一种光热薄膜及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种光热薄膜及其制备方法与应用，所述光热薄膜包括生物质碳膜和亲水膜，所述生物质碳膜设置在亲水膜的表面；所述生物质碳膜中，碳的原子百分数为66～82％，氧的原子百分数为16～31％，其余为氮。所述制法包括以下步骤：对生物质进行碳化得到具有宽光谱吸收的生物质碳材料；将生物质碳材料转移至亲水膜表面，形成生物质碳膜。本发明专利技术还公开了一种光热薄膜在在水处理中的应用。本发明专利技术采用的制备方法简单，容易大量制备，且在制备过程中对制备设备的要求低，可控性强，重复性好；生物质具有分布范围广、廉价易得等优点，成本低；使用自组装发方法得到液态薄膜，可使碳化生物质均匀分布，并且容易实现大尺寸薄膜的制备。并且容易实现大尺寸薄膜的制备。并且容易实现大尺寸薄膜的制备。

【技术实现步骤摘要】
一种光热薄膜及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及光热薄膜领域，具体为一种光热薄膜及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]随着人口的增加和环境的恶化，淡水资源越来越短缺。高效获取淡水的方法，主要集中在两个方面：一是海水淡化；二是工业废水处理。目前主要海水淡化的方法有：反渗透(SWRO)、多级闪蒸(MSF)、多效蒸发(MED)和压汽蒸馏(VC)等。其中，反渗透海水淡化出水水质不高，并且要求严格的预处理工艺，而其他的海水淡化技术要求较高的电力资源的消耗，占用大片土地、成本高。而目前主要的工业废水处理技术有：物理法(吸附法、膜分离法、磁分离法)；化学法(电化学、光化学与光催化氧化法、Fenton及类Fenton氧化法等)；生物法(厌氧法、好氧法、厌氧-好氧联合法)等。其中物理法再生性差，费用较高；化学法需要电力资源或者大量化学试剂的消耗，具有能耗高，花费大，且有可能造成二次污染的缺点；而生物法对处理对象的选择性较高，对可生物性差的对象一般很难去除，处理时间长，效果不稳定，抗冲击能力差等。
[0003]太阳能作为丰富的自然资源，取之不尽用之不竭，有非常宽的光谱，不消耗石油、天然气、煤炭等常规能源，对能源紧缺、环保要求高的全世界都有很大应用价值。利用光热效应将太阳能转换为热能驱动界面水蒸发已成为一种较为高效的水处理方式，与目前市面上传统的水处理方式相比，具有低成本、绿色清洁、便携等优点。到目前为止，三种主要类型的光热材料已用于太阳能驱动水蒸发：等离子体金属、半导体和碳基材料。但是，由于上述纳米材料制作工艺复杂、成本高，使得大尺寸光热薄膜制备成为挑战，并且大多数光热薄膜还存在着在复杂环境下很难维持其使用寿命的缺点，因此难以商用。
[0004]对于上述各种水处理技术、传统光热材料存在的瓶颈及不足，如何提高基于光热材料的水蒸发效率，制备廉价、可扩展、可重复利用的光热薄膜已成为研究的热点课题。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术的目的是提供一种成本低廉、稳定性好、透气性好、能够重复使用的光热薄膜，本专利技术的另一目的是提供一种简单方便、可控性好、环境友好的光热薄膜的制备方法，本专利技术的再一目的是提供一种光热薄膜在在水处理中的应用。
[0006]技术方案：本专利技术所述一种光热薄膜，包括生物质碳膜和亲水膜，生物质碳膜设置在亲水膜的表面；生物质碳膜中，碳的原子百分数为66～82％，氧的原子百分数为16～31％，其余为氮。
[0007]其中，亲水膜的水接触角小于45度，具有毛细现象。亲水膜优选为打印纸(由植物纤维、填料、胶料、色料等组成)、纤维素膜、聚四氟乙烯膜和乙酸膜中的任意一种。
[0008]上述光热薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一，对生物质进行碳化得到具有宽光谱吸收的生物质碳材料，碳化方法包括
高温热解和浓酸脱水；
[0010]步骤二，将生物质碳材料转移至亲水膜表面，形成生物质碳膜，转移包括界面辅助转移和真空抽滤，形成生物质碳膜时优选真空抽滤。
[0011]步骤一的高温热解包括以下步骤：
[0012](1)将生物质剪成小块，用自来水冲洗，自然晾干；
[0013](2)接着将上述生物质装入陶瓷罐，盖上盖子，在管式炉中加热到400～800℃，真空或保护气体环境下保温2～3h，得到生物质碳材料。
[0014]其中，生物质为丝瓜络、海带或树叶。保护气体为氮气或氩气。
[0015]步骤一的浓酸脱水包括以下步骤：
[0016](1)将生物质剪成小块，用自来水冲洗，自然晾干；
[0017](2)接着将上述生物质与浓酸按质量比1:15～20混合，室温下搅拌2～10h后，按0.032～0.088mL/s的速度滴加水洗涤溶液至中性，离心取沉淀，干燥后得到生物质碳材料。
[0018]步骤二的界面辅助转移包括以下步骤：
[0019](1)将步骤一所得生物质碳材料研磨后，在无水乙醇溶液中超声分散3～8h，得到浓度为2.9～4mg/ml的生物质碳的乙醇悬浮液；
[0020](2)利用固定体积注射法将生物质碳的乙醇悬浮液分散于水面，形成自组装的生物质碳膜；
[0021](3)将亲水性膜置于自组装的生物质碳膜的表面，待亲水膜完全浸湿后缓慢掀起脱离水面，室温下干燥，得到光热薄膜。
[0022]重复(2)和(3)，能够制备具有不同生物质碳膜层数的光热薄膜。亲水膜单位面积上生物质碳的质量，并不是越大越好，生物质碳沉积的太多，阻碍水蒸发通道，使得水蒸发效率下降；生物质碳沉积的太少，光吸收低，使得水蒸发效率降低。
[0023]步骤二的真空抽滤包括以下步骤：
[0024](1)将步骤一所得生物质碳材料研磨后，在聚乙烯醇水溶液中超声分散3～8h，得到浓度为10～15mg/ml的生物质碳的分散液；
[0025](2)将所得分散液进行真空抽滤，使得生物质碳膜均匀的沉积在亲水膜上，室温干燥后形成光热薄膜；
[0026](3)对光热薄膜进行表面氧等离子处理2～10分钟，功率为30～45W，得到均匀地生物质碳光热薄膜，得到均匀地生物质碳光热薄膜。
[0027]上述光热薄膜在在水处理中的应用，滤纸将储水池中的水输送至光热薄膜表面，当太阳等宽光谱光源照射在光热薄膜上时，该光热薄膜吸收光源释放出的光能并转换为热能。利用转换得到的热能加热由滤纸输送上来的界面水，产生蒸汽，产生的蒸汽经过冷凝流入集水池，最终达到获取纯水的目的。
[0028]工作原理：利用简单的高温热解机理或酸脱水方法对生物质进行碳化，得到具有宽光谱吸收的生物质碳材料。通过简单的界面辅助转移，可将在空气/水界面上自组装的液态生物质碳膜转移到亲水膜表面，形成稳定的柔性光热薄膜；或通过真空抽滤的方式将生物质碳沉积于亲水膜表面，利用聚乙烯醇改性，得到亲水性的、稳定性高的光热薄膜。对光热薄膜进行表面氧等离子处理，进一步提高其亲水性。该光热层具有良好的光热效应，能够将光能转换为热能，加热界面水，产生蒸汽，可广泛用于海水淡化以及工业废水处理。
[0029]有益效果：本专利技术和现有技术相比，具有如下显著性特点：
[0030]1、采用的制备方法简单，容易大量制备，且在制备过程对制备设备的要求低，可控性强，重复性好；
[0031]2、生物质具有分布范围广、廉价易得等优点，用它制备出的光热薄膜成本低，并且随着制备规模的扩大，成本还可进一步降低；
[0032]3、使用自组装发方法得到液态薄膜，可使碳化生物质均匀分布，并且容易实现大尺寸薄膜的制备；
[0033]4、使用浓酸脱水的方法制备碳化生物质材料，无温室气体排放，绿色环保；
[0034]5、制备的光热薄膜为超亲水的，且为柔性可弯曲的，结构稳定，可以多次重复使用，可以抵抗水流的冲洗，透气性好，有利于水蒸气的产生与收集；
[0035]6、所制备的光热薄膜在水处理上更加节约资源，对环境更加友好，能够适用于多种复杂环本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光热薄膜，其特征在于：包括生物质碳膜(1)和亲水膜(2)，所述生物质碳膜(1)设置在亲水膜(2)的表面；所述生物质碳膜(1)中，碳的原子百分数为66～82％，氧的原子百分数为16～31％，其余为氮。2.根据权利要求1所述的一种光热薄膜，其特征在于：所述亲水膜(2)的水接触角小于45度，具有毛细现象。3.根据权利要求1所述的一种光热薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，对生物质进行碳化得到具有宽光谱吸收的生物质碳材料；步骤二，将生物质碳材料转移至亲水膜(2)表面，形成生物质碳膜(1)。4.根据权利要求3所述的一种光热薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，碳化方法包括高温热解和浓酸脱水。5.根据权利要求4所述的一种光热薄膜的制备方法，其特征在于：所述高温热解包括以下步骤，将生物质剪成小块，用自来水冲洗，自然晾干；接着将上述生物质装入陶瓷罐，盖上盖子，在管式炉中加热到400～800℃，真空或保护气体环境下保温2～3h，得到生物质碳材料。6.根据权利要求4所述的一种光热薄膜的制备方法，其特征在于：所述浓酸脱水包括以下步骤，将生物质剪成小块，用自来水冲洗，自然晾干；接着将上述生物质与浓酸按质量比1:15～20混合，室温下搅拌2～10h后，按0.032～0...

【专利技术属性】
技术研发人员：单晓莉，甘志星，刘慈慧，狄云松，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：