CN115432762B - 一种基于四元复合材料的ssg*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于四元复合材料的SSG***，所述***包括：以硅藻土、聚乙烯醇、Fe3O4和棉花制作的四元复合材料作为***光热转换层，将所述光热材料层放置在海水表面的聚乙烯泡沫上，并在光热转化层和海水之间使用棉芯连接。本发明加入的Fe3O4具有广泛的光吸收特点和良好的光热转换性能，是理想的光热转换材料，聚乙烯醇增强了Fe3O4、棉花和硅藻土三者间的粘合力，还增强了样品和内部多孔结构的硬度，硅藻土的存在使得样品的亲水性大大提高，保证了下层的水可以源源不断的输送到样品表面，而且硅藻土使样品表面变得粗糙，降低了太阳光的反射，提高了光热转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，具体为一种基于四元复合材料的SSG***。
背景技术
水资源短缺的问题一直是人类亟需解决的难题之一，面对全球水资源短缺的问题，很多学者投入到获取净化水的研究中，污水提纯和海水淡化是解决水资源短缺的主要方法。太阳能是公认的清洁和可持续的能源，通常，使用太阳能实现Solar steamgeneration方法只有大约35%的光热转换效率，蒸发效率较低，且在蒸发过程中还会出现供水不足和热损失等问题。针对于此，近几年涌出了大量的优化Solar steam generation的方法，通常情况下，三维水通道常会和水体产生热传导，因此采用纤维纸基的二维水通道和棉花基的一维水通道可以减少热损失，为了进一步减少热损失，在光热转换层和水体之间放置一层绝缘材料，比如聚乙烯泡沫塑料，防止材料与水体接触，进而防止热损失。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于四元复合材料的SSG***，解决了水资源短缺的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
基于四元复合材料的SSG***，所述***包括：以硅藻土、聚乙烯醇、Fe3O4和棉花制作的四元复合材料作为***光热转换层，将所述光热材料层放置在海水表面的聚乙烯泡沫上，并在光热转化层和海水之间使用棉芯连接。
所述四元复合材料的制备方法包括以下步骤：
将棉花撕成棉絮后按照棉花：Fe3O4为1.5-2:1的重量比浸泡在水中，搅拌6-7小时后，向上述的混合溶液中加入与棉花等质量的硅藻土和棉花重量20-30%的聚乙烯醇，加热至70-90℃，保持并继续搅拌至水分蒸干，然后将上述材料放入模具中压缩成型，最后将其放入75-80℃的烤箱中烘干10-12h，取出后冷却至室温，即得。
本发明具备以下有益效果：
本发明加入的Fe3O4具有广泛的光吸收特点和良好的光热转换性能，是理想的光热转换材料，聚乙烯醇增强了Fe3O4、棉花和硅藻土三者间的粘合力，还增强了样品和内部多孔结构的硬度，硅藻土的存在使得样品的亲水性大大提高，保证了下层的水可以源源不断的输送到样品表面，而且硅藻土使样品表面变得粗糙，降低了太阳光的反射，提高了光热转换效率。
附图说明
图1a为本发明SSG实验装置的平台示意图；图1b为光热膜蒸发器示意图；
图2a为本发明Fe3O4、硅藻土和CT-Fe-聚乙烯醇-DM的XRD谱图，图2b为CT、CT-Fe、CT-Fe-聚乙烯醇和CT-Fe-聚乙烯醇-DM光吸收率图；
图3a~c为使用扫描电镜观察CT、CT-Fe和CT-Fe-聚乙烯醇-DM的形貌和微观结构图；图3d~f为CT-Fe、CT-Fe-聚乙烯醇和CT-Fe-聚乙烯醇-DM三种样品的接触角图；
图4a为CT-Fe-聚乙烯醇接触水后不同的时间的红外热成像图像；图4b为 CT-Fe-聚乙烯醇-DM接触水后不同时间对应的红外图像；
图5a为实验室SSG装置实物图；图5b位一个太阳强度下，水的质量随光照时间变化规律图；图5c为一个太阳强度下，CT、CT-Fe、CT-Fe-聚乙烯醇、CT-Fe-聚乙烯醇-DM四种样品的蒸发速度和蒸发效率图；图5d为不同太阳强度下，水的质量随光照时间变化规律图；图5e为不同太阳强度下，CT-Fe-聚乙烯醇-DM的蒸发速度和蒸发效率图；图5f为一个太阳强度下，CT-Fe-聚乙烯醇-DM的循环测试性能图；
图6a为1个太阳下， CT-Fe-聚乙烯醇-DM（干燥状态）不同时间下的红外图像；图6b为一个太阳下，CT-Fe-聚乙烯醇-DM（干燥状态）的上表面温度随热辐射时间的变化图，图6c为一个太阳下，不同样品在不同时间下的红外图像；图6d为一个太阳下，不同样品上表面温度随辐射时间的变化图；
图7a为实验室搭建的太阳能驱动水蒸发***的示意图；图7b为使用甲基蓝和甲基橙配置成质量分数为20mg/L的溶液模拟废水，废水和处理后的淡水的吸收光谱；图7c为使用海盐按照质量分数为3.5%配置成溶液来模拟海水，测量海水淡化前后溶液的盐度图；图7d为废水中重金属离子净化前后对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于四元复合材料的SSG***，所述***包括：以硅藻土、聚乙烯醇、Fe3O4和棉花制作的四元复合材料作为***光热转换层，将所述光热材料层放置在海水表面的聚乙烯泡沫上，并在光热转化层和海水之间使用棉芯连接。
所述四元复合材料的制备方法包括以下步骤：
将棉花撕成棉絮后按照棉花：Fe3O4为1.5:1的重量比浸泡在水中，搅拌6小时后，向上述的混合溶液中加入与棉花等质量的硅藻土和棉花重量20%的聚乙烯醇，加热至70℃，保持并继续搅拌至水分蒸干，然后将上述材料放入模具中压缩成型，最后将其放入75℃的烤箱中烘干10h，取出后冷却至室温，即得，记为CT-Fe-聚乙烯醇-DM，作为对比，使用同样的方式不加硅藻土制作的样品记为CT-Fe-聚乙烯醇，不加聚乙烯醇和硅藻土制作的样品记为CT-Fe，只使用棉花制作的样品记为CT；
SSG 试验
SSG实验装置的平台示意图如图1a所示，在装有污水/海水的烧杯中放置光热转换样品，烧杯放置在与计算机相连的电子天平上，使用氙灯模拟太阳照射样品，随之发生水蒸发，实时监测记录烧杯中水的质量变化。光热膜蒸发器示意图如图1b所示，顶部采用所制备的样品作为光热转换材料，在样品表面进行光热转换，蒸发界面区域的水分，待测样品被放置在一片聚乙烯泡沫上，聚乙烯泡沫悬空固定在烧杯中，一方面阻挡阳光和烧杯中水直接接触，形成热辐射影响实验，另一方面减少从顶部光热膜和下层海水之间的热对流，使用若干根棉芯穿过泡沫，其两端分别与样品和海水接触
SSG 测试
SSG测试分别在1~3个太阳下测试，通过调节太阳模拟器的功率来实现1~3kw m-2光功率强度，实验采用的样品的上表面积为cm2,所有实验均在环境温度为25℃相对湿度60%条件下完成，实验中采用的模拟海水的质量分数为3.5wt%，体积150ml，放置0.5h后，待海水浸湿整个样品后开始实验，并用电子天平和红外热成像仪分别监测海水重量变化和样品温度变化。
Fe3O4、硅藻土和CT-Fe-聚乙烯醇-DM的XRD谱图如图2a所示，Fe3O4的衍射峰主要出现在30.08°、35.43°、43.06°、53.42°、56.94°和62.53°，分别位于(220)、(311)、(400)、(422)、(333)和(440)平面，硅藻土则主要在21.95°和31.37°出现(101)和(102)特征峰，对于复合样品CT-Fe-聚乙烯醇-DM，可以发现上述的特征峰都出现了，但是观察这些特征峰的强度都不同程度的减弱了，这可能是由于Fe3O4纳米粉和硅藻土微粒混合后微粒间交替排列导致的。样品CT-Fe-聚乙烯醇-DM的XRD谱图中还有一些没有注明的特征峰，这可能是棉花和聚乙烯醇的特征峰。提高SSG的效率的决定性因素之一就是样品的光吸收率，使用UV-vis-NIR spectrometer分别测量了CT、CT-Fe、CT-Fe-聚乙烯醇和CT-Fe-聚乙烯醇-DM光吸收率（图2b），四种样品的平均吸光度分别为28.03%、96.13%、95.93%和93.42%，可以发现了加入Fe3O4的样品吸光度明显提高，在波长为200~2500nm区间内都具有较高的吸光度，其中样品CT-Fe和CT-Fe-聚乙烯醇的吸光度接近，而样品CT-Fe-聚乙烯醇-DM的吸光度略低，虽然硅藻土粗糙的表面降低了样品的反射率，但又由于其近似白色的表面降低了吸光度。
使用扫描电镜观察CT、CT-Fe和CT-Fe-聚乙烯醇-DM的形貌和微观结构如图3中的a~c所示，CT样品表面比较光滑，且看起来比较蓬松，CT-Fe样品表面可以明显看到附着的纳米颗粒，样品看起来比CT致密了一些，CT-Fe-聚乙烯醇-DM样品看起来更加的致密，也可以在表面看到很多附着的纳米颗粒，并且有些纳米颗粒出现了聚团的现象，这是由于聚乙烯醇的存在，使得样品中的颗粒胶在了一起形成了块状，并且样品变得坚固。CT-Fe、CT-Fe-聚乙烯醇和CT-Fe-聚乙烯醇-DM三种样品的接触角如图3d~f所示，比较蓬松的CT-Fe样品的接触角为120.5°，CT-Fe-聚乙烯醇样品由于加了聚乙烯醇，样品变得致密，表现出更好的亲水性，接触角为72.8°，样品CT-Fe-聚乙烯醇-DM中含有硅藻土，有研究表明硅藻土表面含有大量的羟基，增加了样品的亲水性，测量的接触角为53.9°。
为了对比CT-Fe-聚乙烯醇和CT-Fe-聚乙烯醇-DM两种样品的亲水性，将两种样品分别悬空在小水池中，若材料是亲水的，则水必定会由于毛细现象充满整个样品。CT-Fe-聚乙烯醇和CT-Fe-聚乙烯醇-DM两种样品接触水后不同的时间的红外热成像图像如图4所示。CT-Fe-聚乙烯醇-DM在接触水之前材料温度较高，样品表面的红外热成像图为红色。接触水之后，水分迅速沿着样品开始蔓延，样品表面的温度迅速降低，经过5s后，通过红外热成像图片可以看到水分已经覆盖样品的一半，15s后水分就覆盖了整个样品。CT-Fe-聚乙烯醇在接触水之前的热成像图和CT-Fe-聚乙烯醇-DM相似，接触水后，水分也沿着样品蔓延，经过5s后，水分只蔓延了样品的1/3，约30s后水分才覆盖整个样品。结果表明，CT-Fe-聚乙烯醇-DM具有较强的亲水性和吸水性，这对SSG的效率来说是非常重要的性能，而且CT-Fe-聚乙烯醇-DM的热成像相比CT-Fe-聚乙烯醇更加清晰，说明水分分布的更加均匀。这些结果都证明了DM可以增加样品的吸水性和亲水性。
光热转换和太阳能蒸汽实验
将纯海水、CT、CT-Fe、CT-Fe-聚乙烯醇和CT-Fe-聚乙烯醇-DM几种样品分别使用图5a所示的装置进行SSG实验，测试并分析比较了几种样品的蒸发性能。如图5所示，纯海水的蒸发速率很慢，其在黑暗和1个太阳的光照下40min的质量变化分别为0.02kg m-2和0.16 kgm-2，相比之下，使用样品后的实验装置，蒸发效率都有不同程度的提高，CT、CT-Fe、CT-Fe-聚乙烯醇和CT-Fe-聚乙烯醇-DM在一个太阳下40min的海水蒸发质量依次升高，分别为0.33kgm-2 、0.72kg m-2 、0.82kg m-2 和0.9kg m-2，减去黑暗下海水蒸发速率可以计算得到几种样品的蒸发速率顺序为CT-Fe-聚乙烯醇-DM（1.32kg m-2 h-1）>CT-Fe-聚乙烯醇（1.2kg m-2 h-1）>CT-Fe（1.05kg m-2 h-1）>CT（0.47kg m-2 h-1）>Seawater-light（0.21kg m-2 h-1）>Seawater-dark（0.03kg m-2 h-1），可以进一步计算出海水、CT、CT-Fe、CT-Fe-聚乙烯醇和CT-Fe-聚乙烯醇-DM在一个太阳下的蒸发效率分别约为13%、29%、66%、75%和82.9%（图5）。
图5显示了样品CT-Fe-聚乙烯醇-DM在1、2、3个太阳下，海水蒸发质量随时间变化的曲线，可以发现，该样品在1、2、3个太阳下40min后的海水质量损失分别为0.9kg m-2、1.45kg m-2和2.22kg m-2。进一步可以计算出对应的蒸发速率分别为1.32kg m-2 h-1、2.15kgm-2 h-1和3.3kg m-2 h-1，从这一结果我们可以得到，蒸发速率与光照强度并不是成线性关系，这主要是由于随着光照强度的增加，样片表面的温度增加，使得样品表面和环境之间温差变大，从而加大了热对流和热辐射，降低了能量的利用率，因此蒸发效率从一个太阳的82.9%下降至两个太阳的67.4%和三个太阳的69%（图5），考虑提高蒸发效率，可以在增加光照强度的前提下适量增加样品的保温能力。为了测评在一个太阳照射下的蒸发性能的稳定性，进行了10次循环实验（图5），每个循环持续1h，从图中可以看出，蒸发速率和蒸发效率都稳定在1.3 kg m-2 h-1以上和82%以上。
图6a为CT-Fe-聚乙烯醇-DM样品在室温25℃，相对湿度为60%环境下，1个太阳下不同时间的样品表面红外图像，图6b为其表面温度随时间的变化趋势，在样品被照射后30s内，其表面温度上升了38℃，随后温度的上升开始变得缓慢，65s后，样片表面的温度升高为73.1℃，经过6min的照射，最终样片表面温度达到81.4℃，整体升高了52.6℃，上面的结果表明CT-Fe-聚乙烯醇-DM作为SSG***的光热材料具有一定的实际意义。
不同样品由于其光热转换效率不同，蒸发过程中样品表面的温度也不同，一个太阳下，几种样品在不同时间下的红外图像如图6c所示，样品表面温度在1个太阳照射下随时间变化的曲线如图6d所示，纯海水或者CT样品情况下，温度升高相对缓慢，当使用CT-Fe、CT-Fe-聚乙烯醇和CT-Fe-聚乙烯醇-DM作为光热转化膜时候，温度升高相对较快，在前5min中，三种样品上升了约13℃，第5min到10min三种样品温度上升速度相对较慢，上升了约4℃，三种样品中都含有Fe3O4，说明Fe3O4具有良好的光热转换能力，10min之后，几种样品表面的温度都趋于稳定，其中CT-Fe-聚乙烯醇-DM分别高于CT-Fe和CT-Fe-聚乙烯醇表面温度为0.3℃和1℃，以上数据都证实了所制作的样品具有良好的光热转换性能。
水净化
图7a为实验室搭建的太阳能驱动水蒸发***的示意图，将本文所述的CT-Fe-聚乙烯醇-DM样品放置在泡沫表面作为光热转换层。在实验中，水的蒸发效率高的主要原因之一是采用了棉芯作为传送水的通道，这也是太阳光唯一能和水接触的路径，使用聚乙烯泡沫作为隔热层，进一步防止海水/污水直接与太阳光大面积接触。
为了进一步研究CT-Fe-聚乙烯醇-DM净化污水的能力，分别使用甲基蓝和甲基橙配置成质量分数为20mg/L的溶液模拟废水（如图7b所示），分别为废水和处理后的淡水的吸收光谱，由图可知，经过净化之后的废水的吸光度接近零，表明废水中杂质粒子已经去除，如图7d所示为废水中重金属离子净化前后对比图，净化后的Cu2+、Ni2+、Cd2+、Zn2+、Co2+浓度分别降低了4、3、3、3、4个数量级，表明重金属离子在废水中已经几乎消失。因此表明基于CT-Fe-PVA-DM的SSG是一种有效的污水净化的方法。此外我们还模拟海水淡化的实验，使用海盐按照质量分数为3.5%配置成溶液来模拟海水，测量海水淡化前后溶液的盐度如图7c所示，结果显示淡化后的海水盐度接近0%，且淡化前后海水中的Na+、Mg2+、K+、Ca2+浓度分别下降了3、4、3、3个数量级，从淡化前的超出WHO standards变为淡化后低于WHO标准，符合人们饮用水标准。充分证实了基于CT-Fe-PVA-DM的SSG是一种有效海水淡化方法。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (1)
1.一种基于四元复合材料的SSG***，其特征在于：所述***包括：以硅藻土、聚乙烯醇、Fe3O4和棉花制作的四元复合材料作为***光热转换层，将所述光热转换层放置在海水表面的聚乙烯泡沫上，并在光热转化层和海水之间使用棉芯连接；
所述四元复合材料的制备方法包括以下步骤：
将棉花撕成棉絮后，按照重量比为1.5-2:1的棉花：Fe3O4混合浸泡在水中，搅拌6-7小时后，向上述的混合物中加入与棉花等质量的硅藻土和棉花重量20-30%的聚乙烯醇，加热至70-90℃，保持并继续搅拌至水分蒸干，然后将上述材料放入模具中压缩成型，最后将其放入75-80℃的烤箱中烘干10-12h，取出后冷却至室温，即得。
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