申请日2015.11.30
公开(公告)日2017.06.09
IPC分类号C02F1/14; C02F103/08
摘要
本发明涉及水处理材料领域，具体为一种用于海水淡化及净水处理的石墨烯光热转化材料的制备方法。将石墨烯粉体和具有链状分子结构的聚合物材料以及溶剂按照比例制成浆料，加入模具中进行烘干及热处理，使材料中的有机物质碳化，得到具有良好机械强度的石墨烯泡沫材料;在其底面一侧进行亲水化处理后，即制成可用于污水及海水蒸馏净化及淡化处理的石墨烯光热转化材料。这种材料利用石墨烯泡沫的黑体结构和高导热性质，可将太阳光高效的转化为热量;利用泡沫结构的毛细作用连续输送水分并降低其蒸发势垒，从而实现海水的快速蒸馏淡化。利用这种石墨烯泡沫材料可制成便携式的高效海水淡化及污水净化装置，满足海上及户外快速制备洁净淡水的需求。
权利要求书
1.一种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，其特征在于，将石墨烯粉体和具有链状分子结构的聚合物材料以及溶剂制成浆料，加入模具中进行烘干及热处理，使材料中的有机物质碳化，得到具有良好机械强度的石墨烯泡沫材料;在其底面一侧进行亲水化处理后，即制成可用于污水及海水蒸馏净化及淡化处理的石墨烯光热转化材料。
2.按照权利要求1所述的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，其特征在于，所用石墨烯材料是各种方法制备的本征态石墨烯或石墨烯衍生物;本征态石墨烯或石墨烯衍生物，其片层厚度为碳原子层数在10层以下，片层片径/厚度比例大于10。
3.按照权利要求2所述的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，其特征在于，石墨烯衍生物包括改性石墨烯、氧化石墨烯、接枝或包覆其他分子链段的片状类石墨烯结构，以及有缺陷或有掺杂状态的石墨烯之一。
4.按照权利要求2所述的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，其特征在于，本征态石墨烯或石墨烯衍生物的制备方法包括：以石墨为原料膨胀剥离制备的石墨烯粉体或液相分散体，以气态碳源为原料通过化学气相沉积或物理气相沉积制备的石墨烯，经粉碎或分散形成的石墨烯粉体或液相分散体，或以小分子物质通过化学聚合形成的类石墨烯二维片状材料聚集形成的粉体或液相分散体。
5.按照权利要求1所述的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，其特征在于，具有链状分子结构的聚合物包括蔗糖、纤维素及其衍生物、热塑性及热固性树脂材料之一，所用溶剂因聚合物材料不同而选用与之对应的良溶剂。
6.按照权利要求1所述的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，其特征在于，石墨烯与聚合物材料所制备的浆料中，固体物质的比例范围按照重量比为0.1%～50%，其中石墨烯与聚合物材料的比例范围按照重量比为1000:1～1:100。
7.按照权利要求1所述的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，其特征在于，用于石墨烯浆料成型的模具形状无特殊限制，保证耐受300～1000℃的热处理而不变形或损坏。
8.按照权利要求1或7所述的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，其特征在于，石墨烯浆料加入模具后进行烘干和烧结两个过程，其中：烘干温度范围为50～250℃，时间为10分钟～12小时;烧结温度范围为300～1000℃，时间为10分钟～12小时。
9.按照权利要求8所述的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，其特征在于，烧结后泡沫材料的底面亲水化处理采用化学氧化法、氧等离子处理法或涂覆亲水聚合物涂层实现。
说明书
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
技术领域
本发明涉及水处理材料领域，具体为一种用于海水淡化及净水处理的石墨烯光热转化材料的制备方法。
背景技术
淡水是人类社会赖以生存和发展的基本物质之一。我国人均水资源匮乏，居世界的第108位。我国海岸线长，一些岛屿和沿海盐碱地区以及内陆苦咸水地区均属缺乏淡水的地区。这些地区的人们由于长期饮用不符合卫生标准的水，产生了各种病症，直接影响着他们的身体健康和当地的经济建设。因此，解决淡水供应不足是我国面临的一个严峻问题。为了增大淡水的供应，一条有利的途径就是就近进行海水或苦咸水的淡化，特别是对于那些用水量分散而且偏远的地区更适宜用此方法。对海水或苦咸水进行淡化的方法很多，但常规的方法，如：蒸馏法、离子交换法、渗析法、反渗透膜法以及冷冻法等，都要消耗大量的燃料或电力。据报道，全球每年用于海水淡化的能源消耗折合成原油约需要1.3亿吨，随之而来的还有严重的空气污染、温室效应等诸多其它问题。因此，寻求其它更加清洁可持续的方法来进行海水淡化具有重要的现实意义。其中，利用太阳能进行海水淡化，有广泛的应用前景。
目前，采用的太阳能海水淡化技术主要分为两类：一是利用太阳能进行光伏发电，然后利用电能驱动反渗透装置进行淡化，由于光伏发电本身的转化效率就很低，且反渗透装置本身存在的能耗及寿命问题使其发展受限。二是利用太阳能的热效应，通过集热装置加热海水使其蒸馏淡化;由于能量利用率低，其工作温度通常很低，蒸发效率不高;而要提高效率就需要建设大规模的集热装置来加热海水，这无疑增大了该技术的使用和维护成本;由于海水的高盐分造成的设备腐蚀和管路堵塞问题，也成为大型设备推广使用中难以克服的技术障碍。因此，目前技术发展的前沿就是，如何更加高效的利用太阳能以及优化装置结构，降低使用和维护成本，提高使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于海水淡化及净水处理的石墨烯光热转化材料的制备方法，获得具有高效光热转化能力的石墨烯多孔泡沫材料，将其漂浮在海水及污水表面并置于阳光下曝晒时，可以快速的将水转化为水蒸气，再通过简单冷凝后即制成可饮用的纯净淡水。
本发明的技术方案是：
一种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，将石墨烯粉体和具有链状分子结构的聚合物材料以及溶剂制成浆料，加入模具中进行烘干及热处理，使材料中的有机物质碳化，得到具有良好机械强度的石墨烯泡沫材料;在其底面一侧进行亲水化处理后，即制成可用于污水及海水蒸馏净化及淡化处理的石墨烯光热转化材料。
所述的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，所用石墨烯材料是各种方法制备的本征态石墨烯或石墨烯衍生物;本征态石墨烯或石墨烯衍生物，其片层厚度为碳原子层数在10层以下，片层片径/厚度比例大于10。
所述的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，石墨烯衍生物包括改性石墨烯、氧化石墨烯、接枝或包覆其他分子链段的片状类石墨烯结构，以及有缺陷或有掺杂状态的石墨烯之一。
所述的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，本征态石墨烯或石墨烯衍生物的制备方法包括：以石墨为原料膨胀剥离制备的石墨烯粉体或液相分散体，以气态碳源为原料通过化学气相沉积或物理气相沉积制备的石墨烯，经粉碎或分散形成的石墨烯粉体或液相分散体，或以小分子物质通过化学聚合形成的类石墨烯二维片状材料聚集形成的粉体或液相分散体。
所述的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，具有链状分子结构的聚合物包括蔗糖、纤维素及其衍生物、热塑性及热固性树脂材料之一，所用溶剂因聚合物材料不同而选用与之对应的良溶剂。
所述的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，石墨烯与聚合物材料所制备的浆料中，固体物质的比例范围按照重量比为0.1%～50%，其中石墨烯与聚合物材料的比例范围按照重量比为1000:1～1:100。
所述的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，用于石墨烯浆料成型的模具形状无特殊限制，保证耐受300～1000℃的热处理而不变形或损坏。
所述的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，石墨烯浆料加入模具后进行烘干和烧结两个过程，其中：烘干温度范围为50～250℃，时间为10分钟～12小时;烧结温度范围为300～1000℃，时间为10分钟～12小时。
所述的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，烧结后泡沫材料的底面亲水化处理采用化学氧化法、氧等离子处理法或涂覆亲水聚合物涂层实现。
本发明的设计原理是：
本发明制备的石墨烯泡沫材料，微观上是由石墨烯纳米片无序堆垛形成的宏观黑体材料，当光照射到材料时，光线不对外反射，而是会在其孔隙结构内部通过不断的反射和折射最终完全转化为热量被材料吸收。这种光热转化方式可以在最大程度上同时利用太阳能的光效应和热效应，空气中的石墨烯泡沫可以在光照条件下被很快的加热到很高的温度(150～200℃)。
由于其密度很低(～0.3g/cm3)，石墨烯泡沫可以漂浮在水面上，由于石墨烯泡沫中微孔道的毛细作用，水会渗透到石墨烯泡沫内部，并以微液膜的形式附着在石墨烯纳米片的表面;由于石墨烯具有极高的热导率，当光照使石墨烯泡沫发热后，热量会快速传导到孔隙中将水加热;由于微孔隙结构中的水以超薄液膜的形式存在，且石墨烯与水分子之间的作用力很弱，水膜蒸发所需要克服的能垒被大大降低，因此石墨烯泡沫孔隙中的水分会很快转化为低温水蒸气溢出;同时由于虹吸作用，泡沫外的水会被持续的吸入泡沫内部并重复上述循环过程，直至容器中的水被完全蒸发。
实际制备过程中，利用聚合物与石墨烯复合烧结的方法可以在提高石墨烯泡沫机械强度的同时，在其表面形成具有超疏水性并具备超微孔结构的表面层，可以阻止由于水中离子扩散到泡沫材料内部析出导致的微孔堵塞现象，从而保证水分的传递和蒸发可以持续进行;但是由于超疏水表面不利于初始状态下水对泡沫材料的浸润，因此需要对泡沫材料与水的接触面进行亲水化处理，采用表面化学氧化、氧等离子体处理或涂覆亲水高分子层的方法即可实现。
本发明的有益效果如下：
1、日照充足的条件下，环境温度为10～50℃的范围内，本发明利用石墨烯泡沫可以获得的水蒸发速率是相同面积水面自然蒸发速率的1000倍以上，是目前商用集热式太阳能水蒸发装置效率的5倍以上。
2、由于石墨烯极高的热导率和疏水性，利用石墨烯泡沫蒸发水分的热量利用率极高，所形成的水蒸气初始温度仅为50～60℃，便于冷凝。
3、利用石墨烯泡沫制作淡化及净水装置结构简单、使用方便、成本低廉，且易于制成小型便携设备，不消耗电能或其它能源，便于使用。
4、石墨烯泡沫材料可重复使用且清洗方便，不会因盐分析出而造成微孔隙堵塞，因此既可应用于海水淡化也可应用于污水的蒸馏净化。
