一种用于高盐水处理的高效拒盐太阳能蒸发器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种用于高盐水处理的高效拒盐太阳能蒸发器，其特征在于太阳能蒸发器是包含碳纳米纤维和氧化石墨烯的三维气凝胶；所述的太阳能蒸发器中氧化石墨烯片层支撑碳纳米纤维形成立体空间；所述的太阳能蒸发器中碳纳米纤维部分贯穿于氧化石墨烯片层间，部分镶嵌于氧化石墨烯片层上；所述的太阳能蒸发器中碳纳米纤维与氧化石墨烯片层所构建的通道为连续贯通的层级孔道。该太阳能蒸发器的材料组成和结构易于调控、机械性能稳定、可在拒盐的同时保持高效蒸发，在高盐水处理领域表现出巨大的应用潜力。的应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种用于高盐水处理的高效拒盐太阳能蒸发器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及水处理
，尤其涉及基于太阳能热蒸发的高盐水处理领域。

技术介绍

[0002]水是人类社会赖以生存发展的重要资源，大规模的水污染和水资源短缺正严重影响着人们的生活。为了缓解缺水危机，各种水处理方法应运而生。相比之下，太阳能驱动蒸发是一种可持续的水处理技术，它绿色经济，适用于各种高盐水体，受到广泛关注。然而，蒸发过程中表面析出的盐结晶会显著影响光的吸收。虽然已有部分蒸发器能实现拒盐，但其蒸发速率仍有待提高。因此，构建一种高效拒盐的太阳能蒸发器在实际水体尤其是高盐水处理中具有重要的现实意义。
[0003]静电纺丝技术是使带电的高分子溶液(或熔体)在静电场中流动变形，经溶剂蒸发或熔体冷却而固化，从而得到纤维状物质的一种方法。静电纺丝纳米纤维技术可以将多种组分共同集成在同一根纤维中，从而制备复合纳米纤维，可以实现聚合物/聚合物、聚合物/无机物及无机物/无机物复合纤维的制备。静电纺纳米纤维比表面积大、孔隙率高、结构易调控，而且连续的静电纺纳米纤维形成的互联孔道有利于快速的水传输和盐扩散，是太阳能蒸发器的理想选择，在太阳能驱动蒸发领域引起广泛关注。如专利CN113023809 A公开了一种具有多级孔道结构的聚乳酸/聚乳酸
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羟丙基纤维素/碳化钛二维平面膜，由于二维结构的静电纺纳米纤维膜蒸发面积小、隔热性差，蒸发速率仅为1.3 kg m
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2 h
‑1。为了提高蒸发，专利CN111282443A公开了一种激光诱导多孔蒸发材料，利用激光烧蚀技术使膜表面形成多孔的三维三角阵列，将二维蒸发转换成三维蒸发，有效提高了蒸发面积，从而获得了1.595 kg m
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1 的蒸发速率。然而，大部分三维静电纺蒸发器仅由纯纤维构成，缺少机械支撑，使孔隙量和孔连通性降低，阻碍了盐离子的扩散。虽有部分工作通过添加二氧化硅纳米纤维等材料来支撑蒸发器，增加盐离子扩散；但由于缺少对蒸发器的外形与内部结构的精确调控，导致了大量的热损失，蒸发效果仍不理想。

技术实现思路

[0004]为了解决目前太阳能蒸发器无法兼顾拒盐和高效蒸发，以及三维静电纺纳米纤维机械性能差的缺点，本专利技术公布了一种用于高盐水处理的高效拒盐太阳能蒸发器。该方法易于调控材料的组成和结构，不仅能提高材料的机械强度，而且能构建层级孔道用于快速的水蒸发和盐扩散。即使在接近饱和的盐水(24.0 wt%氯化钠溶液)和实际浓缩工业高盐废水(pH 0.5
‑
8.5)处理期间，蒸发器表面也未发现盐结晶，在高盐水处理领域表现出巨大的应用潜力。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用了以下步骤：步骤a）配制静电纺丝液；步骤b）使用氧化石墨烯分散液直接接收静电纺丝纳米纤维，得到纳米纤维
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氧化石墨烯分散液；
步骤c）将所述的纳米纤维
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氧化石墨烯分散液按需选择合适模具冷冻定型，置于冷冻干燥机中干燥，得到三维纳米纤维
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氧化石墨烯复合气凝胶；步骤d）将所述的三维纳米纤维
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氧化石墨烯复合气凝胶在250℃烘箱中预氧化1小时，并在氮气保护下于箱式炉中800℃碳化1.5小时，得到三维碳纳米纤维
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氧化石墨烯复合气凝胶。
[0006]在本专利技术的一些实施方式中，步骤b）的具体操作为一步法得到分散均一的纳米纤维
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氧化石墨烯分散液，使纤维保持良好连续性，以构建连续纤维孔道。
[0007]在本专利技术的一些实施方式中，步骤b）中氧化石墨烯接收液和纳米纤维的含量及比例可调，从而构建不同的层级孔道；当氧化石墨烯含量或比例低时，表现为蓬松的高度互联多孔结构，碳纳米纤维与氧化石墨烯片层均匀分布，氧化石墨烯片层的插入构造了多尺寸层级孔道，利于快速的水传输和盐扩散；当氧化石墨烯含量或比例高时，表现为紧密堆积的层级多孔结构，利于抑制向水的热传导损失。
[0008]在本专利技术的一些实施方式中，太阳能蒸发器是包含碳纳米纤维和氧化石墨烯的三维气凝胶；其特征在于氧化石墨烯片层支撑碳纳米纤维形成立体空间；其特征在于碳纳米纤维部分贯穿于氧化石墨烯片层间，部分镶嵌于氧化石墨烯片层上，碳纳米纤维与氧化石墨烯片层构建了连续贯通的层级孔道；其特征在于太阳能蒸发器的密度为3 mg/mL~19 mg/mL，碳纳米纤维与氧化石墨烯的质量比为1:1~8:1。
[0009]在本专利技术的一些实施方式中，太阳能蒸发器为倒圆锥体，圆锥体尖端与盐水表面接触，浸没深度为0.1 cm，有利于减少蒸发体与水的接触，减少向水体的热传导损失，提高蒸发速率和能量转换效率。
[0010]在本专利技术的一些实施方式中，太阳能蒸发器采用密度为3.4 mg/mL时，纤维孔道大，水传输通量大，可再溶解盐，保证蒸发体表面无盐结晶，但蒸发体中过多的水也会带走热量，降低蒸发速率和能量转换效率。
[0011]在本专利技术的一些实施方式中，太阳能蒸发器采用密度为6.2 mg/mL时，纤维孔道变小，水传输通量变小，蒸发过程中向水的热传导损失变小，蒸发速率和能量转换效率有所提高，同时，水通量仍足够保证盐的再溶解，可在浓度高达24.0 wt%的氯化钠溶液中保持高效稳定蒸发。
[0012]在本专利技术的一些实施方式中，太阳能蒸发器采用密度为8.4 mg/mL时，纤维孔道继续变小，水传输通量变小，蒸发过程中向水的热传导损失变小，蒸发速率和能量转换效率继续提高，同时，可在浓度高达16.7 wt%的氯化钠溶液、实际浓缩火电厂喷雾废水和煤化工废水中保持高效稳定蒸发。
[0013]在本专利技术的一些实施方式中，太阳能蒸发器采用密度为11.5 mg/mL时，纤维孔道进一步变小，水传输通量变小，蒸发过程中向水的热传导损失变小，蒸发速率和能量转换效率进一步提高。
[0014]在本专利技术的一些实施方式中，太阳能蒸发器采用密度为18.7 mg/mL时，纤维孔道进一步变小，水传输通量变小，蒸发过程中向水的热传导损失变小，蒸发速率和能量转换效率达到最高，同时，可在模拟海水（3.5 wt%氯化钠溶液）和实际浓缩火电厂脱硫废水中保持高效稳定蒸发。
[0015]在本专利技术的一些实施方式中，太阳能蒸发器还可以包含其它材料，如碳黑、纳米
金、碳纳米管、水凝胶、氧化钛、聚多巴胺、聚乙烯醇、壳聚糖等。
[0016]本专利技术的优点是：通过调节氧化石墨烯的含量构建了丰富的层级互联孔道用于快速水传输和盐扩散，并提高了蒸发器的机械性能用于长期稳定运行。通过优化蒸发器的浸没深度和密度来调控蒸发器与水的接触和孔道结构，抑制向水体的热传导损失并降低水的蒸发焓，在不结盐的同时保持高效蒸发。
附图说明
[0017]下面将结合附图对本专利技术作进一步说明。
[0018]图1为太阳能蒸发器的制备过程示意图。
[0019]图2为纯碳纳米纤维气凝胶（CNFA）和不同比例（4：1、2：1、1：1）的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于高盐水处理的高效拒盐太阳能蒸发器，其特征在于太阳能蒸发器是包含碳纳米纤维和氧化石墨烯的三维气凝胶；所述的太阳能蒸发器中氧化石墨烯片层支撑碳纳米纤维形成立体空间；所述的太阳能蒸发器中碳纳米纤维部分贯穿于氧化石墨烯片层间，部分镶嵌于氧化石墨烯片层上；所述的太阳能蒸发器中碳纳米纤维与氧化石墨烯片层所构建的通道为连续贯通的层级孔道。2.如权利要求1所述的一种用于高盐水处理的高效拒盐太阳能蒸发器，其特征在于碳纳米纤维和氧化石墨烯的质量比为1:1~8:1，优选4:1。3.如权利要求1所述的一种用于高盐水处理的高效拒盐太阳能蒸发器，其特征在于太阳能蒸发器为倒圆锥体，密度为3 mg/mL~19 mg/mL。4.如权利要求1所述的一种用于高盐水处理的高效拒盐太阳能蒸发器，其特征在于当所处理盐水的盐浓度低于5.0 wt%，蒸发器密度优选15 mg/mL~19 mg/mL；当所处理盐水的盐浓度介于5.0 wt%~16.7 wt%，蒸发器密度优选 8 mg/mL~15 mg/mL；当所处理盐水的盐浓度高于16.7 wt%，蒸发器密度优选3 mg/mL~8 mg/mL。5. 如权利要求1 所述的一种用于高盐水处理的高效拒盐太阳能蒸发器，其特征在于利用聚乙烯泡沫作为支撑层，使倒圆锥体蒸发器漂浮于处理水样中进行热蒸发，圆锥体尖端与盐水表面接触，浸没深度为0.1 cm。6.如权利要求1 所述的一种用于高盐水处理的高效拒盐太阳能蒸发器，其特征在于太阳能蒸发器具体制备方法如下：步骤a）配制静电纺丝液；步骤b）使用氧化石墨烯分散液直接接收静电纺丝纳米纤维，得到纳米纤维
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氧化石墨烯分散液；步骤c）...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟鹭斌，陈殊珏，郑煜铭，
申请(专利权)人：中国科学院城市环境研究所，
类型：发明
国别省市：