本發(fā)明屬于膜的制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種復(fù)合半透膜，具體涉及一種用于光蒸發(fā)水的含碳復(fù)合半透膜、其制備方法、及其在光蒸發(fā)水、海水淡化領(lǐng)域有望得到廣闊的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

目前，淡水資源的日益匱乏已經(jīng)成為非常嚴(yán)重的全球性環(huán)境問題之一。眾所周知，全球有近97.5％水資源為海水等非飲用水，并且居住在距離海邊70km的范圍內(nèi)的人口占據(jù)了全球人口的70％以上，因此自從20世紀(jì)后半葉，海水淡化技術(shù)逐漸被認(rèn)為是眾多技術(shù)中最實用的為人類提供淡水來源的技術(shù)。

據(jù)相關(guān)報道，預(yù)計到2025年，世界上將有多達(dá)三分之二的人口可能會面臨缺乏飲用淡水的問題，而全球的海水資源卻十分豐富，因此將海水脫鹽淡化為人類可飲用淡水是緩解淡水資源日益缺乏很好的途徑。

在發(fā)達(dá)國家，海水淡化產(chǎn)業(yè)已成為一項規(guī)模較大的產(chǎn)業(yè)，而我國雖然是一個海洋大國，但海水淡化技術(shù)仍然處于起步階段，科技水平較低，裝備制造國有化進(jìn)程較緩慢，且海水淡化產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小，與國際水平差距較大。近年來，隨著我國對海洋開發(fā)的重視，海水淡化產(chǎn)業(yè)必將迎來一個快速的發(fā)展時期，為滿足國家日益增長的飲用淡水需求做出相應(yīng)的貢獻(xiàn)。從大海中提取淡水，將海水資源轉(zhuǎn)變?yōu)榈Y源，將成為我國解決21世紀(jì)淡水資源危機(jī)的重要方案。

迄今，商業(yè)化的海水淡化技術(shù)主要分為兩類(膜法和熱法)，其中膜法主要為反滲透海水淡化工藝(swro)，熱法主要為多級閃蒸工藝(msf)與低溫多效蒸餾工藝(lt-med，從長遠(yuǎn)來看，這三種工藝將是全球海水淡化市場的領(lǐng)軍工藝。

近年來，有人對膜法提出了改進(jìn)，即利用貴金屬金等吸熱劑的光熱轉(zhuǎn)換性能，將其與膜復(fù)合在一起進(jìn)行海水淡化研究，有很多科研工作者都對此表現(xiàn)出不少的興趣。例如：上海交通大學(xué)鄧濤課題組(advancedmaterials,2015,27,2768-2774)成功制備合成含金復(fù)合紙薄膜(pgf)，以及(scientificreports，2015,5,13600)含金復(fù)合陽極氧化鋁薄膜(aanf)利用模擬太陽光獲得能量從而轉(zhuǎn)換為熱能，光致水蒸發(fā)，淡化海水。

但貴金屬金價格過于昂貴，碳粉相對比較便宜，因此探索一種制作成本低廉，制備工藝簡單的，且具有較好光熱轉(zhuǎn)換效果的含碳復(fù)合膜具有非常重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種制備工藝簡單，制作成本低廉的半透膜，該半透膜為含碳復(fù)合半透膜，其具有較好的光熱轉(zhuǎn)換效率和較高的光蒸發(fā)速率，適用于海水淡化領(lǐng)域。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種用于光蒸發(fā)水的含碳復(fù)合半透膜的制備方法，其包含以下步驟：

步驟1，采用纖維素硝酸酯制備半透膜前驅(qū)體溶液；

步驟2，將碳粉添加至上述前驅(qū)體溶液，劇烈攪拌，得混合溶液；

步驟3，將上述混合溶液平鋪在平底容器上，自然干燥成膜，制備出含碳復(fù)合半透膜。

上述的用于光蒸發(fā)水的含碳復(fù)合半透膜的制備方法，其中，步驟1中，制備半透膜前驅(qū)體溶液的方法是指，將干燥的纖維素硝酸酯溶于的乙醚與乙醇的混合溶液中，得到透明的半透膜前驅(qū)體溶液。

上述的用于光蒸發(fā)水的含碳復(fù)合半透膜的制備方法，其中，所述的纖維素硝酸酯通過將脫脂棉溶于濃硝酸與濃硫酸的混合溶液中，經(jīng)水洗、干燥制備。

上述的用于光蒸發(fā)水的含碳復(fù)合半透膜的制備方法，其中，步驟2中，所述的碳粉選擇石墨烯、石墨碳、乙炔黑、碳納米管及富勒烯的任意一種。

上述的用于光蒸發(fā)水的含碳復(fù)合半透膜的制備方法，其中，步驟2中，劇烈攪拌的轉(zhuǎn)速為200～1000r/min。

上述的用于光蒸發(fā)水的含碳復(fù)合半透膜的制備方法，其中，步驟2中，劇烈攪拌的時間為15min～1h。

上述的用于光蒸發(fā)水的含碳復(fù)合半透膜的制備方法，其中，所述的含碳復(fù)合半透膜的厚度為20～200μm。

本發(fā)明還提供了一種采用上述的方法制備的含碳復(fù)合半透膜，該含碳復(fù)合半透膜中，碳含量以百分?jǐn)?shù)計為4～70％。

本發(fā)明還提供了一種采用上述的方法制備的含碳復(fù)合半透膜的用途，該含碳復(fù)合半透膜能實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換，通過光致水蒸發(fā)淡化海水，適用于光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。

由于碳材料的電子具有明顯的等離子共振效應(yīng)，因此被近紅外光激發(fā)的碳材料能產(chǎn)生明顯的熱效應(yīng)，使周圍的介質(zhì)溫度迅速升高。本發(fā)明利用其表面等離子共振效應(yīng)，吸收太陽光將其轉(zhuǎn)換為熱能，光致水蒸發(fā)，達(dá)到淡化海水的目的。

本發(fā)明所提出的制備方法具有制備簡單，成本低，光熱轉(zhuǎn)換效果好等優(yōu)點(diǎn)，在光蒸發(fā)水，淡化海水領(lǐng)域內(nèi)將具有非常好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1-7制備的半透膜的xrd圖譜。

圖2為本發(fā)明實施例1-7制備的含碳復(fù)合半透膜的拉曼光譜。

圖3的(a)為本發(fā)明實施例1所使用的石墨碳的sem照片；圖3的(b)為本發(fā)明實施例6制備的含碳復(fù)合半透膜的實物照片。

圖4的(a)-(c)為本發(fā)明實施例1-7制備的半透膜的光蒸發(fā)水性能實驗圖譜；圖4的(d)為本發(fā)明實施例1-7制備的半透膜的光蒸發(fā)水速率圖譜；圖4(e)為本發(fā)明實施例1-7制備的半透膜的光蒸發(fā)水效率圖譜。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。

本發(fā)明所需要的纖維素硝酸酯可自制或市購。實施例中所采用的纖維素硝酸酯為自制，制備方法如下。

制備纖維素硝酸酯：將5ml濃硝酸與10ml濃硫酸混合，配成混合溶液體積比1:2，將1g脫脂棉侵入混合溶液1h，取出用去離子水沖洗8次，30℃烘箱烘干24h，得到纖維素硝酸酯；

制備半透膜前驅(qū)體溶液：取出1g干燥后的纖維素硝酸酯，將其溶于25ml乙醚與25ml乙醇的混合溶液(體積比1:1)中，不斷震蕩，得到透明的半透膜前驅(qū)體溶液；

實施例1

將3.375mg石墨碳添加至6ml上述半透膜前驅(qū)體溶液，機(jī)械攪拌30min，得均勻混合的混合溶液；取出2ml混合溶液，將其加入直徑為75mm的500ml燒杯底部，自然干燥成膜，將其裁剪為直徑為35mm的圓形薄膜，制備出厚度約100μm含量為0.25mg的含碳復(fù)合半透膜。

實施例2

將6.75mg石墨碳添加至6ml上述半透膜前驅(qū)體溶液，機(jī)械攪拌30min，得均勻混合的混合溶液；取出2ml混合溶液，將其加入直徑為75mm的500ml燒杯底部，自然干燥成膜，將其裁剪為直徑為35mm的圓形薄膜，制備出厚度約100μm含量為0.5mg的含碳復(fù)合半透膜。

實施例3

將13.5mg石墨碳添加至6ml上述半透膜前驅(qū)體溶液，機(jī)械攪拌30min，得均勻混合的混合溶液；取出2ml混合溶液，將其加入直徑為75mm的500ml燒杯底部，自然干燥成膜，將其裁剪為直徑為35mm的圓形薄膜，制備出厚度約100μm含量為1mg的含碳復(fù)合半透膜。

實施例4

將27mg石墨碳添加至6ml上述半透膜前驅(qū)體溶液，機(jī)械攪拌30min，得均勻混合的混合溶液；取出2ml混合溶液，將其加入直徑為75mm的500ml燒杯底部，自然干燥成膜，將其裁剪為直徑為35mm的圓形薄膜，制備出厚度約100μm含量為2mg的含碳復(fù)合半透膜。

實施例5

將54mg石墨碳添加至6ml上述半透膜前驅(qū)體溶液，機(jī)械攪拌30min，得均勻混合的混合溶液；取出2ml混合溶液，將其加入直徑為75mm的500ml燒杯底部，自然干燥成膜，將其裁剪為直徑為35mm的圓形薄膜，制備出厚度約100μm含量為4mg的含碳復(fù)合半透膜。

實施例6

將108mg石墨碳添加至6ml上述半透膜前驅(qū)體溶液，機(jī)械攪拌30min，得均勻混合的混合溶液；取出2ml混合溶液，將其加入直徑為75mm的500ml燒杯底部，自然干燥成膜，將其裁剪為直徑為35mm的圓形薄膜，制備出厚度約100μm含量為8mg的含碳復(fù)合半透膜。

實施例7(對比例)

作為對比，還制備了為加石墨碳的膠棉半透膜(semipermeablecollodionmembrane)：用吸管吸取2ml半透膜前驅(qū)體溶液，將其將其加入直徑為75mm的500ml燒杯底部，自然干燥成膜，將其裁剪為直徑為35mm的圓形薄膜，制備出透明的膠棉半透膜(scm)。

實施例1-7制備的7個半透膜的xrd圖譜如圖1所示，通過與不含碳的空白膜(scm膜)及碳的xrd圖譜對比，可見，實施例1-6制備的半透膜中均含有碳的特征峰，說明成功制備出了含碳的半透膜。

實施例1-7制備的含碳復(fù)合半透膜的拉曼光譜如圖2所示，由圖可知，峰(～1580cm-1)為c的拉曼特征g峰，再一次證明我們的半透膜中含碳，且隨著碳含量的增加，其特征g峰愈來愈強(qiáng)。

圖3的(a)為本發(fā)明實施例1所使用的石墨碳的sem照片；圖3的(b)為本發(fā)明實施例6制備的含碳復(fù)合半透膜的實物照片。由圖可以看出，實施例制備的含碳半透膜的c粉微觀結(jié)構(gòu)為納米片狀結(jié)構(gòu)。

分別將實施例1-7制備的7個半透膜放置于開口直徑為35mm的40mm×25mm的裝有10ml水的稱量瓶的水面上，在模擬太陽光(1.5kw/m²)的輻射下，通過電子精密天平準(zhǔn)確記錄水的減少量，其測試結(jié)果見圖4(其中，water-dark為水在沒有模擬太陽光的輻射下，及在室溫的條件下其蒸發(fā)效果)。圖4的(a)-(c)所示的是光蒸發(fā)導(dǎo)致水的減少量的曲線圖，柱狀圖和直接變化圖。從圖的4的(d)看出，最好的光蒸發(fā)速率高達(dá)1.36kgm^-2h^-1。從圖4的(e)看出，其含量8mg的石墨碳半透膜的光蒸發(fā)效率高達(dá)56.8％。可見，膠棉半透膜(scm)的光蒸發(fā)效果高于純水，含石墨碳的半透膜的光蒸發(fā)水效果好于膠棉半透膜(scm)，含碳量越高，其光蒸發(fā)水效果越好，當(dāng)含石墨碳量為8mg的含碳復(fù)合半透膜展示了最好的光蒸發(fā)水效率。

實施例中的石墨碳可用石墨烯、乙炔黑、碳納米管及富勒烯的任意一種替換。

本發(fā)明提供的含碳復(fù)合半透膜中，碳含量以百分?jǐn)?shù)計為4～70％，含量太低光熱轉(zhuǎn)換效率不夠，太高的話，容易導(dǎo)致膜阻塞，不利于光蒸水。

綜上所述，本發(fā)明的方法工藝簡單，成本低；所提供的半透膜光熱轉(zhuǎn)換效果好，在光蒸發(fā)水，淡化海水領(lǐng)域內(nèi)將具有非常好的應(yīng)用前景。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。