兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的復(fù)合薄膜及其制備與應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明涉及兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的復(fù)合薄膜及其制備與應(yīng)用，復(fù)合薄膜包括基底及沉積在基底上兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的功能膜，基底為具有多孔結(jié)構(gòu)的微納米薄膜，功能膜由兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的非金屬無機(jī)物制成。將此復(fù)合薄膜放置到待吸附的溶液上表面，使其浮于溶液與空氣界面并與溶液充分接觸，功能膜有效吸附溶液中的污染物達(dá)到對(duì)污染物吸附的目的；與此同時(shí)，對(duì)漂浮的復(fù)合薄膜進(jìn)行光照，激發(fā)復(fù)合薄膜中非金屬無機(jī)物的光熱轉(zhuǎn)化效應(yīng)，在溶液與空氣界面產(chǎn)生局部加熱效應(yīng)，促進(jìn)溶劑的快速蒸發(fā)，從而加速污染物向復(fù)合薄膜中擴(kuò)散和吸附。利用此復(fù)合薄膜進(jìn)行污水凈化的方法具有吸附量大、吸附速率快、界面加熱蒸發(fā)速率快等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的復(fù)合薄膜及其制備與應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于污染物吸附轉(zhuǎn)移及污水凈化技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的復(fù)合薄膜及其制備與應(yīng)用。【背景技術(shù)】
[0002]近代工業(yè)的快速發(fā)展給自然環(huán)境帶來越來越大的破壞。其中，水體污染是環(huán)境污染的重災(zāi)區(qū)，水體的凈化是實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展所面臨的重大課題之一。水體中的污染物主要包括:重金屬離子、染料、油污以及其他有機(jī)污染物。其中，重金屬離子污染物如汞離子的主要來源是含汞化合物的冶金、生產(chǎn)及應(yīng)用。染料廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、印染和化妝品等行業(yè)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，商業(yè)用途的染料種類已超過10萬種，世界上每年染料的年產(chǎn)量約為10 萬噸，約有10%?15%的染料直接釋放到水中。這些重金屬離子、染料、油污以及其他有害物質(zhì)通常具有非常高的毒性和致癌性，嚴(yán)重破壞了水質(zhì)，對(duì)人們的身體健康造成嚴(yán)重的影響和威脅。
[0003]對(duì)于水體中的重金屬離子、染料、油污以及其他有害物質(zhì)，可以通過物理吸附的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)移，進(jìn)而進(jìn)一步對(duì)吸附的污染物進(jìn)行再處理。物理吸附是一種簡(jiǎn)單、直接的污水凈化技術(shù)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)資源的回收和環(huán)境的治理。目前廣泛采用的物理吸附技術(shù)一般是向污染的水體中添加吸附材料如活性炭粉末、石墨烯粉末等，進(jìn)行攪拌、靜置，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的吸附。該方法依靠污染物自身的擴(kuò)散，通常需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能完成對(duì)污染物的吸附，同時(shí)粉末狀吸附劑存在不易于回收和重復(fù)利用、容易造成水體二次污染等缺點(diǎn)。
[0004]太陽能作為可再生能源和綠色能源，加速應(yīng)用太陽能在污水凈化中的應(yīng)用有著重要的意義。目前太陽能在凈化水領(lǐng)域的應(yīng)用主要是光催化降解有機(jī)物凈化水技術(shù)。然而，光催化技術(shù)難以對(duì)水中的重金屬離子以及難降解的有機(jī)物進(jìn)行有效凈化。在污水凈化領(lǐng)域， 還可以將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，再利用熱能對(duì)水體進(jìn)行蒸餾，達(dá)到分離污染物和水體的目的。 最近的研究表明，與傳統(tǒng)整體加熱方式相比，在溶液與空氣界面處應(yīng)用太陽能的光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)可以產(chǎn)生局部加熱，從而大幅度提高液體的蒸發(fā)速率，蒸發(fā)的水蒸氣經(jīng)冷卻為純凈水進(jìn)行回收。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于為了克服上述現(xiàn)有吸附技術(shù)的不足和充分利用豐富的清潔能源太陽能而提供一種兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的復(fù)合薄膜及其制備與應(yīng)用，本發(fā)明利用光熱轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的水流加速?gòu)?fù)合材料對(duì)污染物的吸附，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的快速吸附和回收再利用。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0007]兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的復(fù)合薄膜，包括基底，及沉積在基底上兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的功能膜，所述的基底為具有多孔結(jié)構(gòu)的微納米薄膜，所述的功能膜由兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的非金屬無機(jī)物制成。
[0008]進(jìn)一步地，具有多孔結(jié)構(gòu)的微納米薄膜包括無塵紙、玻璃纖維紙、紗布或海綿薄膜。
[0009]進(jìn)一步地，兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的非金屬無機(jī)物包括石墨稀、碳黑、碳納米管、活性炭或石墨粉。
[0010]兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的復(fù)合薄膜的制備方法，將具有多孔結(jié)構(gòu)的微納米薄膜作為基底，在基底上沉積一層兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的功能膜，所述的沉積方法包括物理沉積、噴涂、涂膜或自組裝等工藝。
[0011]進(jìn)一步地，所述的物理沉積的工藝步驟如下:首先，將兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的非金屬無機(jī)物的微納米結(jié)構(gòu)單元均勾分散至溶劑中，得到質(zhì)量濃度為l-l〇〇mg/ml的溶液，通過向基底滴加前述溶液，溶劑揮發(fā)，在基底上形成兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的功能膜，從而得到復(fù)合薄膜。
[0012]進(jìn)一步地，所述的噴涂工藝步驟如下:首先，將兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的非金屬無機(jī)物的微納米結(jié)構(gòu)單元均勾分散至溶劑中，得到質(zhì)量濃度為1 -1 〇〇mg/ml的溶液，通過噴涂筆裝置在基底上噴涂前述溶液，待溶劑蒸發(fā)得到兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的功能膜，從而得到復(fù)合薄膜。
[0013]進(jìn)一步地，所述的涂膜工藝步驟如下:首先，將兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的非金屬無機(jī)物的微納米結(jié)構(gòu)單元均勾分散至溶劑中，得到質(zhì)量濃度為1 -1 〇〇mg/ml的溶液，通過可控旋涂裝置在基底上旋涂前述溶液，待溶劑蒸干得到兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的功能膜，從而得到復(fù)合薄膜。
[0014]進(jìn)一步地，所述的溶劑為水或有機(jī)溶劑或水與有機(jī)溶劑的混合液，所述的有機(jī)溶劑選自乙醇、甲醇、甲苯或正己烷等。
[0015]兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的復(fù)合薄膜的應(yīng)用，利用所述的復(fù)合薄膜進(jìn)行污水凈化，具體方法為:
[0016]將此復(fù)合薄膜放置到待吸附的溶液上表面，使其浮于溶液與空氣界面并與溶液充分接觸，功能膜通過靜電引力、氫鍵等相互作用力可以有效吸附溶液中的污染物，如重金屬離子、染料、油污以及其他有機(jī)污染物，達(dá)到對(duì)污染物吸附的目的；與此同時(shí)，對(duì)漂浮的復(fù)合薄膜進(jìn)行光照，激發(fā)復(fù)合薄膜中非金屬無機(jī)物的光熱轉(zhuǎn)化效應(yīng)，在溶液與空氣界面產(chǎn)生局部加熱效應(yīng)，促進(jìn)溶劑的快速蒸發(fā)，從而加速污染物向復(fù)合薄膜中擴(kuò)散和吸附。
[0017]還具有復(fù)合薄膜界面高效熱蒸發(fā)凈化與濃縮的步驟，具體為:在光照條件下，界面光熱轉(zhuǎn)化效應(yīng)蒸發(fā)的溶劑可以高效地通過具有多孔結(jié)構(gòu)的復(fù)合薄膜，一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液快速的濃縮，同時(shí)可對(duì)蒸發(fā)的溶劑進(jìn)行冷凝，直接獲得凈化的溶劑，實(shí)現(xiàn)對(duì)溶劑的再回收。
[0018]所述的光包括激光、可見光、太陽光、紫外光、紅外光或微波，也可為幾種光的疊加，但須能夠被復(fù)合薄膜吸收并轉(zhuǎn)化為熱能。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0020](1)本發(fā)明提出的吸附技術(shù)能夠?qū)⑽锢砦胶吞柲芄鉄徂D(zhuǎn)換有效地結(jié)合在一起，利用光熱轉(zhuǎn)換局部加熱效應(yīng)帶來的蒸發(fā)促進(jìn)污染物向吸附材料表面的擴(kuò)散，大大地加速了吸附凈化速率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)和吸附雙重凈化功能。
[0021](2)本發(fā)明所制備的復(fù)合薄膜體系可充分地利用薄膜材料易轉(zhuǎn)移、回收和重復(fù)利用的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)存在著可折疊、易于大規(guī)模生產(chǎn)制備等優(yōu)勢(shì)。
[0022] (3)本發(fā)明所制備的復(fù)合薄膜體系可通過向其中添加其他功能納米材料，充分利用增強(qiáng)吸附的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提升對(duì)污染物的多重凈化效果?！靖綀D說明】
[0023]圖1為由還原氧化石墨烯、無塵紙基體組成的復(fù)合薄膜的掃描電鏡圖；[〇〇24]圖2為復(fù)合薄膜的吸收光譜圖；[〇〇25]圖3為復(fù)合薄膜污染物吸附量與時(shí)間的關(guān)系圖；
[0026]圖4為復(fù)合薄膜蒸發(fā)量與時(shí)間的關(guān)系圖。【具體實(shí)施方式】[〇〇27]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。[〇〇28] 實(shí)施例1
[0029] (1)兼具光熱轉(zhuǎn)換和吸附功能膜的制備[0〇3〇] 首先，利用HummerS法制備氧化石墨稀水溶液，配制為1 mg/m 1的氧化石墨稀水溶液，取lml氧化石墨烯水溶液滴加在直徑是2.5cm的無塵紙上表面，放置在60°C的烘箱內(nèi)烘干，制得氧化石墨烯無塵紙。利用水熱法對(duì)無塵紙表面的氧化石墨烯進(jìn)行還原。在高壓反應(yīng)釜內(nèi)膽中注入20ml蒸餾水和10ml乙醇，將氧化石墨烯無塵紙放入內(nèi)膽密封，放在120 °C烘箱內(nèi)保溫3小時(shí)，冷卻，取出，放置在60°C烘箱內(nèi)直至烘干。制備出如圖1所示的還原氧化石墨烯和無塵紙基體組成的復(fù)合薄膜。
[0031] (2)利用上述所制備的復(fù)合薄膜進(jìn)行污染物吸附凈化:將此還原氧化石墨烯和無塵紙組成的復(fù)合薄膜放入裝有l(wèi)〇ml的羅丹明水溶液(濃度為10mg/L)的燒杯中，使其浮于溶液與空氣界面并與溶液充分接觸，利用聚光板聚焦太陽光，聚焦后的光強(qiáng)為350mW/cm2,聚焦后的光束照射在復(fù)合薄膜上，測(cè)試時(shí)間為2小時(shí)，溶液中剩余污染物隨時(shí)間變化如圖3所不。
[0032]比較例1
[0033]為了突出該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，本例中制備了在沒有光照條件下復(fù)合薄膜吸附效果和有光照條件下復(fù)合薄膜吸附效果作為對(duì)照組，其他實(shí)驗(yàn)條件不變，對(duì)其吸附性能進(jìn)行了分析， 具體結(jié)果如圖3所示。制備了無塵紙蒸發(fā)效果和復(fù)合薄膜蒸發(fā)效果作為對(duì)照組，其他實(shí)驗(yàn)條件不變，對(duì)其蒸發(fā)效果進(jìn)行了分析，具體結(jié)果如圖4所示。
[0034]從圖2可知，還原氧化石墨烯無塵紙復(fù)合薄膜對(duì)于太陽光是全譜吸收，具有很高的光熱轉(zhuǎn)化效率。從圖3可知，局部加熱效應(yīng)帶來的蒸發(fā)促進(jìn)污染物向吸附材料表面的擴(kuò)散， 大大地加速了吸附凈化速率。復(fù)合薄膜吸附量由45%增加到85%，吸附性能得到了大幅度提高。從圖4可知，在光照條件下，復(fù)合薄膜具有高光熱轉(zhuǎn)化速率以及局部加熱效應(yīng)使得蒸發(fā)速率是無塵紙蒸發(fā)速率的5倍，蒸發(fā)速率大幅度提高。
[0035]實(shí)施例2
[0036] —種利用太陽能光熱效應(yīng)加速吸附凈化的方法，該方法包括以下步驟:
[0037] (1)兼具光熱轉(zhuǎn)換和吸附功能膜的制備:將具有多孔微米結(jié)構(gòu)的無塵紙薄膜作為基底，在基底模板上沉積一層兼具光熱轉(zhuǎn)換和吸附性能的片狀碳黑納米粉末制備成兼具光熱轉(zhuǎn)換和吸附功能膜。具體為:將兼具光熱轉(zhuǎn)換和吸附性能的片徑大小為50-200nm的片狀碳黑粉末均勻分散至乙醇中，得到質(zhì)量濃度l-l〇〇mg/ml的溶液，通過物理沉積的方法在無塵紙基底膜上沉積一層碳黑粉末薄膜得到兼具光熱轉(zhuǎn)換和吸附功能膜。
[0038](2)利用上述所制備的復(fù)合薄膜進(jìn)行污染物吸附:將此復(fù)合薄膜移到待吸附的溶液上表面，使其浮于溶液表面并與溶液充分接觸，具有吸附特性的非金屬無機(jī)物通過靜電引力、氫鍵等相互作用力可以有效的吸附溶液中的污染物，如重金屬離子、染料、油污以及其他有機(jī)污染物，達(dá)到對(duì)污染物吸附的目的；與此同時(shí)，對(duì)接收到的電磁波進(jìn)行全譜吸收實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換，局部加熱效應(yīng)帶來的蒸發(fā)促進(jìn)污染物向吸附材料表面的擴(kuò)散，大大地加速了吸附凈化速率。[〇〇39] 實(shí)施例3
[0040]所述的具有多孔結(jié)構(gòu)的基底薄膜為海綿;所述的兼具光熱轉(zhuǎn)換和吸附特性的物質(zhì)為碳納米管;光熱蒸發(fā)膜的制備是通過噴涂工藝制得:將兼具光熱轉(zhuǎn)換和吸附特性的物質(zhì)為碳納米管均勻分散至乙醇中(質(zhì)量濃度為l-l〇〇mg/ml)，通過噴涂筆裝置在無塵紙基體上面形成兼具光熱轉(zhuǎn)換和吸附功能膜。其余同實(shí)施例2。[0041 ] 實(shí)施例4
[0042]所述的具有多孔結(jié)構(gòu)的基底薄膜為玻璃纖維紙;所述的兼具光熱轉(zhuǎn)換和吸附特性的物質(zhì)為石墨粉;兼具光熱轉(zhuǎn)換和吸附功能膜的制備通過涂膜工藝制得:將具有兼具光熱轉(zhuǎn)換和物理吸附特性的石墨粉均勻分散至甲醇中(質(zhì)量濃度為l-l〇〇mg/ml)，通過可控旋涂裝置在玻璃纖維紙的表面形成兼具光熱轉(zhuǎn)換和吸附功能膜;其余同實(shí)施例2。[〇〇43]上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和使用發(fā)明。 熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的復(fù)合薄膜，其特征在于，包括基底，及沉積在基底上 兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的功能膜，所述的基底為具有多孔結(jié)構(gòu)的微納米薄膜，所述的功能膜由兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的非金屬無機(jī)物制成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的復(fù)合薄膜，其特征在于，具有 多孔結(jié)構(gòu)的微納米薄膜包括無塵紙、玻璃纖維紙、紗布或海綿薄膜。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的復(fù)合薄膜，其特征在于，兼具 光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的非金屬無機(jī)物包括石墨烯、碳黑、碳納米管、活性炭或石墨粉。4.如權(quán)利要求1所述的兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的復(fù)合薄膜的制備方法，其特征 在于，將具有多孔結(jié)構(gòu)的微納米薄膜作為基底，在基底上沉積一層兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸 附特性的功能膜，所述的沉積方法包括物理沉積、噴涂、涂膜或自組裝工藝。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的復(fù)合薄膜的制備方法，其特 征在于，所述的物理沉積的工藝步驟如下:首先，將兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的非金屬 無機(jī)物的微納米結(jié)構(gòu)單元均勾分散至溶劑中，得到質(zhì)量濃度為1 -1 〇〇mg/ml的溶液，通過向 基底滴加前述溶液，溶劑揮發(fā)，在基底上形成兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的功能膜，從而 得到復(fù)合薄膜。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的復(fù)合薄膜的制備方法，其特 征在于，所述的噴涂工藝步驟如下:首先，將兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的非金屬無機(jī)物 的微納米結(jié)構(gòu)單元均勾分散至溶劑中，得到質(zhì)量濃度為l-l〇〇mg/ml的溶液，通過噴涂筆裝 置在基底上噴涂前述溶液，待溶劑蒸發(fā)得到兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的功能膜，從而 得到復(fù)合薄膜。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的復(fù)合薄膜的制備方法，其特 征在于，所述的涂膜工藝步驟如下:首先，將兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的非金屬無機(jī)物 的微納米結(jié)構(gòu)單元均勻分散至溶劑中，得到質(zhì)量濃度為l-l〇〇mg/ml的溶液，通過可控旋涂 裝置在基底上旋涂前述溶液，待溶劑蒸干得到兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的功能膜，從 而得到復(fù)合薄膜。8.如權(quán)利要求1所述的兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的復(fù)合薄膜的應(yīng)用，其特征在于， 利用所述的復(fù)合薄膜進(jìn)行污水凈化，具體方法為:將此復(fù)合薄膜放置到待吸附的溶液上表面，使其浮于溶液與空氣界面并與溶液充分接 觸，功能膜有效吸附溶液中的污染物達(dá)到對(duì)污染物吸附的目的；與此同時(shí)，對(duì)漂浮的復(fù)合薄 膜進(jìn)行光照，激發(fā)復(fù)合薄膜中非金屬無機(jī)物的光熱轉(zhuǎn)化效應(yīng)，在溶液與空氣界面產(chǎn)生局部 加熱效應(yīng)，促進(jìn)溶劑的快速蒸發(fā)，從而加速污染物向復(fù)合薄膜中擴(kuò)散和吸附。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的復(fù)合薄膜的應(yīng)用，其特征在 于，還具有復(fù)合薄膜界面高效熱蒸發(fā)凈化與濃縮的步驟，具體為:在光照條件下，界面光熱 轉(zhuǎn)化效應(yīng)蒸發(fā)的溶劑高效地通過具有多孔結(jié)構(gòu)的復(fù)合薄膜，一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液快速的濃 縮，同時(shí)可對(duì)蒸發(fā)的溶劑進(jìn)行冷凝，直接獲得凈化的溶劑，實(shí)現(xiàn)對(duì)溶劑的再回收。10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的兼具光熱轉(zhuǎn)換性能和吸附特性的復(fù)合薄膜的應(yīng)用，其特 征在于，所述的光包括激光、可見光、太陽光、紫外光、紅外光或微波，也可為幾種光的疊加， 但須能夠被復(fù)合薄膜吸收并轉(zhuǎn)化為熱能。
【文檔編號(hào)】B01J20/20GK106000362SQ201610330991
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月18日
【發(fā)明人】鄧濤, 陶鵬, 尚文, 婁金偉, 劉洋, 宋成軼, 鄔劍波
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)