CN112897618A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种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，制备方法为：将氧化石墨烯溶液的pH调节为7～13，得到溶液A；配置聚合物电解质溶液，得到溶液B；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，得到带电氧化石墨烯复合物溶液；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，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。本发明的材料光热转换率高，性能稳定性好，弹性好易裁剪，可多次循环使用，且制备流程简单，合成成本低，适用范围广，可用于低到高浓度的海水淡化及复合污染水体的净化等。

Description

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

本发明属于海水淡化和污水净化领域，具体涉及一种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。

背景技术

随着人口的增长和社会的发展，能源的短缺和水资源的匮乏问题严重威胁人类的生存和发展。太阳能蒸发技术能够以可持续的太阳光为驱动力，借助光热转化体这一核心部件，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。

海水淡化是当前光热转化的重要应用领域。

目前限制碳质材料用于高效海水淡化的瓶颈在于，随着海水淡化的持续进行，氯化钠等盐分易形成结晶在光吸收体表面析出，影响其对光能的吸收，进而大大降低其光热转化效率。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。

已有研究表明，亲水光吸收能够迅速溶解、稀释由于蒸发富集在吸收体表面的盐离子，但是由于光吸收体亲水，大量转化的热量会被周围的水分带走通过传导、对流等形式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。

公告号为CN 109603596 A的发明专利，公开了“一种金属有机框架材料光热海水淡化膜”，该发明中光热转化体由光热转化层、阻盐层、浮力层三层构成，具有很好的光热转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。

公告号为CN 107739066 A的发明专利，公开了“用于海水淡化及净水处理的石墨烯光热转化材料制备方法”，该发明将石墨烯粉体、链状分子结构的聚合物、溶剂三种原料制成浆料、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

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种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。该三维光热转换材料兼顾高效光热转化效率及对高浓度盐溶液的处理能力，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。

本发明所采用的具体技术方案如下：

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，其具体如下：

S1：将氧化石墨烯溶液的pH调节为7～13，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。

作为优选，所述S1中氧化石墨烯溶液的浓度为3mg/mL。

作为优选，所述S1中氧化石墨烯溶液通过氢氧化钠溶液调节pH值至10～12，pH值优选为12。

作为优选，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，优选为聚乙烯亚胺。

作为优选，所述S2中溶液A和溶液B的混合浓度比为3:9。

作为优选，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。

本发明的第二目的在于提供一种根据上述任一所述制备方法制得的三维光热转换材料。

本发明的第三目的在于提供一种能高效处理盐水和废水的光热转化装置，其包括如第二目的所述的三维光热转换材料、吸水层、热绝缘体和反应器；

所述反应器包括均为透明的第一壳体和第二壳体，第一壳体套设于顶部开设孔洞的第二壳体外部，且两者之间形成冷凝腔；

所述第二壳体底部用于容纳盐水或废水，所述热绝缘体设置于第二壳体内的水容纳区域上方，热绝缘体上设有吸水层，吸水层的底端延伸至所述水容纳区域中；所述三维光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。

作为第三目的的优选，所述吸水层为无纺布，热绝缘体为聚苯乙烯泡沫，第一壳体和第二壳体均为石英材质。

本发明的第四目的在于提供一种基于第三目的所述光热转化装置处理盐水或废水的方法，其具体如下：

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；

盐水或废水通过吸水层与三维光热转换材料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。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

1)本发明所制备的三维光热转化材料在光照条件下的光热转化速率分别为纯水、三聚氰胺泡沫的4.30倍、1.27倍。

2)由于本发明所制备的三维光热转化材料具有优异的水分散性能、独特的微观热限域效应、多维连通孔结构的多散射效应和氧化石墨烯寡片层的高光透过率，因此该三维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％。

3)本发明所制备的三维光热转化材料利用三聚氰胺泡沫为骨架，可大大节省氧化石墨烯的用量，降低了三维光热转化材料的制作成本；此外，该三维光热转化材料的合成制备方法简单、条件温和、使用方便、性能优异。

4)本发明的光热转化装置易于制备成小型便携设备，也可扩大尺寸应用于工业实际，仅依靠输入太阳光即可持续产生洁净水。

5)本发明所制备的三维光热转化材料以三维泡沫为基底，可循环使用，可塑性强，能够适应于多种场景的使用，不仅可以实现对纯水的高效蒸发，而且能够持续高效地蒸发高浓度的盐水及废水。

6)本发明所制备的三维光热转化材料选取碳质材料氧化石墨烯作为光热转化体，能够实现高比例的太阳光吸收，同时将亲水且热绝缘率高的三聚氰胺泡沫与聚合物电解质复合，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

图1为本发明中三维光热转化材料在不同放大倍数下的扫描电子显微镜微观结构示意图；

图2为根据表征结果得到的多维度、多功能光吸收体的结构示意图。

图3为本发明中三维光热转化材料对纯水(a)及不同浓度盐水(b)的光热转化速率及处理效率图；

图4为本发明中三维光热转化材料对海水(a)及两种不同染料废水(b)的净化效果图；

图5为本发明中光热转化装置的结构示意图；

图中附图标记为：1三维光热转换材料，2吸水层，3热绝缘体，4第一壳体， 5第二壳体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

本发明提供了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，该制备方法包括氧化石墨烯的制备、带电氧化石墨烯复合物的制备、三聚氰胺泡沫的前处理、浸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：

S1：将氧化石墨烯溶液使用浓度分别为0.1M和0.05M的氢氧化钠溶液调节 pH值至7～13，得到溶液A。在实际应用时，pH值优选为12。选取聚乙烯亚胺、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。

氧化石墨烯溶液可以直接采购获得，也可以通过下述方法进行制备，氧化石墨烯溶液的制备方法如下：

S11：将石墨片添加到80℃的含有120mL的浓H₂SO₄、24.99g的K₂S₂O₈和24.99 g的P₂O₅溶液中，保持4.5h使其充分反应，得到混合液A。

S12：将混合液A用去离子水润洗，直至洗出液的pH为中性，然后在60℃下干燥，得到预氧化石墨。

S13：将30g的预氧化石墨的粉末和15g的硝酸钠放入0℃的690mL浓硫酸中，得到混合***液。然后将90g的高锰酸钾缓慢加入到剧烈搅拌的该混合***液中，此过程需保持溶液温度低于4℃，得到混合液B。

S14：将1380mL的去离子水和25mL且质量分数为30％的过氧化氢溶液缓慢倒入混合液B中，于35℃下使其充分反应，保持2h，得到亮黄色的混合液C。

S15：将混合液C用盐酸溶液(10％，10.8L)冲洗以除去残留的硫酸根离子，然后以8000转的速度离心，得到浓缩的氧化石墨烯，将浓缩的氧化石墨烯重新分散在去离子水通过超声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。

S16：将混合液D进行渗析，然后用去离子水浸泡以除去酸和其他离子，得到氧化石墨烯溶液(浓度优选为3mg/mL)。

S2：以溶液A：溶液B为3:1～3:12(优选为3:9)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60℃的烘箱中干燥，得到洁净干燥的三聚氰胺泡沫。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(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。

如图1所示，为本发明三维光热转换材料的微观结构示意图，从图中可以看出，三聚氰胺泡沫的三维多孔连通的骨架得到保持，氧化石墨烯和聚合物电解质形成的复合物包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。

基于独特的多维结构(如图2)，所设计的光吸收体具备多重性质，使其具备优异的太阳能脱盐潜力。首先，光吸收体在太阳光谱范围内具有出色的太阳吸收率(96.7％)。在宏观上，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。

本发明提供了一种能高效处理盐水和废水的光热转化装置，该光热转化装置包括通过上述方法制备得到的三维光热转换材料1、吸水层2、热绝缘体3和反应器。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。

第二壳体5内腔的底部用于容纳盐水或废水，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的底端延伸至水容纳区域中。在实际应用时，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。

三维光热转换材料1置于吸水层2上，并且与吸水层2之间相接触，以吸收吸水层2中的水分并将其加热蒸发至冷凝腔中。三维光热转换材料1与水容纳区域之间由热绝缘体3阻隔，减少热交换。

在实际应用时，吸水层2可以设置为无纺布，用于吸收位于水容纳区域的待处理水体，并将吸收的水体传递给三维光热转换材料1。热绝缘体可以设置为聚苯乙烯泡沫，以减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。

三维光热转换材料的尺寸大小可灵活调整、根据实际需求裁剪，吸水层无纺布的尺寸为6cm×6cm×1mm，可根据实际应用场景变化，热绝缘层聚苯乙烯泡沫的尺寸为5cm×5cm×1cm，可根据实际需求改变。

利用上述光热转化装置处理盐水或废水的方法，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，盐水或废水的高度不超过热绝缘体3，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，顺着锥状顶部经侧壁流至底部，得到净化水。

也就是说，吸水层吸收的水经多孔三维骨架三聚氰胺泡沫传递到光吸收体氧化石墨烯的表面，吸收氧化石墨烯转化的热能，发生热量交换，产生蒸汽。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，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。

实施例1

本实施例对三维光热转换材料的光热转化效率进行评估，具体如下：

1)在储水装置中加入一定体积水，其上依次放上热绝缘体(聚苯乙烯泡沫)、吸水层(无纺布)和三维光热转换材料，即为所使用的光热转化效率评估模拟装置。

2)模拟太阳光垂直照射光热转化效率评估模拟装置，通过在线质量检测***，记录质量随时间的变化情况，收集数据计算单位面积的光热蒸发速率，归一化光能输入值，计算得到光热转化效率。具体过程如下：

①在无光照射的条件下，进行1小时的平衡实验，记录温度、湿度及水分质量变化情况，计算单位时间水分质量变化速率vi。

②以光功率计校准太阳光模拟器的光强至1000W/m³，之后，使光斑垂直照射到三维光热转换材料表面，记录照射前后温度、湿度，并通过连接天平的电脑实时记录水的质量变化情况，计算单位时间水分质量变化速率vii；

③以②中测得的vii扣除空白实验组的速率vi即为此光强照射下的实际光热蒸发水的速率，通过光热转化效率公式即可计算得到此种三维光热转换材料的光热转化效率。

本实施例中还进行了两组对比实验，第一组为不放置热绝缘体、吸水层和三维光热转换材料，只对储水装置中的水进行光照，第二组为将三维光热转换材料替换为现有技术中常用的氧化石墨烯泡沫。

结果如图3所示，a图为光照条件下纯水(H₂O)、氧化石墨烯泡沫(GO@MF)、三维光热转换材料(PEI@GO@MF)的光热转化速率和效率图像。从图中可以看出，相比于纯水和氧化石墨烯泡沫，三维光热转换材料的光热转化速率达1.394 kg/(m²·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％。

实施例2

步骤一：将19.5mL 7.7mg/mL的氧化石墨烯溶液的pH调节至12，得到溶液A。利用聚乙烯亚胺配制浓度为15mg/mL的聚合物电解质溶液，得到溶液B。

向溶液A中逐滴滴加溶液B，使氧化石墨烯与聚合物电解质之比(简写为GO：POLYMER)＝3:1～3:12，余下的体积以蒸馏水补齐，剧烈震荡或超声使其充分混匀，得到带电氧化石墨烯复合物溶液。

步骤二：将块状三聚氰胺泡沫裁剪为4cm×4cm×1cm的长方体(例)，通过将其放入水中、乙醇中浸渍挤压数次，之后将其置于60度的烘箱中烘干过夜，得到洁净干燥的泡沫。

步骤三：称量洁净干燥的泡沫的质量，选取质量相近的泡沫，分别将其浸渍于GO:POLYMER＝3:1、3:3、3:6、3:9、3:12的溶液中，通过挤压-浸渍使泡沫充分吸取浸渍液，之后将浸渍于不同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。

步骤四：水洗、醇洗复合三聚氰胺泡沫以去除表面未充分反应的带电氧化石墨烯复合物；

步骤五：将上述经水洗、醇洗的三聚氰胺泡沫置于烘箱中烘干过夜，得到不同GO:POLYMER配比和热处理温度的三维光热转换材料，编上序号以待使用；

步骤六：利用实施例1中的光热转化效率评估模拟装置评价不同 GO:POLYMER配比和热处理温度的三维光热转换材料，以优选出最佳 GO:POLYMER配比和热处理温度。

结果表明，GO:POLYMER的配比为3:9、热处理温度为100℃的三维光热转换材料效果最佳。

步骤七：将通过步骤六得到的最佳效果的三维光热转换材料置于光热转化装置中，并用其对不同浓度的海水和污水的处理，以评估其效果。

步骤八：收集步骤七中的蒸汽冷凝水，通过电感耦合等离子质谱法和紫外- 可见光分光光度法测定光热转化前后海水中主要离子浓度的变化和污水中污染物质浓度的变化。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％。

表1海水淡化/污水净化实际处理效果

实施例3

制备三维光热转化体的方法如例2，利用环刀在光热转化体中间形成5mm*5 mm的矩形小口，采用中间供水方式处理20wt％的模拟海水，光照强度为1kw·m²。

结果表明，三维光热转化体连续运行12h蒸发水速率及光热转化效率未见下降，并且盐结晶主要出现在光吸收体的边缘，随着光照时间的延长，其逐渐产生、长大，最终脱离光吸收体。

表2中间供水的光吸收体对高浓度海水的实际处理效果

实施例结果表明，利用氧化石墨烯、聚合物电解质、三聚氰胺泡沫合成的三维光热转换材料具有优异的光吸收和良好的绝缘性质，可将太阳光高效地转化为热量。合成的复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。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。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。

Claims (10)

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7～13，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。

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3mg/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S1中氧化石墨烯溶液通过氢氧化钠溶液调节pH值至10～12，pH值优选为12。

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，优选为聚乙烯亚胺。

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S2中溶液A和溶液B的混合浓度比为3:9。

6.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。

7.一种根据权利要求1～6任一所述制备方法制得的三维光热转换材料。

8.一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7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。

9.根据权利要求8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。

10.一种基于权利要求8或9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。

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