CN114477342A - 一种全天候石墨烯基海水淡化纤维膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全天候石墨烯基海水淡化纤维膜其制备方法，属于海水淡化技术领域。其包括：顶层的氧化石墨烯层以及底层的导电纳米纤维膜层；所述导电纳米纤维膜的制备包括：将纤维毡采用石墨烯/碳纳米管进行改性处理，得到导电纤维膜布；在导电纤维膜布表面印刷上导电电极。本发明的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜为双层结构，顶层的氧化石墨烯层以及底层的导电纳米纤维膜层。在有太阳的情况下，顶层的氧化石墨烯层及底层的导电纳米纤维膜层可吸收太阳光中的红外线，通过光热效应获得一定的温度，促进海水蒸发；在没有太阳光的情况下，底层的导电纳米纤维层，可在通电的情况下，产生焦耳热，保证海水蒸发过程的正常进行。
Description
技术领域
本发明涉及海水淡化技术领域，具体涉及一种全天候石墨烯基海水淡化纤维膜其制备方法。
背景技术
饮用水短缺是全球最重要的挑战之一。近来，基于空气/水界面处的太阳能光热海水淡化/水净化技术引起了学术界和工业界的关注。与传统的太阳能蒸发技术通过加热一整块水来获得蒸汽不同，这项新技术将热量集中锁定在气/液界面，从而可以最大程度地减少热损失，并快速的将水变为水蒸气，从而大幅提高蒸汽产生的效率。尽管尚未在大型工厂实施应用，但预计基于光热材料的太阳能海水淡化/水净化技术将成为生产清洁水和减少废水量的经济且可持续的技术。
而利用太阳能光热实现界面蒸发的速率不够稳定，受天气、太阳光辐照昼夜变化等因素的影响，在阴天、夜晚、室内等环境下使用效果较差。若是采用物理装置汇聚太阳光增强能量的措施，这样成本较高，这也是目前很多太阳能设备难以大面积推广应用的主要原因之一。基于清洁能源(如太阳能、风等)的电力供给已经大规模应用，尤其离线电力成本逐年降低，为采用新能源供电的界面蒸发提供了新机遇。
发明内容
本发明的目的是提供一种全天候石墨烯基海水淡化纤维膜其制备方法，以解决现有受光照或天气影响，难以实现全天候海水蒸发淡化处理的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种全天候石墨烯基海水淡化纤维膜，包括：顶层的氧化石墨烯层以及底层的导电纳米纤维膜层；
所述导电纳米纤维膜的制备包括：将纤维毡采用石墨烯/碳纳米管进行改性处理，得到导电纤维膜布；在导电纤维膜布表面印刷上导电电极。
在本发明中，导电电极包括银电极或铜电极。
进一步地，在所述的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜中，所述纤维毡是通过以下方法制备得到的：采用混合溶剂对纤维毡原料进行溶解，得到浓度为9～13wt％的纺丝溶液，采用多针头静电纺丝技术进行静电纺丝，得到纤维毡。
在本发明中采用多针头静电纺丝技术产量远远高于单针头的产量，但针头几乎没有产量。
在本发明中，所述混合溶剂包括：体积比为1：(1～3)的苯酚和四氯乙烷的混合溶剂、体积比为1：(1～3)甲苯和二甲苯的混合溶剂、体积比为1：(1～3)的甲酸和乙酸的混合溶剂、体积比为1：(1～3)的四氢呋喃和环己酮的混合溶剂、体积比为1：(1～3)的二甲亚砜和丙酮的混合溶剂或体积比为1：(1～3)的二甲基甲酰胺和二甲亚砜的混合溶剂。
进一步地，在所述的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜中，所述纤维毡原料包括：聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚丙烯腈或聚氨基甲酸酯。
进一步地，在所述的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜中，所述静电纺丝的工艺参数包括：电压为15～20kV；针头与接收棍的距离为13～20cm；单根针头的速度为0.1mL/min；环境温度为20～25℃；相对湿度为25～30％。
在本发明中，通过对纺丝工艺参数的优化，得到纤维毡纤维直径分布更均匀，有利于后续石墨烯/碳纳米管的改性，以及得到稳定电阻的导电纤维膜布。
进一步地，在所述的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜中，所述纤维毡的克重为100～200g/m2。
纤维毡的克重越大，那么纤维毡的厚度越厚，而纤维毡越厚使得其电阻越低，同等电压下加热温度越高，更有利于蒸发。但纤维毡的克重还是纺丝工艺的限制，因为在本发明中纤维毡的克重在100～200g/m2，既利于纺丝，同时电阻最佳。
进一步地，在所述的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜中，所述改性处理包括：将纤维毡浸入到浓度为5～10wt％的石墨烯/碳纳米管混合分散液中，浸泡温度为40～50℃，浸泡时间为0.5～1h；取出压榨、烘干，在200～250℃，8～15kg压力下热压0.5～3min，得到导电纤维膜布。
在本发明中，浸泡过程中还可以进行超声、震荡等操作。
进一步地，在所述的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜中，所述石墨烯/碳纳米管混合分散液中石墨烯与碳纳米管的质量比为(5～10)：1。其中，石墨烯采用物理剥离法得到的石墨烯。
在本发明中，是将石墨烯和碳纳米管混合对纤维毡进行改性处理，兼具石墨烯和碳纳米管的优点，可作为多维导电填料，形成更多导电通路，更有利于提高其导电性。
在本发明中，所述导电纤维膜布的表面电阻为5～50Ω/sq。
进一步地，在所述的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜中，所述氧化石墨烯层的克重为2～10g/m2。
在本发明中，选用氧化石墨烯层的克重为2～10g/m2，具有更好的界面结合力，且比表面积大，吸收更多的热量。
本发明还提供上述的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
将浓度为0.2～1wt％的氧化石墨烯分散液倒入到导电纳米纤维膜层上，进行抽滤，在导电纳米纤维膜层上形成氧化石墨烯层，进行烘干；
在氧化石墨烯层表面静电喷涂上聚合物超细液滴，烘干。
进一步地，在所述的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜的制备方法中，所述聚合物超细液滴包括：水性聚氨酯超细液滴或丙烯酸树脂超细液滴。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜为双层结构，顶层的氧化石墨烯层以及底层的导电纳米纤维膜层。在有太阳的情况下，顶层的氧化石墨烯层及底层的导电纳米纤维膜层可吸收太阳光中的红外线，通过光热效应获得一定的温度，促进海水蒸发；在没有太阳光的情况下，底层的导电纳米纤维层，可在通电的情况下，产生焦耳热，保证海水蒸发过程的正常进行。这样就能保证海水淡化能在全天候进行工作。
2、本发明的氧化石墨烯层中的氧化石墨烯含有丰富的表面基团及超大的比表面积，可促进水分均匀铺展、吸收，以及红外线的吸收及热量富集，使得整个海水淡化纤维膜始终获得最大的处理效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜的结构示意图；
图中，1-氧化石墨烯层；2-导电纳米纤维膜层；3-导电电极。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
请参照图1，本发明的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜，为双层结构，顶层为氧化石墨烯层，底层为导电纳米纤维膜层。在导电纳米纤维膜层印刷上导电电极，并通过导线将导电电极连接在电源上对导电纳米纤维膜层进行供电，产生焦耳热，保证海水蒸发过程的正常进行。
太阳能界面蒸发技术是一种利用太阳能光热转换，将海水蒸发产生淡化水的过程，是指吸收体充分吸收太阳光，将光能转换成热能不断地传递给水与空气界面的水分子，使水和水分子持续生成蒸汽逸出。它以多孔光热吸收材料为介质，在材料的亲水性下浸润表面，通过太阳光的照射升温蒸发，从而实现海水的淡化。要实现高效太阳能到蒸汽的转化，对吸收体要满足以下条件：(1)吸收体材料需要保持在水面上；(2)吸收体需要有较高的太阳光吸收率；(3)吸收能量需要有效加热与吸收体接触的水层，从而快速高效地实现水到水蒸气转化的过程。
本发明的氧化石墨烯层中氧化石墨烯含有丰富的表面基团及超大的比表面积，可促进水分均匀铺展、吸收，以及红外线的吸收及热量富集，使得整个海水淡化纤维膜始终获得最大的处理效率。氧化石墨烯层为吸水层，具有高比表面积及远红外吸收升温能力，蓄水能力强，加热及保温效率高。导电纳米纤维膜层的电阻低，同等电压驱动下，可获得的温度高。在有太阳的情况下，顶层的氧化石墨烯层及底层的导电纳米纤维膜层可吸收太阳光中的红外线，通过光热效应获得一定的温度，促进海水蒸发；在没有太阳光的情况下，底层的导电纳米纤维层，可在通电的情况下，产生焦耳热，保证海水蒸发过程的正常进行。这样就能保证海水淡化能在全天候进行工作。
在下面实施例中纤维毡原料中的聚酰胺还可以替换为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈或聚氨基甲酸酯。混合溶剂还可以替换为甲苯和二甲苯的混合溶剂、甲酸和乙酸的混合溶剂、四氢呋喃和环己酮的混合溶剂、二甲亚砜和丙酮的混合溶剂或二甲基甲酰胺和二甲亚砜的混合溶剂。银电极还可以替换成铜电极。水性聚氨酯超细液滴还可以替换成丙烯酸树脂超细液滴。
实施例2
本实施例的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜，包括：顶层的氧化石墨烯层以及底层的导电纳米纤维膜层。
其中，所述氧化石墨烯层的克重为2g/m2。
所述导电纳米纤维膜是通过以下方法制备得到的：
(1)采用体积比为1：1的苯酚和四氯乙烷的混合溶剂对纤维毡原料聚酰胺进行溶解，得到浓度为9wt％的纺丝溶液，采用多针头静电纺丝技术进行静电纺丝，得到克重为100g/m2纤维毡；
静电纺丝的工艺参数包括：电压为15kV；针头与接收棍的距离为13cm；单根针头的速度为0.1mL/min；环境温度为20℃；相对湿度为25％。
(2)将纤维毡浸入到浓度为5wt％的石墨烯/碳纳米管的混合分散液中，浸泡温度为40℃，浸泡时间0.5h；取出压榨、烘干，在200℃，8kg压力下热压3min，得到表面电阻为35Ω/sq的导电纤维膜布；
(3)在导电纤维膜布表面印刷上银电极，得到导电纳米纤维膜。
本实施例的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将浓度为0.2wt％的氧化石墨烯分散液倒入到导电纳米纤维膜层上，进行抽滤，在导电纳米纤维膜层上形成氧化石墨烯层，进行烘干；
(2)在氧化石墨烯层表面静电喷涂上水性聚氨酯超细液滴，烘干。
实施例3
本实施例的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜，包括：顶层的氧化石墨烯层以及底层的导电纳米纤维膜层。
其中，所述氧化石墨烯层的克重为6g/m2。
所述导电纳米纤维膜是通过以下方法制备得到的：
(1)采用体积比为1：2的苯酚和四氯乙烷的混合溶剂对纤维毡原料聚酰胺进行溶解，得到浓度为10wt％的纺丝溶液，采用多针头静电纺丝技术进行静电纺丝，得到克重为150g/m2纤维毡。
静电纺丝的工艺参数包括：电压为17kV；针头与接收棍的距离为16m；单根针头的速度为0.1mL/min；环境温度为23℃；相对湿度为27％。
(2)将纤维毡浸入到浓度为7wt％的石墨烯/碳纳米管的混合分散液中，浸泡温度为45℃，浸泡时间为1h；取出压榨、烘干，在230℃，10kg压力下热压1.5min，得到表面电阻为25Ω/sq的导电纤维膜布；
(3)在导电纤维膜布表面印刷上银电极，得到导电纳米纤维膜。
本实施例的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将浓度为0.6wt％的氧化石墨烯分散液倒入到导电纳米纤维膜层上，进行抽滤，在导电纳米纤维膜层上形成氧化石墨烯层，进行烘干；
(2)在氧化石墨烯层表面静电喷涂上水性聚氨酯超细液滴或丙烯酸树脂超细液滴，烘干。
实施例4
本实施例的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜，包括：顶层的氧化石墨烯层以及底层的导电纳米纤维膜层。
其中，所述氧化石墨烯层的克重为10g/m2。
所述导电纳米纤维膜是通过以下方法制备得到的：
(1)采用体积比为1：3的苯酚和四氯乙烷的混合溶剂对纤维毡原料聚酰胺进行溶解，得到浓度为13wt％的纺丝溶液，采用多针头静电纺丝技术进行静电纺丝，得到克重为200g/m2纤维毡。
静电纺丝的工艺参数包括：电压为20kV；针头与接收棍的距离为20cm；单根针头的速度为0.1mL/min；环境温度为25℃；相对湿度为30％。
(2)将纤维毡浸入到浓度为10wt％的石墨烯/碳纳米管的混合分散液中，浸泡温度为50℃，浸泡时间为1h；取出压榨、烘干，在250℃，15kg压力下热压0.5min，得到表面电阻为15Ω/sq的导电纤维膜布；
(3)在导电纤维膜布表面印刷上银电极，得到导电纳米纤维膜。
本实施例的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将浓度为1wt％的氧化石墨烯分散液倒入到导电纳米纤维膜层上，进行抽滤，在导电纳米纤维膜层上形成氧化石墨烯层，进行烘干；
(2)在氧化石墨烯层表面静电喷涂上水性聚氨酯超细液滴或丙烯酸树脂超细液滴，烘干。
试验例
采用实施例2制得的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜，取幅宽60cm放置于海水中后，白天通过吸收太阳光蒸发海水，淡水产水量为每天6～10kg/m2，夜晚或非晴朗天气，通过通电产生焦耳热加热海水，淡水产水量为每天8～20kg/m2。综合计算，采用本发明的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜产水量比普通日照式海水淡化蒸发器的产水量可提升30％～100％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种全天候石墨烯基海水淡化纤维膜，其特征在于，包括：顶层的氧化石墨烯层以及底层的导电纳米纤维膜层；
所述导电纳米纤维膜的制备包括：将纤维毡采用石墨烯/碳纳米管进行改性处理，得到导电纤维膜布；在导电纤维膜布表面印刷上导电电极。
2.根据权利要求1所述的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜，其特征在于，所述纤维毡是通过以下方法制备得到的：采用混合溶剂对纤维毡原料进行溶解，得到浓度为9～13wt％的纺丝溶液，采用多针头静电纺丝技术进行静电纺丝，得到纤维毡。
3.根据权利要求2所述的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜，其特征在于，所述纤维毡原料包括：聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚丙烯腈或聚氨基甲酸酯。
4.根据权利要求2所述的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜，其特征在于，所述静电纺丝的工艺参数包括：电压为15～20kV；针头与接收棍的距离为13～20cm；单根针头的速度为0.1mL/min；环境温度为20～25℃；相对湿度为25～30％。
5.根据权利要求1-4任一项所述的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜，其特征在于，所述纤维毡的克重为100～200g/m2。
6.根据权利要求5所述的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜，其特征在于，所述改性处理包括：将纤维毡浸入到浓度为5～10wt％的石墨烯/碳纳米管混合分散液中，浸泡温度为40～50℃，浸泡时间为0.5～1h；取出压榨、烘干，在200～250℃，8～15kg压力下热压0.5～3min，得到导电纤维膜布。
7.根据权利要求6所述的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜，其特征在于，所述石墨烯/碳纳米管混合分散液中石墨烯与碳纳米管的质量比为(5～10)：1。
8.根据权利要求5所述的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜，其特征在于，所述氧化石墨烯层的克重为2～10g/m2。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将浓度为0.2～1wt％的氧化石墨烯分散液倒入到导电纳米纤维膜层上，进行抽滤，在导电纳米纤维膜层上形成氧化石墨烯层，进行烘干；
在氧化石墨烯层表面静电喷涂上聚合物超细液滴，烘干。
10.根据权利要求9所述的全天候石墨烯基海水淡化纤维膜的制备方法，其特征在于，所述聚合物超细液滴包括：水性聚氨酯超细液滴或丙烯酸树脂超细液滴。
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