一种双层结构的石墨烯光热膜、其制备方法、应用及海水淡化装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种双层结构的石墨烯光热膜及其制备方法，包括以下步骤：在衬底上沉积氧化石墨烯薄膜，采用闪光灯对所述氧化石墨烯薄膜的表层进行闪光还原，得到具有三维孔结构的石墨烯层和二维层状结构的氧化石墨烯层的石墨烯光热膜；所述闪光灯的能量密度为0.5～1.0J·cm

The invention relates to a graphene photothermal film with double-layer structure, a preparation method, application and seawater desalination device thereof

【技术实现步骤摘要】
一种双层结构的石墨烯光热膜、其制备方法、应用及海水淡化装置
本专利技术属于海水淡化
，尤其涉及一种双层结构的石墨烯光热膜、其制备方法、应用及海水淡化装置。
技术介绍
清洁水资源是促进公共卫生和社会发展的最重要资源之一。然而，随着人类文明的进步，清洁的水资源被大量消耗和污染。水资源短缺是全球面临的共同问题。由于陆地上可利用的淡水湖、地下水和河流的水量不到地球总水量的1％，而海洋约占地球总水量的96.53％，对资源丰富的海水加以开发和利用，使之变成淡水，一直是多国探索的方向，海水淡化则成为沙特阿拉伯、以色列等内陆国家淡水的重要来源，伴随着全球气候变化、人口增长、材料科学的进步等因素，海水淡化利用将在人类发展中扮演更加重要的角色。在我国海水淡化作为有效替代天然淡水的途径，日趋经济合理，成为我国的发展重点之一。目前比较常用的海水淡化技术主要采用两种方法淡化海水，即反渗透法和蒸馏法。反渗透膜法适用面广，且脱盐率高，因此被广泛使用。反渗透方法必须使用特种高压泵增压，使海水进入反渗透膜，因此，其需要巨大的能量消耗不利于环境保护。同时，由于海水含盐量高，海水反渗透膜必须具有高脱盐率，耐腐蚀、耐高压、抗污染等特点，使其成本高。同时由于长时间操作在高压的环境中，其容易破损降低产水质量，同时需要定期更换，提高运行成本。相比之下，蒸馏法是通过加热海水使之沸腾汽化，再把蒸汽冷凝成淡水的方法，其特点是即使在污染严重、高生物活性的海水环境中也适用，产水纯度高，蒸馏法主要被用于特大型海水淡化处理上及热能丰富的地方。与膜法海水淡化技术(包括渗透和反渗透法)相比，蒸馏法具有可利用电厂和其他工厂的低品位热、对原料海水水质要求低、装置的生产能力大，是当前海水淡化的主流技术之一。传统蒸馏法需要使用传统热源，如电炉、热板、电热丝等加热海水，需要大量能耗。为了进一步提高蒸馏法的能量效率，基于太阳能的蒸馏法已经被提出，通过使用太阳能加热海水，其能量效率能被大幅提高。然而，由于海水对于太阳的吸收很低，直接使用阳光照射海水的方法对于太阳光的使用效率极低，低于35％。因此，目前仍然缺乏以高效节能的方式处理海水，实现脱盐的方法。近年来，通过薄膜材料收集太阳能产生蒸汽来淡化海水由于其低能耗，效率高，能够产生高质量的纯净水已经成研究热点，引起广泛关注。其中研究的核心在于如何使用各种具有微纳结构的新型光热膜提高太阳能的吸收获得更高的温度，以实现有效的太阳能到蒸汽的转化。目前，已经有各种基于不同类型的材料和结构的太阳光热膜的设计被提出，包括基于金属纳米颗粒或结构的等离子纳米结构，碳基材料和金属有机结构(MOF)。这些结构在未来的应用中显示出了广阔的前景。衡量光热膜性能的核心指标是太阳能-蒸汽转化效率，该效率由一定的阳光照射下的水蒸发速率确定。为了实现高的太阳能-蒸汽的转换效率，需要光热膜具有高的太阳能吸收和高效率水输送。一方面，优选具有大的三维多孔结构，其孔径在光波长范围内(几百纳米)，能有效地捕获和吸收阳光。然而，事实证明，三维大孔径结构的水输送效率低。另一方面，宽度为几纳米的微小通道适合利用毛细作用力进行高效率的水输送，而微小纳米通道不利于太阳光的高效吸收。然而，目前的单一结构的光热膜无法同时满足高太阳吸收和高效水输运的需求，限制了太阳能-蒸汽转化效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种双层结构的石墨烯光热膜、其制备方法、应用及海水淡化装置，本专利技术中的石墨烯光热膜同时具有高的水输送效率和高的太阳光的吸收效率，并且制备工艺简单。本专利技术提供一种双层结构的石墨烯光热膜的制备方法，包括以下步骤：在衬底上沉积氧化石墨烯薄膜，采用闪光灯对所述氧化石墨烯薄膜的表层进行闪光还原，得到具有三维孔结构的石墨烯层和二维层状结构的氧化石墨烯层的石墨烯光热膜；所述闪光灯的能量密度为0.5～1.0J·cm2，优选为0.6～0.9J·cm2，如0.5J·cm2，0.6J·cm2，0.7J·cm2，0.8J·cm2，0.9J·cm2，1.0J·cm2，优选为以上述任意数值为上限或下限的范围值；所述闪光还原的时间为0.5～200ms，优选为1～100ms，更优选为1.5～50ms；所述闪光灯距离氧化石墨烯薄膜＜3cm，如1cm、2cm、2.5cm；所述氧化石墨烯薄膜的厚度为80～1500nm，如80nm、100nm、175nm、200nm、250nm、300nm、350nm、375nm、400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm、800nm、900nm、1000nm、1100nm、1200nm、1300nm、1400nm、1500nm，优选为以上述任意数值为上限或下限的范围值。优选的，所述衬底为隔热的多孔沉底；所述衬底的热导率为0.18～0.24Wm-1·K-1。优选的，所述衬底为聚醚砜树脂多孔膜；所述衬底的厚度为50～500μm，更优选为100～300μm，最优选为130～185μm，如130μm，135μm，140μm，145μm，150μm，155μm，160μm，165μm，170μm，175μm，180μm，，优选为以上述任意数值为上限或下限的范围值。。优选的，通过真空抽滤、涂布或卷对卷工艺将氧化石墨烯溶液沉积在衬底表面，形成氧化石墨烯薄膜。本专利技术提供如上文所述的制备方法制备得到的双层结构的石墨烯光热膜，包括三维孔结构的石墨烯层和二维层状结构的氧化石墨烯层；所述石墨烯层和氧化石墨烯层的厚度比为(100～1)：1，更优选为(50～1)：1，最优选为(10～2):1，如10:1，9:1，8:1，7:1，6:1，5:1，4:1，3:1，2:1，优选为以上述任意数值为上限或下限的范围值。在使用时，可以直接使用具有双层结构的石墨烯光热膜，也可以使用带有衬底的双层结构的石墨烯光热膜。优选的，所述石墨烯层的孔径为6.18～12.9nm，比表面积为225m2/g～307m2/g。本专利技术提供如上文所述的双层结构的石墨烯光热膜在太阳能海水淡化中的应用，在太阳光照射下，以所述二维层状结构的氧化石墨烯层或者衬底接触海水，进行蒸发淡化。在本专利技术中，所述二维层状结构的氧化石墨烯层或者衬底在下方，接触海水，用于将海水吸收进石墨烯膜内，然后具有三维孔结构的石墨烯层用于吸收太阳光的能量，使膜内升温，蒸发膜内吸收上来的水。本专利技术中的石墨烯光热膜不仅可以用于太阳能海水淡化，还可以其他的水蒸发工艺，比如通过水蒸发来提纯溶质等。本专利技术还提供一种海水淡化装置，包括：上文所述的双层结构的石墨烯光热膜；支撑结构，用于支撑所述石墨烯光热膜；海水容器，用于容纳海水；海水注入装置，用于向海水容器中补充注入海水；透光的蒸汽收集装置，设置于所述石墨烯光热膜的上方，用于冷凝收集产生的水蒸气；淡水收集装置，用于收集所述透光的蒸汽收集装置汇入的淡水。在本专利技术中，所述海水淡化装置可以是图24中所示结构，也可以是图25中所示结构。...

【技术保护点】
1.一种双层结构的石墨烯光热膜的制备方法，包括以下步骤：/n在衬底上沉积氧化石墨烯薄膜，采用闪光灯对所述氧化石墨烯薄膜的表层进行闪光还原，得到具有三维孔结构的石墨烯层和二维层状结构的氧化石墨烯层的石墨烯光热膜；/n所述闪光灯的能量密度为0.5～1.0J·cm

【技术特征摘要】
1.一种双层结构的石墨烯光热膜的制备方法，包括以下步骤：
在衬底上沉积氧化石墨烯薄膜，采用闪光灯对所述氧化石墨烯薄膜的表层进行闪光还原，得到具有三维孔结构的石墨烯层和二维层状结构的氧化石墨烯层的石墨烯光热膜；
所述闪光灯的能量密度为0.5～1.0J·cm2，所述闪光还原的时间为0.5～200ms，所述闪光灯距离氧化石墨烯薄膜＜3cm；
所述氧化石墨烯薄膜的厚度为80～1500nm。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述衬底为隔热的多孔沉底；
所述衬底的热导率为0.18～0.24Wm-1·K-1。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述衬底为聚醚砜树脂多孔膜；所述衬底的厚度为50μm～500μm。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，通过真空抽滤、涂布或卷对卷工艺将氧化石墨烯溶液沉积在衬底表面，形成氧化石墨烯薄膜。


5.如权利要求1所述的制备方法制备得到的双层结构的石墨烯光热膜，包括三维孔结构的石墨烯层和二维层状结构的氧化石墨烯层；
所述石墨烯层和氧化石墨烯层的厚度比为100:1～1:1。

【专利技术属性】
技术研发人员：贾宝华，林瀚，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：广东;44