉积；水源中的挥发性有机物与冷凝水一起被收集；因此，还需进一步研究具有良好的热/化学稳定性、可回收性和对各种环境兼容性的光热材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜，该膜柔韧性好，具有多孔结构，易于水的运输，并且制备工艺简便，易于量化生产。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
提供一种含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜，其制备方法如下：
S1、将MnO2纳米粒子和盐酸多巴胺超声分散于碱性水溶液中，得到A溶液；
S2、将亲水性高分子溶解于醋酸水溶液中，得到B溶液；
S3、将S1所得A溶液在一小时之内加入到S2所得B溶液中，混合搅拌均匀，取所得混合液置于底部平整的容器中，在-10～-20℃的条件下冷冻，然后在真空条件下冻干，得到含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜。
按上述方案，S1所述MnO2纳米粒子为MnO2纳米线或MnO2纳米管，长度为50～100nm。
按上述方案，S1所述MnO2纳米粒子与盐酸多巴胺的质量比为2～15：3。
按上述方案，S1所述的碱性水溶液pH值为8～9，由三羟基氨基甲烷调节水得到。
按上述方案，S2所述亲水性高分子为壳聚糖或聚乙烯醇。
按上述方案，S2所述醋酸水溶液浓度为0.01～0.02mol/mL。
按上述方案，S2所述B溶液中亲水性高分子的浓度为10～25mg/mL。
按上述方案，S3所述A溶液与B溶液体积比为2～4：1。
本发明还包括上述含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜的制备方法，具体步骤如下：
S1、将MnO2纳米粒子和盐酸多巴胺超声分散于碱性水溶液中，得到A溶液；
S2、将亲水性高分子溶解于醋酸水溶液中，得到B溶液；
S3、将S1所得A溶液在一小时之内加入到S2所得B溶液中，混合搅拌均匀，取所得混合液置于底部平整的容器中，在-10～-20℃的条件下冷冻，然后在真空条件下冻干，得到含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜。
以及上述含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜在太阳能驱动水蒸发领域的应用。可用于海水淡化、污水处理等。
本发明利用多巴胺在碱性条件下自聚成聚多巴胺的特性，将MnO2纳米粒子外面包裹一层聚多巴胺，然后再与亲水性高分子结合，聚多巴胺起到连接MnO2纳米粒子和亲水性高分子的作用，使MnO2纳米粒子与亲水性高分子结合更加紧密。另外，MnO2纳米粒子中的Mn4 +与盐酸多巴胺的螯合作用，也增加了复合膜的稳定性。由于亲水性高分子附着在外表面，改善了复合膜的亲水性。同时，加入的盐酸多巴胺自在碱性条件下自聚成的聚多巴胺是一种高分子近红外吸收材料，在亲水性的基础上又增加了复合膜的吸光性，提高了复合膜的蒸发速率，使其表现出良好的驱动水蒸发的性能。
本发明的有益效果在于：1、本发明提供的含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜柔韧性好，密度低(仅为4×10-3Kg/m3)，轻薄，相比其他双层(一层用于吸热装置，一层用于悬浮装置)装置，本发明的复合膜不需要悬浮装置，可以轻易地漂在水面上，而且遇水能保持复合膜的完整性，用于水蒸发效率高，使用寿命长；2、本发明提供的制备方法工艺简单，不涉及有机溶剂，无废弃副产物产生，绿色环保。
附图说明
图1为本发明实施例1-2及对比例1-2所制备的含MnO2纳米粒子的复合膜的实物图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明实施例和对比例所用MnO2纳米线和MnO2纳米管长度为50～100nm，所用壳聚糖脱乙酰度80.0～95.0％，粘度50～800mPa·s。
实施例1
一种含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜，其制备方法如下：
1)将0.2g的MnO2纳米线和0.06g盐酸多巴胺加入到120mL碱性水溶液(用三羟基氨基甲烷调节pH值为8.5)中，超声分散30min，得到A溶液；
2)将0.5g壳聚糖溶解于32mL浓度为0.01mol/mL的醋酸水溶液中，得到B溶液；
3)按照A溶液和B溶液体积比为4：1的比例将A溶液在一小时之内加入到B溶液中，将所得混合液搅拌均匀，取部分混合液置于培养皿中，在-20℃下冷冻，然后在真空条件下冻干，得到含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜，实物照片如图1a所示，其密度约为4×10-3Kg/m3。
将本实施例制备的含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜对折并施加一定的外力放置12h，撤销外力后，仍然能恢复原状。将膜置于水中浸泡12h后仍能保持膜的完整性，说明该复合膜柔韧性好，在水中稳定性好。
将本实施例制备的含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜裁剪成直径为5cm的圆形膜，然后平铺在有保温层、盛有自来水(室温)的玻璃杯中，然后将玻璃杯放在精度为0.001g天平上，在一个太阳强度下测量30min内水的失重量。每隔5min记录一次质量变化，计算出其蒸发速率为1.2Kg·m-2·h-1，蒸发效率为75.2％。
实施例2
一种含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜，其制备方法如下：
1)将0.2g的MnO2纳米管和0.06g盐酸多巴胺加入到120mL(用三羟基氨基甲烷调节pH值为8.5)的碱性水溶液中，超声分散30min，得到A溶液；
2)将0.5g壳聚糖溶解于32mL浓度为0.01mol/mL的醋酸水溶液中，得到B溶液；
3)按照A溶液和B溶液体积比为4：1的比例将A溶液在一小时之内加入到B溶液中，将所得混合液搅拌均匀，取部分混合液置于培养皿中，在-20℃下冷冻，然后在真空条件下冻干，得到含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜，实物照片如图1b所示，其密度约为4×10-3Kg/m3。
将本实施例制备的含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜对折并施加一定的外力放置12h，撤销外力后，仍然能恢复原状。将膜置于水中浸泡12h后仍能保持膜的完整性，说明该复合膜柔韧性好，在水中稳定性好。
经测试，本实施例制备的含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜(一个太阳强度下、30min内测量)蒸发速率为1.4Kg·m-2·h-1，蒸发效率为87.7％。
实施例3
一种含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜，其制备方法如下：
1)将0.2g的MnO2纳米线和0.06g盐酸多巴胺加入到120mL(用三羟基氨基甲烷调节pH值为8.5)的碱性水溶液中，超声分散30min，得到A溶液；
2)将0.5g壳聚糖溶解于32mL浓度为0.01mol/mL的醋酸水溶液中，得到B溶液；
3)按照A溶液和B溶液体积比为4：2的比例将A溶液在一小时之内加入到B溶液中，将所得混合液搅拌均匀，取部分混合液置于培养皿中，在-20℃下冷冻，然后在真空条件下冻干，得到含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜，其密度约为4×10-3Kg/m3。
将本实施例制备的含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜对折并施加一定的外力放置12h，撤销外力后，仍然能恢复原状。将膜置于水中浸泡12h后仍能保持膜的完整性，说明该复合膜柔韧性好，在水中稳定性好。
经测试，本实施例制备的含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜(一个太阳强度下、30min内测量)蒸发速率为1.3Kg·m-2·h-1，蒸发效率为81.5％。
实施例4
一种含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜，其制备方法如下：
1)将0.2g的MnO2纳米管和0.06g盐酸多巴胺加入到120mL(用三羟基氨基甲烷调节pH值为8.5)的碱性水溶液中，超声分散30min，得到A溶液；
2)将0.5g壳聚糖溶解于32mL浓度为0.01mol/mL的醋酸水溶液中，得到B溶液；
3)按照A溶液和B溶液体积比为4：2的比例将A溶液在一小时之内加入到B溶液中，将所得混合液搅拌均匀，取部分混合液置于培养皿中，在-20℃下冷冻，然后在真空条件下冻干，得到含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜，其密度约为4×10-3Kg/m3。
将本实施例制备的含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜对折并施加一定的外力放置12h，撤销外力后，仍然能恢复原状。将膜置于水中浸泡12h后仍能保持膜的完整性，说明该复合膜柔韧性好，在水中稳定性好。
经测试，本实施例制备的含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜(一个太阳强度下、30min内测量)蒸发速率为1.6Kg·m-2·h-1，蒸发效率为91.6％。
对比例1
一种含MnO2纳米粒子的复合膜(制备过程中不加盐酸多巴胺)，其制备方法如下：
1)将0.2g的MnO2纳米线加入到120mL水中，超声分散30min，得到A溶液；
2)将0.5g壳聚糖溶解于32mL浓度为0.01mol/mL的醋酸水溶液中，得到B溶液；
3)按照A溶液和B溶液体积比为4：1的比例将A溶液在一小时之内加入到B溶液中，将所得混合液搅拌均匀，取部分混合液置于培养皿中，在-20℃下冷冻，然后在真空条件下冻干，得到含MnO2纳米粒子的复合膜，实物照片如图1c所示，其密度约为3.5×10-3Kg/m3。
经测试，本对比例制备的复合膜(一个太阳强度下、30min内测量)蒸发速率为0.4Kg·m-2·h-1，蒸发效率为31.3％。
对比例2
一种含MnO2纳米粒子的复合膜(制备过程中不加盐酸多巴胺)，其制备方法如下：
1)将0.2g的MnO2纳米管加入到120mL水中，超声分散30min，得到A溶液；
2)将0.5g壳聚糖溶解于32mL浓度为0.01mol/mL的醋酸水溶液中，得到B溶液；
3)按照A溶液和B溶液体积比为4：1的比例将A溶液在一小时之内加入到B溶液中，将所得混合液搅拌均匀，取部分混合液置于培养皿中，在-20℃下冷冻，然后在真空条件下冻干，得到含MnO2纳米粒子的复合膜，实物照片如图1d所示，其密度约为4×10-3Kg/m3。
经测试，本对比例制备的复合膜(一个太阳强度下、30min内测量)蒸发速率为0.5Kg·m-2·h-1，蒸发效率为25％。
图1为本发明实施例1-2及对比例1-2所制备的含MnO2纳米粒子的复合膜的实物图，从图中可以看出a和b的完整性效果好于c和d，说明盐酸多巴胺在MnO2纳米粒子和壳聚糖的结合中起到“桥梁”的作用，将两者连接起来，这也就使得MnO2纳米粒子和壳聚糖结合更加紧密，得到的复合膜更加均匀。
本发明所列举的各原料都能实现本发明，以及各原料的上下限取值、区间值都能实现本发明；在此不一一列举实施例。本发明的工艺参数(如温度、时间等)的上下限取值、区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
Claims (10)
1.一种含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜，其特征在于，其制备方法如下：
S1、将MnO2纳米粒子和盐酸多巴胺超声分散于碱性水溶液中，得到A溶液；
S2、将亲水性高分子溶解于醋酸水溶液中，得到B溶液；
S3、将S1所得A溶液在一小时之内加入到S2所得B溶液中，混合搅拌均匀，取所得混合液置于底部平整的容器中，在-10～-20℃的条件下冷冻，然后在真空条件下冻干，得到含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜。
2.根据权利要求1所述的含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜，其特征在于，S1所述MnO2纳米粒子为MnO2纳米线或MnO2纳米管，长度为50～100nm。
3.根据权利要求1所述的含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜，其特征在于，S1所述MnO2纳米粒子与盐酸多巴胺的质量比为2～15：3。
4.根据权利要求1所述的含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜，其特征在于，S1所述的碱性水溶液pH值为8～9，由三羟基氨基甲烷调节水得到。
5.根据权利要求1所述的含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜，其特征在于，S2所述亲水性高分子为壳聚糖或聚乙烯醇。
6.根据权利要求1所述的含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜，其特征在于，S2所述醋酸水溶液浓度为0.01～0.02mol/mL。
7.根据权利要求1所述的含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜，其特征在于，S2所述B溶液中亲水性高分子的浓度为10～25mg/mL。
8.根据权利要求1所述的含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜，其特征在于，S3所述A溶液与B溶液体积比为2～4：1。
9.一种权利要求1-8任一项所述的含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1、将MnO2纳米粒子和盐酸多巴胺超声分散于碱性水溶液中，得到A溶液；
S2、将亲水性高分子溶解于醋酸水溶液中，得到B溶液；
S3、将S1所得A溶液在一小时之内加入到S2所得B溶液中，混合搅拌均匀，取所得混合液置于底部平整的容器中，在-10～-20℃的条件下冷冻，然后在真空条件下冻干，得到含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜。
10.一种权利要求1-8任一项所述的含MnO2纳米粒子的太阳能光驱动水蒸发复合膜在太阳能驱动水蒸发领域的应用。
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