CN115259268B - 一种基于三明治结构薄膜的蒸发器及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三明治结构薄膜的蒸发器及其制备方法和应用，该蒸发器的制备方法包括：利用HF和Ti3AlC2制备MXene；配制两份MXene溶液和一份GO溶液，将一份MXene溶液倒入配置有PVDF膜的真空过滤装置中，抽滤，再倒入GO溶液，抽滤，再倒入另一份MXene溶液，抽滤，得到MXene‑GO‑MXene@PVDF膜；将疏水剂涂抹于MXene‑GO‑MXene@PVDF膜的背面，得到MXene‑GO‑MXene@PVDF/SA膜；将MXene‑GO‑MXene@PVDF/SA膜与包裹有脱脂棉的聚乙烯泡沫相结合，得到蒸发器；该蒸发器能够提高海水蒸发效率，且能够实现全天候海水淡化。
Description
技术领域
本发明涉及界面式太阳能海水淡化技术领域，具体是一种基于三明治结构薄膜的蒸发器及其制备方法和应用。
背景技术
目前全球大约有21亿人口缺乏健康的饮用水，我国也是世界上的贫水国之一。尽管海洋面积占到地球表面积的75％，但是适合人类和动物直接饮用的淡水资源仅占总体水资源的2.5％，且其中一部分水是很难直接获取的。海水淡化水中不含有毒物质，经淡化处理过后的海水可以作为饮用水直接供给，随着水资源匮乏问题日益严峻，海水淡化技术的发展逐渐受到重视。
目前传统的海水淡化技术，如反渗透、机械蒸汽压缩、热蒸汽压缩和电渗析法等，处理过程过于复杂，并且需要很高的耗能。比如海水反渗透技术，运行一次需要3kWh·m-3的能量，并且产出每立方米水排放1.4kg的温室气体CO2，与绿色环保的发展理念相悖。与其他能源相比，太阳能具有能耗低、操作简单以及过程无污染的特点，因此采用太阳能作为动力源是非常有前景的一项工作。
目前，太阳能海水淡化系统主要有两种。一种是传统的蒸发系统，如利用太阳热收集器将光能转换成为热能，加热海水使其蒸发。此方法成本较高，且对周围环境有一定程度的影响。另一种是基于纳米材料的新型蒸发系统，该系统主要利用纳米材料优异的光吸收性能和良好的光热转换效率，比传统的蒸发系统表现出更好的蒸发性能。新型蒸发系统中的界面式蒸发系统是基于“热局部化”来提高海水淡化效率。光热界面水蒸发作为一种新型、绿色、可持续的太阳能淡化水处理技术，在近年来被广泛关注。
在热能管理方面，余桂华团队报道了构建分子网络减少水的蒸发焓，降低蒸汽的能量需求，能够使水蒸发速率显著提高。中国科学技术大学俞书宏院士团队提出了仿生荷叶上下表面对水的相反的润湿性结构，该设计使水的汽化焓低至1846J·g-1，大幅提升了蒸发效率。在水运输管理方面，北京理工大学曲良体教授课题组利用定向冷冻技术制备均匀直立排布的石墨烯薄膜，在一个太阳单位下的转换效率高达86.5％。南京大学朱嘉教授团队研究了多孔结构碳化蘑菇的蒸发性能，该结构提供了理想的供水渠道，在1个标准的阳光辐照下，能够实现78％的蒸发效率。这些研究通过设计独特水输运结构来提高水蒸发性能，但大部分器件结构设计适用的材料范围较窄，结构制备难度大，且缺乏系统的理论支撑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于三明治结构薄膜的蒸发器及其制备方法和应用，能够提高海水蒸发效率，且能够实现全天候海水淡化。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种基于三明治结构薄膜的蒸发器的制备方法，包括：
于HF水溶液中加入Ti3AlC2粉末，然后置于超声波水浴槽中进行超声刻蚀处理，将所得的产物Ti3C2Tx进行离心洗涤至中性，之后经冷冻干燥、研磨，即得MXene；
将MXene和CTAB(十六烷基三甲基溴化铵，是一种阳离子表面活性剂)加入去离子水中，超声搅拌均匀，得到第一份A溶液；重复上述操作，配制第二份A溶液；将GO加入去离子水中，混匀，得到B溶液；将第一份A溶液倒入配置有PVDF膜的真空过滤装置中，抽滤，接着将B溶液倒入真空过滤装置中，继续抽滤，再将第二份A溶液倒入真空过滤装置中，继续抽滤，即得MXene-GO-MXene@PVDF(MGM@PVDF)膜；
将SA(硬脂酸)溶于乙醇中，得到疏水剂，将疏水剂涂抹于MXene-GO-MXene@PVDF膜的背面，干燥过夜，即得MXene-GO-MXene@PVDF/SA膜；
将脱脂棉包裹于聚乙烯泡沫上，之后通过粘结剂与MXene-GO-MXene@PVDF/SA膜相结合，即得MXene-GO-MXene@PVDF/SA三明治结构薄膜的蒸发器。
进一步的，MXene-GO-MXene膜包括下层Mxene、中间层GO和上层Mxene，下层Mxene、中间层GO和上层Mxene的质量比为3.3-3.8:2.8-3.2:3.3-3.8。
进一步的，下层Mxene、中间层GO和上层Mxene的质量比为3.5:3:3.5；当上层Mxene和下层Mxene的总质量与中间层GO的质量之比为7:3时，MXene-GO-MXene膜能够表现出最高的吸光率。
进一步的，Ti3AlC2粉末与HF水溶液的质量体积比为1:30g/mL，HF水溶液的质量百分比浓度为40％。
进一步的，超声波水浴槽中水温保持在40℃以下；超声波水浴槽所用的超声机的功率为400-600W，频率为23-27kHz，目的是使HF水溶液与Ti3AlC2粉末能够充分混匀，并能够充分进行反应。
进一步的，冷冻干燥的时间为11-13h，目的是使所得的产物Ti3C2Tx能够充分进行脱水。
进一步的，SA与乙醇的质量体积比为1:50g/mL，目的是使SA能够充分溶解于乙醇当中。
进一步的，聚乙烯泡沫的厚度为1cm，起到输水、隔热和自漂浮的作用。
第二方面，本发明提供了上述方法制备得到的MXene-GO-MXene@PVDF/SA三明治结构薄膜的蒸发器。
第三方面，本发明提供了上述的MXene-GO-MXene@PVDF/SA三明治结构薄膜的蒸发器在海水淡化中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种基于三明治结构薄膜的蒸发器及其制备方法和应用，疏水剂涂抹于MXene-GO-MXene@PVDF膜的背面，使MXene-GO-MXene@PVDF膜的背面由亲水状态变为疏水状态，疏水性PVDF膜可以有效地隔离海水和MXene-GO-MXene膜，可以避免发生MXene-GO-MXene膜的电离、水解、降解以及盐分的累积，疏水性PVDF膜作为海水和MXene-GO-MXene膜之间的物理屏障，只允许水蒸气通过MXene-GO-MXene膜；包裹有脱脂棉的聚乙烯泡沫作为MXene-GO-MXene膜的支撑层，可以显著减少蒸发过程中的热量损失，低导热率的聚乙烯泡沫作为隔热层，起到隔热的作用，脱脂棉起到输水的作用，可以作为水的运输通道；该蒸发器中的MXene具有高的光吸收能力和高的表面粗糙度，使得该蒸发器在太阳光照射下可快速蒸发海水；另外，MXene还具有较高的电负性，有助于促进焦耳热效应，当水蒸气在MXene-GO-MXene膜的多孔结构中流动时，该蒸发器能够产生电能，当在阳光不充足的环境(例如阴雨天或者黑暗的环境)中时，可通过耦合焦耳热转换继续对海水进行蒸发，实现全天候海水淡化。
附图说明
图1是本发明实施例1所制得的MXene-GO-MXene@PVDF/SA三明治结构薄膜的蒸发器的结构示意图；
图2是本发明实施例1所制得的MXene-GO-MXene@PVDF膜的不同形态图；
图3是静置8天后，Nitzschia(菱形藻)粘附于五种不同膜(PVDF膜、MXene@PVDF膜、GO@PVDF膜、MXene-GO-MXene@PVDF膜和GO-MXene-GO@PVDF膜)上的典型光学显微镜图像。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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：
一种基于三明治结构薄膜的蒸发器的制备方法，包括：
量取30mL HF水溶液(HF水溶液的质量百分比浓度为40％)倒入50mL聚四氟乙烯烧杯中，再缓慢加入1g Ti3AlC2粉末，用塑料薄膜对聚四氟乙烯烧杯进行封口，然后将聚四氟乙烯烧杯置于超声波水浴槽中，使用功率为500W，频率为25kHz的超声机进行超声刻蚀处理，超声波水浴槽中水温保持在38℃，超声结束后，将聚四氟乙烯烧杯当中的溶液倒入50mL的离心管中进行离心，重复离心至上层清液为中性，将得到的沉淀物放入冷冻干燥机中干燥12h，取出最终产物Ti3C2Tx，研磨，即得MXene；
将3.5mg MXene和2mg CTAB放入200mL烧杯中，再向烧杯中加入100mL去离子水，然后超声搅拌均匀，得到第一份A溶液；重复上述操作，配制第二份A溶液；将3mg GO加入100mL去离子水中，混匀，得到稳定的B溶液；将第一份A溶液倒入配置有PVDF膜的真空过滤装置中，抽滤，接着将B溶液倒入真空过滤装置中，继续抽滤，再将第二份A溶液倒入真空过滤装置中，继续抽滤，即得MXene-GO-MXene@PVDF膜；
将0.6g SA溶于30mL乙醇中，得到疏水剂，然后用刷子蘸取适量的疏水剂均匀涂抹于MXene-GO-MXene@PVDF膜的背面，干燥过夜，即得MXene-GO-MXene@PVDF/SA膜；
将脱脂棉包裹于1cm厚的聚乙烯泡沫上，之后通过粘结剂与MXene-GO-MXene@PVDF/SA膜相结合，即得MXene-GO-MXene@PVDF/SA三明治结构薄膜的蒸发器。
图1是本发明实施例1所制得的MXene-GO-MXene@PVDF/SA三明治结构薄膜的蒸发器的结构示意图。
图2是本发明实施例1所制得的MXene-GO-MXene@PVDF膜的不同形态图。从图2可以看出：MXene-GO-MXene@PVDF膜经反复弯曲折叠后不损坏，并且当MXene-GO-MXene@PVDF膜自由切割成各种形状时，MXene-GO-MXene@PVDF膜不会掉落。实验结果表明：MXene-GO-MXene@PVDF膜可以加工成不同的形态和结构，以适应各种设备。
将MXene-GO-MXene@PVDF膜在不同pH值的溶液中浸泡48h后，通过光学显微镜观察MXene-GO-MXene@PVDF膜的表面。在强酸(pH＝1)和强碱(pH＝11)的条件下，MXene-GO-MXene@PVDF膜的表面仅发生轻微变化，在其他酸碱(pH＝3、5、7或9)的条件下，MXene-GO-MXene@PVDF膜的表面基本没有变化。实验结果表明：MXene-GO-MXene@PVDF膜对酸碱溶液具有优异稳定性。
仿照实施例1中MXene-GO-MXene@PVDF膜的制备方法分别制备PVDF膜、MXene@PVDF膜、GO@PVDF膜和GO-MXene-GO@PVDF(GMG@PVDF)膜，并将上述5种膜分别与含有Nitzschia(菱形藻)藻类的模拟海水一起进行培养实验，培养一段时间之后，通过荧光显微镜在血细胞计数器上计数Nitzschia的浓度，并通过荧光显微镜观察Nitzschia在裸露的5种膜表面上的附着情况，评定5种膜的抗粘附性能。图3是静置8天后，Nitzschia粘附于五种膜上的典型光学显微镜图像，从图3中可以看出：MXene@PVDF膜和MXene-GO-MXene@PVDF膜的抗藻性能明显优于PVDF膜、GO@PVDF膜和GO-MXene-GO@PVDF膜的抗藻性能。实验结果表明：MXene-GO-MXene@PVDF膜具有良好的生物相容性。
表1为MXene-GO-MXene@PVDF膜和GO-MXene-GO@PVDF膜的光学性能结果。
表1 MXene-GO-MXene@PVDF膜和GO-MXene-GO@PVDF膜的光学性能结果
| 表面粗糙度 | 热发射率 | |
| MXene-GO-MXene@PVDF膜 | 431.8mm | 0.509 |
| GO-MXene-GO@PVDF膜 | 311.5mm | 0.786 |
从表1中可以看出：MXene-GO-MXene@PVDF膜中，当上层Mxene和下层Mxene的总质量与中间层GO的质量之比为7:3时，MXene-GO-MXene@PVDF膜具有高的光吸收能力和高的表面粗糙度，表现出最高的吸光率。
仿照实施例1中MXene-GO-MXene@PVDF/SA三明治结构薄膜的蒸发器的制备方法分别制备GO-MXene-GO@PVDF/SA三明治结构薄膜的蒸发器和MXene-GO@PVDF/SA三明治结构薄膜的蒸发器，在蒸发过程中，当水蒸气通过MXene-GO-MXene膜、GO-MXene-GO膜和MXene-GO膜孔隙时，MXene-GO-MXene膜、GO-MXene-GO膜和MXene-GO膜均会形成双电层，表2为上述三种不同蒸发器产生的平均电压结果。
表2三种不同蒸发器产生的平均电压结果
| 平均电压 | |
| MXene-GO-MXene@PVDF/SA蒸发器 | 218.5mV |
| GO-MXene-GO@PVDF/SA蒸发器 | 134.6mV |
| MXene-GO@PVDF/SA蒸发器 | 134.5mV |
从表2中可以看出：MXene-GO-MXene@PVDF/SA三明治结构薄膜的蒸发器表现出比GO-MXene-GO@PVDF/SA三明治结构薄膜的蒸发器和MXene-GO@PVDF/SA三明治结构薄膜的蒸发器具有更高的电压，MXene-GO-MXene@PVDF/SA三明治结构薄膜的蒸发器产生的电流可达0.85nA，实验结果表明：MXene-GO-MXene@PVDF/SA三明治结构薄膜的蒸发器可产生较高的焦耳热效应。
应用例：
室内实验：使用AM1.5的太阳能模拟器，采用光强计来调节太阳能模拟器的光强，容器选择杜瓦瓶。
室外实验：选择开阔的屋顶。连续半个月的户外强光实验测试表明：MXene-GO-MXene@PVDF/SA三明治结构薄膜的蒸发器蒸发率的变化与当天最高温度(即最高日照强度)的变化是一致的。
弱光实验：将MXene-GO-MXene@PVDF/SA三明治结构薄膜的蒸发器分别置于单独0.5倍太阳光、单独5V电压及0.5倍太阳光和5V电压组合的条件下，来研究MXene-GO-MXene@PVDF/SA三明治结构薄膜的蒸发器蒸发界面的温度和湿度变化，实验结果如表3所示。
表3 MXene-GO-MXene@PVDF/SA蒸发器在三种不同条件下的蒸发率
从表3中可以看出：在0.5倍太阳光和5V电压组合的条件下，MXene-GO-MXene@PVDF/SA三明治结构薄膜的蒸发器蒸发界面的蒸发率可达2.12kg·m-2·h-1，超过了在单独0.5倍太阳光和单独5V电压的条件下，MXene-GO-MXene@PVDF/SA三明治结构薄膜的蒸发器蒸发界面的蒸发率之和。实验结果表明：MXene-GO-MXene@PVDF/SA三明治结构薄膜的蒸发器通过太阳光耦合焦耳热效应驱动的蒸发系统可以有效地提高蒸发界面的温度，从而提高蒸发速率，实现全天候海水淡化。另外，如果是在0.5倍太阳光和36V电压组合的条件下，MXene-GO-MXene@PVDF/SA三明治结构薄膜的蒸发器蒸发界面的蒸发率可达10.5kg·m-2·h-1。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (9)
1.一种基于三明治结构薄膜的蒸发器的制备方法，其特征在于，包括：
于HF水溶液中加入Ti3AlC2粉末，然后置于超声波水浴槽中进行超声刻蚀处理，将所得的产物Ti3C2Tx进行离心洗涤至中性，之后经冷冻干燥、研磨，即得MXene；
将MXene和CTAB加入去离子水中，超声搅拌均匀，得到第一份A溶液；重复上述操作，配制第二份A溶液；将GO加入去离子水中，混匀，得到B溶液；将第一份A溶液倒入配置有PVDF膜的真空过滤装置中，抽滤，接着将B溶液倒入真空过滤装置中，继续抽滤，再将第二份A溶液倒入真空过滤装置中，继续抽滤，即得MXene-GO-MXene@PVDF膜；
将SA溶于乙醇中，得到疏水剂，将疏水剂涂抹于MXene-GO-MXene@PVDF膜的背面，干燥过夜，即得MXene-GO-MXene@PVDF/SA膜；
将脱脂棉包裹于聚乙烯泡沫上，之后通过粘结剂与MXene-GO-MXene@PVDF/SA膜相结合，即得MXene-GO-MXene@PVDF/SA三明治结构薄膜的蒸发器；
所述MXene-GO-MXene膜包括下层Mxene、中间层GO和上层Mxene，所述下层Mxene、中间层GO和上层Mxene的质量比为3.3-3.8:2.8-3.2:3.3-3.8。
2.根据权利要求1所述的一种基于三明治结构薄膜的蒸发器的制备方法，其特征在于，所述下层Mxene、中间层GO和上层Mxene的质量比为3.5:3:3.5。
3.根据权利要求1所述的一种基于三明治结构薄膜的蒸发器的制备方法，其特征在于，所述Ti3AlC2粉末与HF水溶液的质量体积比为1:30g/mL，所述HF水溶液的质量百分比浓度为40%。
4.根据权利要求1所述的一种基于三明治结构薄膜的蒸发器的制备方法，其特征在于，所述超声波水浴槽中水温保持在40℃以下；所述超声波水浴槽所用的超声机的功率为400-600W，频率为23-27kHz。
5.根据权利要求1所述的一种基于三明治结构薄膜的蒸发器的制备方法，其特征在于，所述冷冻干燥的时间为11-13h。
6.根据权利要求1所述的一种基于三明治结构薄膜的蒸发器的制备方法，其特征在于，所述SA与乙醇的质量体积比为1:50g/mL。
7.根据权利要求1所述的一种基于三明治结构薄膜的蒸发器的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯泡沫的厚度为1cm。
8.权利要求1至7中任一项所述的方法制备得到的MXene-GO-MXene@PVDF/SA三明治结构薄膜的蒸发器。
9.权利要求8所述的MXene-GO-MXene@PVDF/SA三明治结构薄膜的蒸发器在海水淡化中的应用。
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| A bio-inspired nanocomposite membrane with improved light-trapping and salt-rejecting performance for solar-driven interfacial evaporation applications;Ying et al.;Nano Energy;第89卷;1-10 * |
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