CN112429798B - 在垂直排列纤维上组装纳米颗粒制备抗盐蒸发器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种在垂直排列纤维上组装纳米颗粒制备耐盐蒸发器的方法，该方法将颗粒尺寸小于50nm，且能够捕获太阳能的纳米颗粒作为光热转化剂分散在极性溶剂中，并将分散液渗透在规则形状的纤维束中，通过烘烤碳化获得耐盐蒸发器。采用本发明公开方法得到的蒸发器在太阳能驱动淡化海水过程中具有较好的循环稳定性和耐盐能力，在高浓度盐水中表现出的蒸发速率和光热转化效率优于已报道的碳纳米管、石墨烯等材料，能够从海水、污水中长期高效地提取清洁水。

Description

在垂直排列纤维上组装纳米颗粒制备抗盐蒸发器的方法
技术领域
本发明属于能源利用及纳米材料技术领域，具体涉及一种在垂直排列纤维上组装纳米颗粒制备抗盐蒸发器的方法。
背景技术
由于淡水资源短缺和传统能源的不断消耗，太阳能驱动的海水和废水净化已经成为满足日益增长淡水需求的最经济、可持续和最有前途的解决方案之一。太阳能驱动的界面水蒸发技术最突出的特点是光热转化剂的位置位于液态水和空气界面之间，这种结构将太阳能的热量集中于水与空气的界面，避免了热量流失到大面积的水体中，太阳能在光热转化剂的作用下迅速转化为热能，使界面处的水迅速蒸发，使得太阳能-水蒸气转化效率大幅度提升。纳米颗粒作为光热转化剂具有较高的光敏性和化学稳定性，与碳纳米管和石墨烯等常用的碳基材料相比，纳米颗粒具有较低的导热系数，能够将热量限制在特定的区域，防止热量扩散，作为光热转化剂更具优势。
利用太阳能界面蒸发水技术淡化海水和废水是一种理想的获得清洁水的方式。但是盐或污染物在加热界面的积累会严重遏制蒸汽的生成，不具有稳定性。与传统的蒸发器相比，用垂直排列的纤维制备的蒸发器利用了纤维自身较好的导水能力，纤维间的空间为盐分的平流和扩散提供了充足的空间，具有较强的耐盐能力。纤维本身是一种环保、易制的材料，其导热系数较低，结合纳米颗粒作为光热剂可以进一步防止热量扩散，提高太阳能-水蒸气的转化效率。
发明内容
本发明提供了一种在垂直排列纤维上组装纳米颗粒制备耐盐蒸发器的方法，以实现在海水和污水中长期高效提取清洁水的目的。
在垂直排列纤维上组装纳米颗粒制备抗盐蒸发器的方法采用以下步骤：
步骤1：选用颗粒尺寸小于50nm，且能够捕获太阳能的纳米颗粒作为光热转化剂；
步骤2：把步骤1中a g的纳米颗粒均匀分散在b mL极性溶剂中，并将分散有纳米颗粒的极性溶液静置30min，配置成分散液，其中，a:b＝20-30g/L；
步骤3：将垂直排列的纤维制成表面为规则形状的纤维束，纤维束的质量为c g，体积为V cm3，c:V＝0.13-0.15g/cm3；所述规则形状包括：长方形、圆形或梯形；
步骤4：将步骤3中制成的纤维束放置于水中浸泡，使纤维束吸附水的质量d g与纤维束的质量比达到d:c＝9.6-11.4；
步骤5：将步骤4中吸附了水的纤维束垂直放置，将步骤2配置的溶质质量为a g的分散液均匀涂在纤维束的上表面，使分散液在纤维束上的渗透厚度为0.2-0.5cm，并使纳米颗粒负载量达到e:S＝100-130g/m2，然后将表面附有纳米颗粒的纤维束放置于鼓风干燥箱中，设置温度为50-60℃，直至完全烘干；其中，S为纤维束表面积；
步骤6：将步骤5完全烘干的附有纳米颗粒的纤维束取出，用火焰外焰温度为400-500℃的高温火枪对附有纳米颗粒的纤维表面进行烘烤碳化，使碳化时长t与纤维表面S的比t:S＝2-4s/m2，碳化层的厚度为0.1-0.2cm，最终得到表面呈黑色的垂直排列的纤维束；
步骤7：用水对步骤6中得到的纤维束表面进行多次冲洗，然后将其放置于鼓风干燥箱中，设置温度为50-60℃，直至完全烘干，将其取出，最终得到在垂直排列纤维上组装纳米颗粒制备抗盐蒸发器。
所述能够捕获太阳能的纳米颗粒是指能够吸收太阳光转化为热能的所有纳米颗粒，包括：荧光碳点、粒径不大于50nm的金属氧化物及有机聚合物导电纳米颗粒。
所述极性溶剂为水、乙醇、甲醇或二甲基甲酰胺。
所述垂直排列的纤维为醋酸纤维或聚丙烯纤维。
采用本发明公开方法得到的蒸发器在太阳能驱动淡化海水过程中具有较好的循环稳定性和耐盐能力，在高浓度盐水中表现出的蒸发速率和光热转化效率优于已报道的碳纳米管、石墨烯等材料，能够从海水、污水中长期高效地提取清洁水。
附图说明
图1为本发明在垂直排列纤维上组装纳米颗粒制备耐盐蒸发器的流程图；
图2为采用本发明方法制备的耐盐蒸发器的俯视扫描电镜照片；
图3为在一个标准太阳光照射下，采用本发明方法制备的耐盐蒸发器水的蒸发量随光照时间变化的关系；
图4为随着光照强度增加，采用本发明方法制备的耐盐蒸发器在20wt％浓度盐溶液中的蒸发量随时间的变化情况；
图5为在一个标准太阳光照射下，采用本发明方法制备的耐盐蒸发器在不同浓度盐溶液中的水蒸发速率；
图6为在一个标准太阳光照射下，采用本发明方法在20wt％浓度盐溶液中蒸发速率的循环稳定性。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述：
在垂直排列纤维上组装纳米颗粒制备抗盐蒸发器的方法采用以下步骤：
步骤1：选用颗粒尺寸小于50nm，且能够捕获太阳能的纳米颗粒作为光热转化剂；
步骤2：把步骤1中a g的纳米颗粒均匀分散在b mL极性溶剂中，并将分散有纳米颗粒的极性溶液静置30min，配置成分散液，其中，a:b＝20-30g/L；
步骤3：将垂直排列的纤维制成表面为规则形状的纤维束，纤维束的质量为c g，体积为V cm3，c:V＝0.13-0.15g/cm3；所述规则形状包括：长方形、圆形或梯形；
步骤4：将步骤3中制成的纤维束放置于水中浸泡，使纤维束吸附水的质量d g与纤维束的质量比达到d:c＝9.6-11.4；
步骤5：将步骤4中吸附了水的纤维束垂直放置，将步骤2配置的溶质质量为a g的分散液均匀涂在纤维束的上表面，使分散液在纤维束上的渗透厚度为0.2-0.5cm，并使纳米颗粒负载量达到e:S＝100-130g/m2，然后将表面附有纳米颗粒的纤维束放置于鼓风干燥箱中，设置温度为50-60℃，直至完全烘干；其中，S为纤维束表面积；
步骤6：将步骤5完全烘干的附有纳米颗粒的纤维束取出，用火焰外焰温度为400-500℃的高温火枪对附有纳米颗粒的纤维表面进行烘烤碳化，使碳化时长t与纤维表面S的比t:S＝2-4s/m2，碳化层的厚度为0.1-0.2cm，最终得到表面呈黑色的垂直排列的纤维束；
步骤7：用水对步骤6中得到的纤维束表面进行多次冲洗，然后将其放置于鼓风干燥箱中，设置温度为50-60℃，直至完全烘干，将其取出，最终得到在垂直排列纤维上组装纳米颗粒制备抗盐蒸发器。
所述能够捕获太阳能的纳米颗粒是指能够吸收太阳光转化为热能的所有纳米颗粒，包括：荧光碳点、粒径不大于50nm的金属氧化物及有机聚合物导电纳米颗粒。
所述极性溶剂为水、乙醇、甲醇或二甲基甲酰胺。
所述垂直排列的纤维为醋酸纤维或聚丙烯纤维。
实施例1
在垂直排列纤维上组装纳米颗粒制备抗盐蒸发器的方法采用以下步骤：
步骤1：选用煤沥青荧光碳点作为光热转化剂；
步骤2：把步骤1中0.25g的纳米颗粒均匀分散在10mL极性溶剂中，并将分散有纳米颗粒的极性溶液静置30min，配置成分散液；
步骤3：将垂直排列的纤维制成表面为规则形状的纤维束，纤维束的质量为0.52g，体积为3.71cm3；所述规则形状为圆形；
步骤4：将步骤3中制成的纤维束放置于水中浸泡，使纤维束吸附水的质量5.62g与纤维束的质量比达到d:c＝10.8；
步骤5：将步骤4中吸附了水的纤维束垂直放置，将步骤2配置的溶质质量为0.25g的分散液均匀涂在纤维束的上表面，使分散液在纤维束上的渗透厚度为0.4cm，并使纳米颗粒负载量达到e:S＝120g/m2，然后将表面附有纳米颗粒的纤维束放置于鼓风干燥箱中，设置温度为55℃，直至完全烘干；其中，S为纤维束表面积；
步骤6：将步骤5完全烘干的附有纳米颗粒的纤维束取出，用火焰外焰温度为450℃的高温火枪对附有纳米颗粒的纤维表面进行烘烤碳化，使碳化时长t与纤维表面S的比t:S＝3s/m2，碳化层的厚度为0.2cm，最终得到表面呈黑色的垂直排列的纤维束；
步骤7：用水对步骤6中得到的纤维束表面进行多次冲洗，然后将其放置于鼓风干燥箱中，设置温度为55℃，直至完全烘干，将其取出，最终得到在垂直排列纤维上组装纳米颗粒制备抗盐蒸发器。
上述方法在垂直排列纤维上组装纳米颗粒制备耐盐蒸发器的流程图如图1所示。图2为采用本发明方法制备的耐盐蒸发器的俯视扫描电镜照片；从图中可以看出，蒸发器表面纤维端部发生了融化使得纳米颗粒与纤维牢固的结合在了一起。图3为在一个标准太阳光照射下，采用本发明方法制备的耐盐蒸发器水的蒸发量随光照时间变化的关系；从图中可以看出，在1个标准太阳光照射下，采用本发明方法制备的耐盐蒸发器的蒸发速率为2.6kg m-2h-1。图4为随着光照强度增加，采用本发明方法制备的耐盐蒸发器在20wt％浓度盐溶液中的蒸发量随时间的变化情况；从图中可以看出，采用本发明方法制备的耐盐蒸发器在20wt％浓度盐溶液中蒸发速率随光强依次递增，在5倍光强下蒸发速率超过在1个标准太阳光下的3倍，表明采用本发明制备的耐盐蒸发器在不同光照强度下下具有较强的适应能力。图5为在一个标准太阳光照射下，采用本发明方法制备的耐盐蒸发器在不同浓度盐溶液中的水蒸发速率；从图中可以看出，在一个标准太阳光照射下，采用本发明制备的耐盐蒸发器在不同浓度盐溶液中的水蒸发速率保持稳定，在20wt％接近饱和的盐溶液中蒸发速率仍不衰减，表明采用本发明制备的耐盐蒸发器具有较强的耐盐能力。图6为在一个标准太阳光照射下，采用本发明方法在20wt％浓度盐溶液中蒸发速率的循环稳定性。从图中可以看出，在一个标准太阳光照射下，采用本发明方法制备的耐盐蒸发器在20wt％浓度盐溶液中循环蒸发16次，蒸发速率没有明显下降，表明采用本发明制备的耐盐蒸发器可以反复利用。

Claims (3)

1.在垂直排列纤维上组装纳米颗粒制备抗盐蒸发器的方法，其特征在于：采用以下步骤：
步骤1：选用颗粒尺寸小于50 nm，且能够捕获太阳能的纳米颗粒作为光热转化剂；
步骤2：把步骤1中a g的纳米颗粒均匀分散在b mL极性溶剂中，并将分散有纳米颗粒的极性溶液静置30 min，配置成分散液，其中，a:b=20-30 g/L；
步骤3：将垂直排列的纤维制成表面为规则形状的纤维束，纤维束的质量为c g，体积为V cm3，c:V = 0.13-0.15 g/cm3；所述规则形状包括：长方形、圆形或梯形；
步骤4：将步骤3中制成的纤维束放置于水中浸泡，使纤维束吸附水的质量d g与纤维束的质量比达到d:c=9.6-11.4；
步骤5：将步骤4中吸附了水的纤维束垂直放置，将步骤2配置的溶质质量为a g的分散液均匀涂在纤维束的上表面，使分散液在纤维束上的渗透厚度为0.2-0.5 cm，并使纳米颗粒负载量达到e:S=100-130 g/m2，然后将表面附有纳米颗粒的纤维束放置于鼓风干燥箱中，设置温度为 50-60℃，直至完全烘干；其中，S为纤维束表面积；
步骤6：将步骤5完全烘干的附有纳米颗粒的纤维束取出，用火焰外焰温度为 400-500℃的高温火枪对附有纳米颗粒的纤维表面进行烘烤碳化，使碳化时长t与纤维束表面积S的比t:S=2-4 s/m2，碳化层的厚度为0.1-0.2 cm，最终得到表面呈黑色的垂直排列的纤维束；
步骤7：用水对步骤6中得到的纤维束表面进行多次冲洗，然后将其放置于鼓风干燥箱中，设置温度为 50-60 ℃，直至完全烘干，将其取出，最终得到在垂直排列纤维上组装纳米颗粒的抗盐蒸发器；
所述垂直排列的纤维为醋酸纤维或聚丙烯纤维。
2.根据权利要求1所述的在垂直排列纤维上组装纳米颗粒制备抗盐蒸发器的方法，其特征在于：所述能够捕获太阳能的纳米颗粒是指能够吸收太阳光转化为热能的荧光碳点、粒径不大于50 nm的金属氧化物或有机聚合物导电纳米颗粒。
3.根据权利要求1所述的在垂直排列纤维上组装纳米颗粒制备抗盐蒸发器的方法，其特征在于：所述极性溶剂为水、乙醇、甲醇或二甲基甲酰胺。
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