能高效处理盐水和废水的三维光热转换材料及装置和方法转让专利
申请号 : CN202110098056.5
文献号 : CN112897618B
文献日 : 2022-04-12
发明人 : 陈宝梁 , 杨芷
申请人 : 浙江大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种能高效处理盐水和废水的三维光热转换材料的制备方法,其特征在于,具体如下:
S1:将氧化石墨烯溶液的pH调节为12,得到溶液A;配置聚合物电解质溶液,得到溶液B;
S2:以溶液A:溶液B为3:1 3:12的浓度比,将溶液B逐滴滴加至溶液A中,通过超声使其~
充分反应,得到带电氧化石墨烯复合物溶液;
S3:将经前处理后洁净干燥的三聚氰胺泡沫浸入带电氧化石墨烯复合物溶液中,通过将三聚氰胺泡沫浸渍和挤压使其充分吸收带电氧化石墨烯复合物溶液;将吸附饱和的三聚氰胺泡沫置于60 200℃的烘箱中热处理6 24小时,清洗干燥后得到三维光热转换材料。
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2. 根据权利要求1所述三维光热转换材料的制备方法,其特征在于,所述S1中氧化石墨烯溶液的浓度为3 mg/mL。
3.根据权利要求1所述三维光热转换材料的制备方法,其特征在于,所述聚合物电解质为聚乙烯亚胺、聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚丙烯胺盐酸盐、聚苯乙烯磺酸盐、聚丙烯酸或海藻酸钠中的一种。
4.根据权利要求1所述三维光热转换材料的制备方法,其特征在于,所述S2中溶液A和溶液B的混合浓度比为3:9。
5.根据权利要求1所述三维光热转换材料的制备方法,其特征在于,所述S3中三聚氰胺泡沫的前处理过程具体如下:将三聚氰胺泡沫依次用去离子水和无水乙醇清洗,重复若干次,随后置于100℃的烘箱中干燥。
6.一种根据权利要求1 5任一所述制备方法制得的三维光热转换材料。
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7.一种能高效处理盐水和废水的光热转化装置,其特征在于,包括如权利要求6所述的三维光热转换材料(1)、吸水层(2)、热绝缘体(3)和反应器;
所述反应器包括均为透明的第一壳体(4)和第二壳体(5),第一壳体(4)套设于顶部开设孔洞的第二壳体(5)外部,且两者之间形成冷凝腔;
所述第二壳体(5)底部用于容纳盐水或废水,所述热绝缘体(3)设置于第二壳体(5)内的水容纳区域上方,热绝缘体(3)上设有吸水层(2),吸水层(2)的底端延伸至所述水容纳区域中;所述三维光热转换材料(1)接触式置于吸水层(2)上,以吸收吸水层(2)中的水分并将其加热蒸发至所述冷凝腔中;所述三维光热转换材料(1)与所述水容纳区域之间由热绝缘体(3)阻隔,减少热交换。
8.根据权利要求7所述的光热转化装置,其特征在于,所述吸水层(2)为无纺布,热绝缘体为聚苯乙烯泡沫,第一壳体(4)和第二壳体(5)均为石英材质。
9.一种基于权利要求7或8所述光热转化装置处理盐水或废水的方法,其特征在于,具体如下:
向光热转化装置的水容纳区域中加入待处理的盐水或废水,随后将光热转化装置置于光源下;
当光照射到三维光热转换材料(1)时,三聚氰胺泡沫中交互联通的多孔结构使光发生多散射效应,部分光能被覆盖于三聚氰胺泡沫表面以单层或寡层形式存在的氧化石墨烯吸收,其余的光透射到三维光热转换材料(1)内部,进行多次散射后被吸收;氧化石墨烯吸收光能后产生热量,热量被热绝缘体(3)和聚合物电解质限定在氧化石墨烯表面,以减少热量的损失;
盐水或废水通过吸水层(2)与三维光热转换材料(1)接触并以薄膜形式附着在三聚氰胺泡沫上,氧化石墨烯产生的热量迅速传递给周围的水分子,以薄膜形式存在的水分子迅速吸收热量并形成蒸汽,从三聚氰胺泡沫的孔道中蒸发并从第二壳体(5)顶部的孔洞中溢出;蒸汽在遇到第一壳体(4)常温的顶部时冷凝成液体,顺着第一壳体(4)的内壁流至底部,实现盐水或废水的净化,得到纯净水。
说明书 :
能高效处理盐水和废水的三维光热转换材料及装置和方法
技术领域
背景技术
部件,以其转化的热能实现高效的水蒸发。近年来,已报道了多种光热转化体,例如以等离
子体共振为发热原理的贵金属,以光生载流子复合产生热为原理的半导体和以分子骨架振
动、转动为产热机理的碳质材料等。然而,贵金属光热转化体对光的吸收范围难以调控且成
本较高,提高半导体光热转化体需要精细复杂的调控技术。基于此,碳质材料成为当前最具
潜力的光热转化体。
转化效率。因此迫切需要一种高效可行的策略赋予光吸收体优异的抗盐结晶特性。
散失到体相水和材料空隙中。为此,需要设置一种可行的方法减少此部分能量的散失。
化速率和海水淡化性能,材料稳定性好。然而,发明中所述的光热转化体厚度太小,难以阻
止界面产生热量的传导散失,这会使光热转化效率不高,且金属有机框架制备流程复杂,成
本较高。
制成浆料、烘干、高温热处理得到了一种具有良好机械强度的光热转化材料,经过高温碳
化,此材料具有良好的光热转化性能,聚合物泡沫的多孔结构具有优异的吸水性能,将此种
光热应用于海水淡化,其具有优异的光热蒸水效率。此种光热转化材料适用于海水的快速
蒸馏淡化。然而,此种光热转化材料合成过程需要大量能量输入,不符合可持续发展的基本
要求,并且没有考虑对高浓度盐水的淡化处理。
发明内容
盐溶液的处理能力,一方面,其丰富、相互连通的热绝缘多孔网络有利于水分的分布和蒸汽
的输送、有效减少热量的损失,从而实现高效的光热转化;另一方面,对其表面进行改性,可
以适用于低浓度到高浓度海水及污水处理。此外,以商业三聚氰胺为光热转化材料的支撑
体,能够极大地减少氧化石墨烯的用量,降低材料制备成本。同时,制备过程简单,无需高温
处理,环境友好。
三聚氰胺泡沫置于60~200℃的烘箱中热处理6~24小时,清洗干燥后得到三维光热转换材
料。
热转换材料接触式置于吸水层上,以吸收吸水层中的水分并将其加热蒸发至所述冷凝腔
中;所述三维光热转换材料与所述水容纳区域之间由热绝缘体阻隔,减少热交换。
收,其余的光透射到三维光热转换材料内部,进行多次散射后被吸收;氧化石墨烯吸收光能
后产生热量,热量被热绝缘体和聚合物电解质限定在氧化石墨烯表面,以减少热量的损失;
吸收热量并形成蒸汽,从三聚氰胺泡沫的孔道中蒸发并从第二壳体顶部的孔洞中溢出;蒸
汽在遇到第一壳体常温的顶部时冷凝成液体,顺着第一壳体的内壁流至底部,实现盐水或
废水的净化,得到纯净水。
光热转化材料的光热转化率极高;在干燥和湿润两种状态下达到的平衡温度分别为64.5℃
和37.6℃,其光热转化效率达93.4%。
备方法简单、条件温和、使用方便、性能优异。
高浓度的盐水及废水。
复合,亲水性质的三聚氰胺泡沫和聚合物电解质能够保证对三维光热转化材料水量的充分
供给,同时聚苯乙烯泡沫优异的热绝缘性质能够减少热量的散失,使更多的能量用于水分
的蒸发。
附图说明
具体实施方式
渍挤压使三聚氰胺泡沫充分负载带电氧化石墨烯复合物、热处理使复合物与三聚氰胺骨架
牢固集合,具体过程如下:
铵、聚丙烯胺盐酸盐、聚苯乙烯磺酸盐、聚丙烯酸或海藻酸钠中的一种来配置聚合物电解质
溶液,得到溶液B。在实际应用时,聚合物电解质溶液优选采用聚乙烯亚胺材料进行配置。聚
合物电解质材料的分子量为 1000~10000,其中优选的分子量为10000。
液温度低于4℃,得到混合液B。
过超声30分钟使其再次剥离。重复上述离心和剥离操作多次(优选为三次),得到混合液D。
入带电氧化石墨烯复合物溶液中,通过将三聚氰胺泡沫浸渍和挤压(即浸渍‑挤压法)使其
充分吸收带电氧化石墨烯复合物溶液。将吸附饱和的三聚氰胺泡沫置于60~200℃(优选为
100℃)的烘箱中热处理6~24小时,清洗干燥后得到三维光热转换材料。
裹在三聚氰胺的骨架上。氧化石墨烯和聚合物电解质通过静电相互作用力等作用力结合,
带电氧化石墨烯复合物通过范德华力等与三聚氰胺骨架进行结合。
观上,MF具有出色的多散射效应。在微尺度上缩放,GO是覆盖MF骨架的单层,因此,当阳光传
输到骨架中时,GO会吸收大部分的阳光,其余的阳光将在3D太阳吸收体内部传输,并且然后
被完全吸收。在分子尺度上, PEI的形状像刷子,当阳光照射到PEI的表面时,一方面,大多
数阳光将传输到 GO层,另一方面,其余的阳光可以由于PEI的特殊形态,通过多重散射效应
吸收。其次,水的运输对于蒸发过程是有效的。MF是亲水性的,比传统的太阳能吸收器具有
更大的表面积,因此,一旦水蒸发,它就可以迅速补充因光热蒸发损失的水。而且,PEI的刷
状形状有利于水的扩散,因此GO产生的热量可以更容易地传递给周围的水分子,使蒸发过
程高效持续运行。第三,三维光热转换体优异的热绝缘性能来源于特殊的组件配置形式。隔
热MF和PEI围绕GO芯,因此热量可以有效地传递到GO周围的水膜。
均为透明的第一壳体4和第二壳体5,第一壳体4套设于第二壳体5 的外部,第一壳体4和第
二壳体5之间形成冷凝腔。第二壳体5的顶部开设有孔洞,用于蒸汽从第二壳体5内部蒸发至
冷凝腔中。如图5所示,第一壳体4的顶部可以设置为中间凸起的锥状结构,以便于冷凝的蒸
汽随着第一壳体4内壁流下,而不会重新从第二壳体5顶部的孔洞中滴落进入第一壳体4。
用时,吸水层2可以从热绝缘体3的四周下垂并落入水容纳区域中,也可以在热绝缘体3上开
孔,使吸水层2从热绝缘体3的孔洞中伸出并落入水容纳区域中,以便使用时位于水容纳区
域的水体能够及时被输运到吸水层2顶部。
阻隔,减少热交换。
少三维光热转换材料1传导热的散失。第一壳体4和第二壳体5 均可以设置为石英材质。
5cm×1cm,可根据实际需求改变。
氰胺泡沫中交互联通的多孔结构使光发生多散射效应,部分光能被覆盖于三聚氰胺泡沫表
面以单层或寡层形式存在的氧化石墨烯吸收,其余的光透射到三维光热转换材料1内部,进
行多次散射后被吸收。氧化石墨烯吸收光能后产生热量,热量被热绝缘体3和聚合物电解质
限定在氧化石墨烯表面,以减少热量的损失。盐水或废水通过吸水层2与三维光热转换材料
1接触并以薄膜形式附着在三聚氰胺泡沫上,氧化石墨烯产生的热量迅速传递给周围的水
分子,以薄膜形式存在的水分子迅速吸收热量并形成蒸汽,从三聚氰胺泡沫的孔道中蒸发
并从第二壳体5顶部的孔洞中溢出。蒸汽在遇到第一壳体4常温的顶部时冷凝成液体,顺着
锥状顶部经侧壁流至底部,得到净化水。
的孔道中蒸发并从第二壳体5顶部的孔洞中溢出,在遇到第一壳体4常温的顶部时冷凝成液
体,顺着锥状顶部经侧壁流至底部。待处理的盐水经过光热蒸发后,得到离子去除率优于蒸
馏法和膜过滤法的洁净水。待处理的废水经过太阳能光热处理后,可得到澄清透明的洁净
水。
算得到光热转化效率。具体过程如下:
变化情况,计算单位时间水分质量变化速率vii;
术中常用的氧化石墨烯泡沫。
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墨烯泡沫,三维光热转换材料的光热转化速率达1.394 kg/(m·h),效率为93.4%。b图为
采用此种三维光热转换材料对从低到高四种不同浓度的盐水进行处理的光热转化速率和
效率图。可以看出,随着盐溶液浓度的增加,三维光热转换材料的光热转化速率和效率均得
到良好的保持,在近乎饱和的盐水浓度下,其效率仍然高于80%。
电氧化石墨烯复合物溶液。
将浸渍于不同GO:POLYMER配比的泡沫分别置于60、80、 100、120、140、160、180、200℃的烘
箱中热处理,得到复合三聚氰胺泡沫。
化。结果见图4和表1,从中可以看出,海水中的主要离子、污水中的有机物经过光热处理后,
去除率大于99%。
矩形小口,采用中间供水方式处理20wt%的模拟海水,光照强度为1kw·m。
光吸收体。
合泡沫优异的亲水性能和独特的孔道结构使得水在其表面以薄膜形式存在,能够迅速地接
收氧化石墨烯产生的热量发生相变形成蒸汽,之后通过三聚氰胺泡沫骨架疏松多孔的结构
快速逃逸出光热转化体,从而实现低到高浓度海水和污水的高效、稳定净化。
化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案,均落在本发明的保
护范围内。