一种基于碳纳米管薄膜的太阳能海水淡化或污水处理方法技术

本发明专利技术公开了一种基于碳纳米管薄膜的太阳能海水淡化或污水处理方法。本发明专利技术以化学气相沉积法直接制备的碳纳米管垂直阵列为原料，经处理得到具有强吸光性和表面亲水性的碳纳米管垂直阵列薄膜；将这种亲水性碳纳米管薄膜置于待处理水表面；由于该碳纳米管薄膜可高效吸光并进行光热转化，从而加热水体引起水的快速蒸发，将该蒸汽冷凝即得到纯化的水。该技术具备绿色环保、过程简便、光热转化效率高、净水速度快、耐久性好等特点，具有广阔的应用前景。

A method of solar desalination or sewage treatment based on carbon nanotube film

The invention discloses a solar sea water desalination or sewage treatment method based on carbon nanotube film. The present invention by chemical vapor deposition method for carbon nanotube vertical array was used as raw material, processed with strong suction vertical carbon nanotubes array film optical properties and surface hydrophilicity; the hydrophilic carbon nanotube film on the surface of the water to be treated; because of the carbon nanotube film can efficiently absorb light and heat conversion thus, the rapid evaporation of heated water caused by water, the steam condensate is purified water. The technology has the characteristics of green environmental protection, simple process, high efficiency of heat and light conversion, fast water purification, good durability and so on, and has broad application prospects.

【技术实现步骤摘要】
一种基于碳纳米管薄膜的太阳能海水淡化或污水处理方法
本专利技术涉及太阳能海水淡化或污水处理
，具体涉及一种基于碳纳米管薄膜的太阳能海水淡化或污水处理技术。
技术介绍
近年来，随着人类对水资源的需求不断增加，很多国家和地区出现不同程度的缺水问题，目前看来最有前景的解决办法是开发利用某些不可用水。太阳能海水淡化或污水处理就是其中最重要的方法之一。作为太阳能海水淡化或污水处理方法的重要分支，蒸馏法具有对原料海水水质要求低、装置的生产能力大、产水纯度高等特点。而传统的水蒸馏法多采用多效蒸发和多级闪蒸技术，需要庞大的装置且海水蒸发效率低，无法满足日益增长的水资源需求。还有一类太阳能海水淡化或污水处理的方法是光热转换方法，主要包括两类：1.利用太阳光对整个水体进行加热，水沸腾后产生水蒸气，通过冷凝水蒸气得到淡水。此方法需要较长时间的光照来加热水体才能得到水蒸气，且由于水体散热会有热损失，因此效率不高。2.使用薄膜材料吸收太阳能并将产生的热传给海水表层，因此减少向内部水的传热损失，从而将表层海水蒸发。进一步的，可以通过设计薄膜材料的结构以提高对太阳能的吸收率和光热转化效率。已报道的薄膜材料主要是金属纳米颗粒为主的复合薄膜材料，但此类材料制作流程复杂、成本高。近年来，碳纳米颗粒构成的复合材料因其优异的吸光性和较高的水蒸气产生效率而得到关注。与金属相比，碳材料更环保且成本更低。碳材料中含有sp2杂化的碳原子，其含有的π-带结构有着优异的光学吸收特性，所以是一种理想的光吸收材料。碳纳米管垂直阵列是碳纳米管薄膜的一种，是世界上最黑的人造材料，其拥有从紫外到红外的超宽光谱范围内(200nm-200μm)几乎恒定(0.98-0.99)的光吸收率。碳纳米管垂直阵列也因此表现得最类似于黑体而在太阳能利用方面具有巨大潜力。利用碳纳米管垂直阵列作为光热转换层可以极大的提高对太阳光的吸收效率。实验表明，碳纳米管垂直阵列可以将吸收的光能大部分转化为热。此外，碳纳米管的另外一个特性——管壁的零摩擦表面，也有助于水在蒸发过程中的快速流动，这可以进一步加快水的蒸发，从而提高太阳能海水淡化或污水处理效率。本专利技术所制备的碳纳米管薄膜的净水效率最高可达90％。
技术实现思路
针对现有技术的不足之处，本专利技术的目的是提出一种基于碳纳米管薄膜材料的太阳能海水淡化或污水处理方法。本专利技术以化学气相沉积法直接制备的碳纳米管薄膜(例如碳纳米管垂直阵列)为原料，经处理得到具有强吸光性和表面亲水性的碳纳米管垂直阵列薄膜；将这种亲水性碳纳米管薄膜置于待处理水表面；由于该碳纳米管薄膜可高效吸光并进行光热转化，从而加热水体引起水的快速蒸发，将该蒸汽冷凝即得到纯化的水。该技术具备绿色环保、过程简便、光热转化效率高、净水速度快、耐久性好等特点，具有广阔的应用前景。本专利技术第一方面提供一种基于碳纳米管薄膜的太阳能海水淡化或污水处理方法，包括将亲水性碳纳米管薄膜置于水体表面用于吸收太阳光，将光能转化为热能从而引起水分蒸发，将蒸汽冷凝即得到纯净水。进一步地，上述方法既可在太阳光光照条件下进行，也可在人工光源等光照条件下进行。进一步地，所述亲水性碳纳米管薄膜的碳管末端带有较多的含氧官能团。本专利技术第二方面提供一种海水淡化或污水处理装置，该装置以亲水性碳纳米管薄膜为光热转换层；具体地，所述装置包括透光罩、作为光热转换层的亲水性碳纳米管薄膜、待处理水进入口、淡水输出口；所述亲水性碳纳米管薄膜的碳管末端带有较多的含氧官能团。该装置优选为密封装置，为减少水蒸汽的损失，可仅设有进水口和出水口与外界相通。进一步地，所述透光罩为透明材料制作成，可以优选为玻璃。进一步地，所述装置还包括绝热层；所述绝热层可为双层真空玻璃。上述海水淡化或污水处理装置使用方法包括：将待处理水注入该装置中，将所述亲水性碳纳米管薄膜设置于待处理水体表面，或进一步将绝热层设置于所述亲水性碳纳米管薄膜下部，然后盖上透光罩，置于光照条件下；所产生的水蒸气凝结在透光罩下表面，通过冷凝回流经淡水输出口得到纯净水或淡水。本专利技术第三方面提供一种亲水性碳纳米管薄膜，其碳管末端带有较多的含氧官能团。进一步地，所述亲水性碳纳米管薄膜表面的接触角为0°-90°，优选为50°。进一步地，所述亲水性碳纳米管薄膜中碳纳米管阵列的纵向(指垂直于基底方向)间距为40-190nm。所述亲水性碳纳米管薄膜可由碳纳米管薄膜经等离子体氧化处理而制得。进一步地，所述碳纳米管薄膜为可独立支撑的薄膜材料，其中的碳纳米管可以无规则排列或者平行排列为碳纳米管阵列。更进一步地，所述碳纳米管阵列为碳纳米管垂直阵列(又称为碳纳米管森林)，是指碳纳米管与生长基板形成垂直取向排列的碳纳米管的集合体，是由取向一致、高度一致、有序排列的碳纳米管组成的宏观体。当所述碳纳米管薄膜为碳纳米管垂直阵列时，一般需要先将碳纳米管垂直阵列进行高温氧化处理，使得碳纳米管垂直阵列从生长基底上分离出来，得到可自支撑的碳纳米管垂直阵列薄膜；再进行等离子体氧化处理，制得亲水性碳纳米管薄膜(其碳管末端带有较多的含氧官能团)。当所述碳纳米管薄膜为碳纳米管垂直阵列时，也可以将碳纳米管薄膜经氢氟酸刻蚀处理，制得亲水性碳纳米管薄膜(其碳管末端带有较多的含氧官能团)。进一步地，高温氧化处理所使用的气体氛围为氩气和氧气，其中氧气通入量小于2％。进一步地，所述高温氧化处理温度一般为300-1000℃，优选为750℃；处理时间一般为5-10min。所述高温氧化处理可在管式加热炉中进行。高温氧化处理的主要目的是分离碳纳米管阵列和生长基底，得到可自支撑的碳纳米管垂直阵列薄膜。所述等离子体氧化(也称等离子体刻蚀)所使用的气体是空气，功率在50-60w，氧化时间为120-300s。所述等离子体氧化的主要目的是使碳管末端带上较多的含氧官能团而变得亲水。进一步地，所述氢氟酸刻蚀过程中所用所用的氢氟酸溶液的质量浓度为5-30％，优选为10％。刻蚀时间一般为1-10min，优选为2min。经氢氟酸刻蚀，使碳纳米管垂直阵列与基底分离，使得碳管末端带上较多的含氧官能团而变得亲水。本专利技术第四方面提供一种亲水性碳纳米管薄膜的制备方法，该制备方法包括将碳纳米管垂直阵列依次进行高温氧化处理和等离子体氧化处理而制得；或者所述制备方法包括将碳纳米管垂直阵列进行氢氟酸刻蚀而制得；使所制得的亲水性碳纳米管薄膜的碳管末端带有较多的含氧官能团。具体地，上述亲水性碳纳米管薄膜的制备方法可选以下任一种，方法1，包括：S1、将碳纳米管垂直阵列置于反应容器(例如管式加热炉)中进行高温氧化，高温氧化所使用的气体氛围为氩气和氧气，其中氧气通入量小于2％；高温氧化温度一般为300-1000℃，优选为750℃；高温氧化时间一般为5-10min；S2、待步骤S1反应容器温度降至室温后，将高温氧化后的碳纳米管垂直阵列从基底上取下，进行等离子体氧化，使碳管末端带上较多的含氧官能团而变得亲水；等离子体氧化过程使用的气体是空气，功率在50-60w，氧化时间为120-300s；方法2，包括：将碳纳米管垂直阵列放入氢氟酸中进行刻蚀，使碳纳米管垂直阵列与基底分离并同时获得亲水性；刻蚀所用的氢氟酸溶液的浓度为5-30％，优选为10％；刻蚀时间一般为1-10min，优选为2min。本专利技术所用碳纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于碳纳米管薄膜的太阳能海水淡化或污水处理方法，其特征在于，包括将亲水性碳纳米管薄膜置于水体表面用于吸收太阳光，将光能转化为热能从而引起水分蒸发，将蒸汽冷凝即得到纯净水；所述亲水性碳纳米管薄膜的碳管末端带有含氧官能团。

【技术特征摘要】
1.一种基于碳纳米管薄膜的太阳能海水淡化或污水处理方法，其特征在于，包括将亲水性碳纳米管薄膜置于水体表面用于吸收太阳光，将光能转化为热能从而引起水分蒸发，将蒸汽冷凝即得到纯净水；所述亲水性碳纳米管薄膜的碳管末端带有含氧官能团。2.一种海水淡化或污水处理装置，其特征在于，包括透光罩、作为光热转换层的亲水性碳纳米管薄膜、待处理水进入口、淡水输出口；所述亲水性碳纳米管薄膜的碳管末端带有含氧官能团。3.根据权利要求2所述的海水淡化或污水处理装置，其特征在于，所述装置还包括绝热层；优选地，所述绝热层可为双层真空玻璃。4.一种亲水性碳纳米管薄膜，其碳管末端带有含氧官能团。5.根据权利要求4所述的亲水性碳纳米管薄膜，其表面的接触角为0°-90°，优选为50°；和/或，所述亲水性碳纳米管薄膜中碳纳米管阵列的纵向间距为40-190nm。6.根据权利要求4或5所述的亲水性碳纳米管薄膜，其特征在于，所述碳纳米管薄膜为可独立支撑的薄膜材料，其中的碳纳米管以无规则排列或者平行排列为碳纳米管阵列；优选地，所述碳纳米管阵列为碳纳米管垂直阵列。7.权利要求4-6任一项所述亲水性碳纳米管薄膜的制备方法，其特征在于，所述亲水性碳纳米管薄膜由碳纳米管薄膜经等离子体氧化处理而制得；优选地，所述等离子体氧化所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张莹莹，訚哲，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11