一种地聚物-碳基光蒸发材料及其制备方法、光蒸发装置

1.本发明涉及膜蒸发材料技术领域，尤其涉及一种地聚物-碳基光蒸发材料及其制备方法、光蒸发装置。


背景技术：

2.工业高盐废水是指含有高浓度的无机盐、有机物和重金属等污染物的废水，主要来源于冶金、化工、电力、炼油、制药等行业。这类废水对环境和人体健康造成严重的危害，同时也浪费了大量的水资源和可回收的物质。因此，工业高盐废水的处理和回用是当前环保和节水的重要课题。目前，工业高盐废水的处理方法主要有物理法、化学法、生物法和膜分离法等。其中，膜分离法是一种利用半透膜对溶液中的溶质和溶剂进行选择性分离的技术，具有操作简单、能耗低、效率高、占地少等优点，已经成为工业高盐废水处理的主流技术之一。膜分离法根据膜孔径大小和分离机理的不同，可以分为微滤(mf)、超滤(uf)、纳滤(nf)、反渗透(ro)等。但是这些分离方法都因为需要较大的驱动力和较高的维护制备成本，处理的溶液类型单一，并且处理的效率极低，阻碍了其在处理工业高盐废水中应用。近年来出现了一些新型的膜分离技术或组合工艺，如膜蒸发(md)、电渗析(ed)、正渗透(fo)、多效膜蒸馏(med)等。这些技术或组合工艺在提高产水质量、降低能耗、增加回收率、减少浓水量等方面具有一定的优势和潜力。但是这些技术不可避免的需要使用大量的能源，这在能源稀缺的现在无疑是致命的缺陷。
3.太阳能驱动膜蒸发(sdme)一种新型的膜分离技术，这种技术利用太阳能作为驱动力，使溶液中的溶剂从低温侧通过多孔膜到高温侧，再转变为蒸汽，以达成分离和生产净水的目的。
4.sdme技术的基本结构主要由光热转化层，支撑结构，水分运输结构三大部分组成，每一个组成都有非常重要的作用。光热转化层由光热转化材料组成，在整个结构中起到将太阳能转化为热能，从而高效产出蒸汽的过程；支撑结构则起到支撑光热转化层的作用，并将其与水分隔开来，阻止过多的能量耗散；水分运输结构则提供水分自下而上的运输的动力和通道。
5.相比于传统废水处理技术，在工业高盐废水处理中应用sdme技术具有以下优点：sdme技术对进水水质要求较低，不需要进行复杂的预处理以去除悬浮物、胶体、硬度、酸碱中和等操作，且由于自身的膜特性，能够截留绝大部分溶质、能耗相对较低等优点，已经在工业高盐废水处理中得到了一定的应用。目前，膜蒸发技术主要应用于以下几个方面：
6.海水淡化：膜蒸发技术可以利用太阳能、地热能或废热等可再生能源作为热源，实现海水的低成本淡化，同时避免了传统技术中的膜污染、结垢和浓水排放等问题。目前，已有一些国家和地区开展了膜蒸发海水淡化的试验和示范项目，如澳大利亚、西班牙、摩洛哥等。
7.工业废水浓缩和回用：膜蒸发技术可以将工业废水中的有价值的溶质回收利用，如金属离子、有机物、盐类等，同时减少废水的排放量和处理成本。目前，已有一些工业领域
采用了膜蒸发技术进行废水浓缩和回用，如冶金、化工、制药、食品等。
8.高盐废水零排放：膜蒸发技术可以将高盐废水浓缩至饱和或过饱和状态，然后通过结晶或干燥等方式实现固液分离和零排放。目前，已有一些高盐废水零排放项目采用了膜蒸发技术作为预处理或终处理的手段，如垃圾渗滤液、煤化工废水、电厂脱硫废水等。
9.尽管膜蒸发技术在工业高盐废水处理中具有一定的优势和潜力，但也存在一些问题和挑战，主要有以下几方面：
10.膜材料的选择和制备：目前市场上常用的疏水性有机材料如ptfe、pvdf等虽然具有较好的疏水性和耐化学性，但也存在一些缺点，如成本较高、强度较低、耐温性较差等。因此，需要开发一些新型的疏水性材料或改性方法，以提高膜的性能和降低成本。另外，还需要考虑膜的形态和结构对传质效率和热效率的影响，以及膜的制备工艺对成本和环境的影响。
11.综上所述，膜蒸发技术是一种新型的热力驱动分离技术，在工业高盐废水处理中具有广阔的应用前景。但也需要进一步开展相关方面的基础研究和工程实践，以解决现存的问题和挑战，并提高系统的性能和经济性。


技术实现要素：

12.有鉴于此，本发明提供了一种地聚物-碳基光蒸发材料及其制备方法、光蒸发装置，以解决现有技术中存在的缺陷。
13.第一方面，本发明提供了一种地聚物-碳基光蒸发材料，包括多孔地质聚合物支撑体，以及位于所述多孔地质聚合物支撑体上的碳基光热转化层。
14.优选的是，所述的地聚物-碳基光蒸发材料的制备方法，包括以下步骤：
15.将矿渣、偏高岭土混合得到混合物；
16.向混合物中加入水玻璃、水，搅拌后，再加入发泡剂，继续搅拌，得到多孔地质聚合物浆料；
17.将多孔地质聚合物浆料置于模具中，养护，得到多孔地质聚合物支撑体；
18.将碳基材料加入水中，得到碳基浆料；
19.将碳基浆料涂覆至多孔地质聚合物支撑体上，养护，得到地聚物-碳基光蒸发材料。
20.优选的是，所述的地聚物-碳基光蒸发材料的制备方法，所述碳基材料包括氧化石墨烯、石墨、碳纳米管中的至少一种；
21.所述水玻璃模数为1.2～1.4；
22.所述发泡剂包括十二烷基硫酸钠和/或双氧水。
23.优选的是，所述的地聚物-碳基光蒸发材料的制备方法，所述矿渣和偏高岭土的质量比为(0.2～1.8):(0.2～1.8)；
24.所述矿渣与偏高岭土的质量之和与水玻璃的质量比为(0.5～2.0):(1.0～2.0)；
25.向混合物中加入水玻璃、水的步骤中，所述水的质量为矿渣、偏高岭土质量之和的5～40％；
26.所述发泡剂的质量为矿渣、偏高岭土质量之和的0.1～11％。
27.优选的是，所述的地聚物-碳基光蒸发材料的制备方法，将多孔地质聚合物浆料置
于模具中，养护，得到多孔地质聚合物支撑体的步骤中以及将碳基浆料涂覆至多孔地质聚合物支撑体上，养护，得到地聚物-碳基光蒸发材料的步骤中，养护温度为50～80℃、时间为1～2h；
28.将碳基浆料涂覆至多孔地质聚合物支撑体的步骤中，涂覆厚度为5～100μm。
29.优选的是，所述的地聚物-碳基光蒸发材料的制备方法，若所述碳基材料为氧化石墨烯，则将氧化石墨烯加入至水中，得到碳基浆料；
30.若所述碳基材料包括石墨或碳纳米管，则将石墨或碳纳米管加入至多孔地质聚合物浆料，得到得到碳基浆料；其中，所述碳基材料质量与多孔地质聚合物浆中偏高岭土和矿渣总质量的比值为1:(0.5～1.5)。
31.第三方面，本发明还提供了一种光蒸发装置，包括所述的地聚物-碳基光蒸发材料或所述的制备方法制备得到的地聚物-碳基光蒸发材料。
32.优选的是，所述的光蒸发装置，还包括：
33.基座，多个所述地聚物-碳基光蒸发材料固定于所述基座表面；
34.所述基座内部设有储水室所述地聚物-碳基光蒸发材料端部延伸至所述储水室内。
35.优选的是，所述的光蒸发装置，还包括：
36.透明罩，其位于所述基座表面，且罩设在所述地聚物-碳基光蒸发材料外周，所述透明罩一侧设有进水管、另一侧设有出水管，所述进水管连通所述储水室；
37.平面镜，位于所述基座上且位于所述透明罩外，所述平面镜用于将太阳光反射至地聚物-碳基光蒸发材料上；
38.菲涅尔透镜，其位于所述基座上且位于所述透明罩外，所述菲涅尔透镜用于将太阳光聚焦至地聚物-碳基光蒸发材料上。
39.第四方面，本发明还提供了一种所述的地聚物-碳基光蒸发材料或所述的制备方法制备得到的地聚物-碳基光蒸发材料或所述的光蒸发装置在处理废水中的应用。
40.本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
41.1、本发明的地聚物-碳基光蒸发材料，包括多孔地质聚合物支撑体，以及位于多孔地质聚合物支撑体上的碳基光热转化层；本发明制备得到的地聚物-碳基光蒸发材料，相对于其他类型的光蒸发膜而言具有巨大的优势。其制备过程非常简单，显著的节省了工业化和扩大化带来的成本问题。制备条件也非常温和，在室温至80℃之间就能制备。而制备原料也是非常绿色环保的，不会对水源产生二次污染。且制备成型的地聚物-碳基光蒸发材料具兼具复合材料的优点，相辅相成，表现出极高的蒸发效率和蒸发速率，可以对工业高盐废水进行高效的浓缩处理，大大减少处理成本。地聚物-碳基光蒸发材料本身还具备抗盐性，耐酸耐碱，耐腐蚀，耐高温等优点，且可塑性极高，可以因地制宜，灵活的运用在各种各样的恶劣环境下；
42.2、本发明制备得到的地聚物-碳基光蒸发材料质地轻，机械强度高，密度比水小，可以漂浮在水面上保持稳定，并且和太阳光增强装置耦合能够使得装置以合适的高度漂浮在水面，最终下方的待处理液能够通过自身的供水层自底向上不断的传输水分，并且碳基光热转化层能够阻挡源源不断向上运输的水分，防止其富集在上表面从而造成大量的热损失，降低蒸发效率。这是由于本发明的碳基光热转化层与多孔地质聚合物支撑体有不同亲
疏水性，具有类似janus膜的性质。多孔地质聚合物支撑体还具有很好的热管理性能，具备丰富的毛细孔不仅能利用毛细作用快速的传输水分，还由于较低的热导率，防止碳基光热转化层在进行光热转化时，将大量的热量传到下方的水中，让碳基光热转化层能利用更多的能量进行蒸发浓缩；
43.3、本发明的光蒸发装置，包括地聚物-碳基光蒸发材料，本发明的光蒸发装置，具有优异的抗盐性能，通过马兰戈尼效应可以达到自清洁的效果，相对于其他蒸发器而言，无需花费额外的人工成本进行积盐的清洗。
附图说明
44.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
45.图1为本发明其中一个实施例中光蒸发装置的结构示意图；
46.图2为本发明另一个实施例中光蒸发装置的结构示意图；
47.图3为本发明另一个实施例中光蒸发装置的结构示意图；
48.图4为本发明另一个实施例中光蒸发装置的结构示意图；
49.图5为本发明另一个实施例中光蒸发装置中平面镜对太阳光的反射、菲涅尔透镜对太阳光的聚焦的原理图；
50.图6为本发明的地聚物-碳基光蒸发材料应用于沟渠形式存放工业高盐废水时的排布图；
51.图7为本发明的地聚物-碳基光蒸发材料应用于水池形式存放工业高盐废水时的排布图。
52.图8为实施例1中步骤s3中得到的多孔地质聚合物支撑体的热稳定曲线；
53.图9为实施例1中步骤s3中得到的多孔地质聚合物支撑体的抗压强度曲；
54.图10为实施例1中制备得到的地聚物-碳基光蒸发材料在水面漂浮的实物图；
55.图11为实施例1中制备得到的地聚物-碳基光蒸发材料应用于不同浓度的盐水溶液下的蒸发速率；
56.图12为实施例1中制备得到的地聚物-碳基光蒸发材料在酸性和碱性溶液下的蒸发曲线。
具体实施方式
57.下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
58.需说明的是，以下实施例的描述顺序不作为对实施例优选顺序的限定。另外，在本技术的描述中，术语“包括”是指“包括但不限于”。本发明的各种实施例可以以一个范围的型式存在；应当理解，以一范围形式的描述仅仅是因为方便及简洁，不应理解为对本发明范
围的硬性限制；因此，应当认为所述的范围描述已经具体公开所有可能的子范围以及该范围内的单一数值。例如，应当认为从1到6的范围描述已经具体公开子范围，例如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及所数范围内的单一数字，例如1、2、3、4、5及6，此不管范围为何皆适用。另外，每当在本文中指出数值范围，是指包括所指范围内的任何引用的数字(分数或整数)。
59.本技术实施例提供了一种地聚物-碳基光蒸发材料，包括多孔地质聚合物支撑体，以及位于多孔地质聚合物支撑体上的碳基光热转化层。
60.基于同一发明构思，本发明还提供了一种上述的地聚物-碳基光蒸发材料的制备方法，包括以下步骤：
61.s1、将矿渣、偏高岭土混合得到混合物；
62.s2、向混合物中加入水玻璃、水，搅拌后，再加入发泡剂，继续搅拌，得到多孔地质聚合物浆料；
63.s3、将多孔地质聚合物浆料置于模具中，养护，得到多孔地质聚合物支撑体；
64.s4、将碳基材料加入水中，得到碳基浆料；
65.s5、将碳基浆料涂覆至多孔地质聚合物支撑体上，养护，得到地聚物-碳基光蒸发材料。
66.在一些实施例中，碳基材料包括氧化石墨烯、石墨、碳纳米管中的至少一种。
67.具体的，碳纳米管可以为官能化的碳纳米管，例如官能化的碳纳米管可以为利用酸对碳纳米管改性而得到的官能化碳纳米管。
68.在一些实施例中，水玻璃模数为1.2～1.4，水玻璃俗称泡花碱，是一种水溶性硅酸盐，其水溶液俗称水玻璃，是一种矿黏合剂，本案中水玻璃即硅酸钠，水玻璃模数指的是水玻璃中sio2和na2o的比值。
69.在一些实施例中，发泡剂包括十二烷基硫酸钠和/或双氧水。
70.具体的，发泡剂的添加量以矿渣和偏高岭土的总质量的百分数来衡量，具体的，发泡剂的质量为矿渣和偏高岭土质量之和的0.1～11％；若发泡剂包括十二烷基硫酸钠和双氧水的混合物，其中，十二烷基硫酸钠的质量是矿渣和偏高岭土质量之和的(0.1％～0.4％)，优选为(0.2％～0.3％)，最优选为0.24％；双氧水的质量为矿渣和偏高岭土质量之和的(0.1％～10％)，优选为(1％～5％)，最优选为2％。
71.在一些实施例中，矿渣和偏高岭土的质量比为(0.2～1.8):(0.2～1.8)，更优选质量比为(0.8～1.2):(0.8～1.2)，最优选为0.9:1.1。
72.在一些实施例中，矿渣与偏高岭土的质量之和与水玻璃的质量比为(0.5～2.0):(1.0～2.0)，具体的，矿渣与偏高岭土的质量之和与水玻璃的质量比即为固液比，优选的，矿渣与偏高岭土的质量之和与水玻璃的质量比为(1.0～1.2):(1.3～1.7)，最优为1:1.5。
73.在一些实施例中，向混合物中加入水玻璃、水的步骤中，水的质量为矿渣、偏高岭土质量之和的5～40％。
74.在一些实施例中，将多孔地质聚合物浆料置于模具中，养护，得到多孔地质聚合物支撑体的步骤中以及将碳基浆料涂覆至多孔地质聚合物支撑体上，养护，得到地聚物-碳基光蒸发材料的步骤中，养护温度为50～80℃、时间为1～2h；
75.将碳基浆料涂覆至多孔地质聚合物支撑体的步骤中，涂覆厚度为5～100μm。
76.在一些实施例中，将碳基浆料涂覆至多孔地质聚合物支撑体上，养护，即可在多孔地质聚合物支撑体上形成碳基光热转化层，进而制备得到地聚物-碳基光蒸发材料。
77.在一些实施例中，制备出的多孔地质聚合物支撑体表观密度在0.5～1.2g/cm3之间为最佳，密度在0.5～0.9g/cm3之间时，多孔地质聚合物支撑体拥有较好的输水性能和亲水性。在上述这些优选条件下可以制备出拥有较好的热定位能力，输水性能和强度适宜，孔径分布适宜的多孔地质聚合物支撑体。
78.在一些实施例中，碳基材料包括氧化石墨烯、石墨、碳纳米管中的至少一种；其中，利用碳基材料制备碳基光热转化层有两种方法；若碳基材料为氧化石墨烯，则将氧化石墨烯加入至水中，得到碳基浆料，再将碳基浆料涂覆至多孔地质聚合物支撑体上，养护，形成碳基光热转化层；若碳基材料包括石墨或碳纳米管，则将石墨或碳纳米管加入至多孔地质聚合物浆料，得到得到碳基浆料，再将碳基浆料涂覆至多孔地质聚合物支撑体上，养护，形成碳基光热转化层。
79.具体而言，氧化石墨烯，官能化碳纳米管等碳基材料具有与地质聚合物有反应活性的碳基光热材料；以氧化石墨烯为例，将氧化石墨烯加入至水中，得到碳基浆料，氧化石墨烯的用量以多孔地质聚合物支撑体上表面的面积作为衡量，0.1～0.4g/m2为最佳用量，涂覆的氧化石墨烯厚度在50～60μm之间为最佳。将涂覆好的式样放入恒温箱中养护，温度范围在50～80℃之间为最佳，养护时间在1～2h之间即可，养护过程中，地质聚合物会与氧化石墨烯进行反应，脱去部分含氧官能团，在提高自身的光热转化性能的同时，还能与多孔地质聚合物支撑体产生更牢固的结合，提高装置的耐用性能。
80.石墨、碳纳米管等纯碳基材料，这些材料无法与制备好的多孔地质聚合物发生反应结合，但是可以通过与多孔地质聚合物浆料直接复合，粘接在多孔地质聚合物支撑体表面，同样能结合牢固；其中，碳基材料质量与多孔地质聚合物浆中偏高岭土和矿渣总质量的比值为1:(0.5～1.5)，优选的比值为1:1，涂覆厚度优选范围在500～1000μm之间，600～700μm最佳。
81.具体的，上述实施例中，碳基材料包括石墨或碳纳米管，则将石墨或碳纳米管加入至多孔地质聚合物浆料，得到得到碳基浆料，再将碳基浆料涂覆至多孔地质聚合物支撑体上，养护，形成碳基光热转化层；其中，所用的多孔地质聚合物浆料的配制方法与步骤s1～s2完全相同，且矿渣和偏高岭土的质量比、矿渣与偏高岭土的质量之和与水玻璃的质量比、发泡剂的添加量均与上文记载完全相同。
82.在一些实施例中，将矿渣、偏高岭土混合得到混合物；其次将水玻璃和水混合均匀，然后再将混合好的水玻璃和水倒入矿渣和偏高岭土的混合物中，使用搅拌机搅拌，搅拌时间优选范围是2～10分钟之间，搅拌转速在500～2000r/min均可保证浆料能充分搅拌均匀，优选的，以2分钟搅拌时间，搅拌转速2000r/min为最佳；搅拌完毕后再向浆料加入发泡剂，再以相同转速搅拌1分钟即可成功制备多孔地质聚合物浆料；最后再将其注入相应的模具中，放入烘箱养护，即可制备出多孔地质聚合物支撑体。
83.在一些实施例中，将矿渣、偏高岭土和纯碳光热材料(如石墨或碳纳米管)以设定好的比例混合均匀，其次将水玻璃和水混合均匀，然后再将混合好的水玻璃和水倒入矿渣、偏高岭土和纯碳光热材料的混合物中，使用搅拌机搅拌，搅拌时间优选范围是2～10分钟之间，搅拌转速在500～2000r/min均可保证浆料能充分搅拌均匀，本实施例以2分钟搅拌时
间，搅拌桨转速2000r/min为最佳。搅拌完毕后再向浆料加入发泡剂，再以相同转速搅拌1分钟即可成功制备多孔地质聚合物/碳复合材料浆料(即上文提到的碳基浆料)，将得到的多孔地质聚合物/碳复合材料浆料涂覆在多孔地质聚合物支撑体表面，即可完成碳基光热转化层的制备。
84.本发明所用的氧化石墨烯由石墨通过改进的hummers法制备得到，官能化碳纳米管由碳纳米管官能化得到，其中石墨和碳纳米管均为本领域技术人员熟知的市售产品，价格低廉。这类材料可配置成溶液后，通过真空抽滤或者涂覆的方式直接负载在多孔地质聚聚合物支撑体上，完成碳基光热转化层的制备。
85.本发明制备得到的地聚物-碳基光蒸发材料，相对于其他类型的光蒸发膜而言具有巨大的优势。其制备过程非常简单，显著的节省了工业化和扩大化带来的成本问题。制备条件也非常温和，在室温至80℃之间就能制备。而制备原料也是非常绿色环保的，不会对水源产生二次污染。且制备成型的地聚物-碳基光蒸发材料具兼具复合材料的优点，相辅相成，表现出极高的蒸发效率和蒸发速率，可以对工业高盐废水进行高效的浓缩处理，大大减少处理成本。地聚物-碳基光蒸发材料本身还具备抗盐性，耐酸碱腐蚀，耐高温等优点，且可塑性极高，可以因地制宜，灵活的运用在各种各样的恶劣环境下。
86.基于同一发明构思，本发明还提供了一种光蒸发装置，包括上述的地聚物-碳基光蒸发材料或上述的制备方法制备得到的地聚物-碳基光蒸发材料。
87.在一些实施例中，光蒸发装置，如图1～5所示，还包括：
88.基座1，多个地聚物-碳基光蒸发材料2固定于基座1上表面；
89.基座1内部设有储水室11，地聚物-碳基光蒸发材料端部延伸至储水室11内。
90.在上述实施例中，多个地聚物-碳基光蒸发材料2固定在基座1上表面，同时在基座1内部设有储水室11，地聚物-碳基光蒸发材料2下端延伸至储水室11内，通过向储水室11内通入待处理的废水，如高浓度盐水，利用地聚物-碳基光蒸发材料吸收太阳能转变成热能，从而使得待处理的废水蒸发。
91.在一些实施例中，基座1两侧分别设有凸起12，而多个地聚物-碳基光蒸发材料2则位于基座1上且位于两个凸起12之间，两个凸起12之间形成余热通道13，设计余热通道13的目的是为了能够利用一些工厂中产生的高温废热，以弥补光蒸发装置在加入亚克力透明罩3后无法利用风能提升蒸发效率的损失。只需要将工厂产生的高温废气通过简单的管道引导到装置底部的余热通道，即可完成余热强化光蒸发浓缩的的过程。
92.在一些实施例中，透明罩3底部两侧分别固定在凸起12上，且多个地聚物-碳基光蒸发材料2穿过透明罩3底部后并伸入至储水室11内，透明罩3一侧设有进水管31、另一侧设有出水管32，进水管31连通储水室11，在使用时，通过进水管31向储水室11内通入待处理废水，废水蒸发后得到的洁净的水被收集在透明罩3内；具体的，透明罩3可为亚克力透明罩，且透明罩3上端既可以为开口也可以为封闭。
93.具体的，请再次参考图2所示，透明罩3还设有紧固件14，紧固件14用于固定地聚物-碳基光蒸发材料2。
94.请再次参考图4所示，在一些实施例中，可以不设置透明罩3，此时可以利用余热通道13对高温废气的余热进行利用，也可以对风能16和环境热能15进行利用。在一些实施例中，基座1上且位于透明罩3两侧分别设有平面镜4，具体的，平面镜4设置在凸起12上，平面
镜4与凸起12表面的夹角为45～60
°
，设置平面镜4，可以增强正午及11点～13点钟的太阳光强度，并且平面镜4将太阳光反射至地聚物-碳基光蒸发材料2上。
95.在一些实施例中，基座1上且位于透明罩3两侧分别设有菲涅尔透镜5，具体的，在凸起12上设置支架，菲涅尔透镜5设置在支架上，菲涅尔透镜5铰接在支架上，使得菲涅尔透镜5可以转动使得其角度可以调节；具体的，位于透明罩3一侧的菲涅尔透镜5与凸起12所在平面的夹角在34～60
°
之间可调，位于透明罩3另一侧的菲涅尔透镜5与凸起12所在平面的夹角在120～146
°
之间调节；菲涅尔透镜5的设置用以增强早上及傍晚时的太阳光强度。菲涅尔透镜5用于将太阳光聚焦至地聚物-碳基光蒸发材料上。
96.上述平面镜4、菲涅尔透镜5(合称为太阳光增强装置)的设置旨在最大化白天的阳光强度，以提高光蒸发装置的蒸发效率和浓缩速度。
97.在一些实施例中，菲涅尔透镜5的直径优先选用地聚物-碳基光蒸发材料直径的3～8倍，4～5倍最佳。
98.本发明的光蒸发装置，具有优异的抗盐性能，通过马兰戈尼效应可以达到自清洁的效果，相对于其他蒸发器而言，无需花费额外的人工成本进行积盐的清洗。
99.请再次参考图5所示，其显示了平面镜4对太阳光的反射、菲涅尔透镜5对太阳光的聚焦。
100.在一些实施例中，参考图6所示，沟渠形式存放工业高盐废水时，多个地聚物-碳基光蒸发材料2的排布方式，其中，21为沟渠进水口、22为沟渠出水口。
101.在一些实施例中，参考图7所示，水池形式存放工业高盐废水时，多个地聚物-碳基光蒸发材料2的排布方式，其中，33为水池进水口、34为水池出水口。
102.本发明制备得到的地聚物-碳基光蒸发材料质地轻，密度比水小，机械强度高，可以漂浮在水面上保持稳定，并且和太阳光增强装置耦合能够使得装置以合适的高度漂浮在水面，最终下方的待处理液能够通过自身的供水层自底向上不断的传输水分，并且碳基光热转化层能够阻挡源源不断向上运输的水分，防止其富集在上表面从而造成大量的热损失，降低蒸发效率。这是由于本发明的碳基光热转化层与多孔地质聚合物支撑体有不同亲疏水性，具有类似janus膜的性质。多孔地质聚合物支撑体还具有很好的热管理性能，具备丰富的毛细孔不仅能利用毛细作用快速的传输水分，还由于较低的热导率，防止碳基光热转化层在进行光热转化时，将大量的热量传到下方的水中，让碳基光热转化层能利用更多的能量进行蒸发浓缩。
103.基于同一发明构思，本发明还提供了一种上述的地聚物-碳基光蒸发材料或上述的制备方法制备得到的地聚物-碳基光蒸发材料或上述的光蒸发装置在处理废水中的应用。
104.具体而言，上述的废水包括含有高浓度的无机盐、有机物和重金属等污染物的废水，利用本发明的地聚物-碳基光蒸发材料对废水进行蒸发浓缩，并收集蒸发后的蒸汽，进而得到洁净的水。
105.以下进一步以具体实施例说明本技术的地聚物-碳基光蒸发材料及其制备方法、光蒸发装置。本部分结合具体实施例进一步说明本发明内容，但不应理解为对本发明的限制。如未特别说明，实施例中所采用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本领域常规试剂、方法和设备。
106.实施例1
107.本实施例提供了一种地聚物-碳基光蒸发材料的制备方法，包括以下步骤：
108.s1、将100g矿渣、100g偏高岭土混合得到混合物；
109.s2、将200g、模数为1.3的水玻璃和50g水混合，再将混合后的水玻璃和水加入至s1中混合物中，于2000r/min下搅拌2min，再加入发泡剂，继续以2000r/min速率搅拌1min，得到多孔地质聚合物浆料；其中，发泡剂包括十二烷基硫酸钠(0.48g)和双氧水(4g)的混合物；
110.s3、将多孔地质聚合物浆料置于模具中，于60℃下养护1h，得到多孔地质聚合物支撑体；其中，模具为中空的圆柱体状，模具内径为2cm；
111.s4、将15mg氧化石墨烯加入至50ml去离子水中，搅拌均匀得到碳基浆料；
112.s5、将s4中碳基浆料涂覆至s3中多孔地质聚合物支撑体上端面(涂覆厚度为50μm)，并于60℃下养护2h，得到地聚物-碳基光蒸发材料。
113.实施例2
114.本实施例提供了一种地聚物-碳基光蒸发材料的制备方法，包括以下步骤：
115.s1、将100g矿渣、100g偏高岭土混合得到第一混合物；
116.s2、将200g、模数为1.3的水玻璃和50g水混合，再将混合后的水玻璃和水加入至s1中第一混合物中，于2000r/min下搅拌2min，再加入发泡剂，继续以2000r/min速率搅拌1min，得到多孔地质聚合物浆料；其中，发泡剂包括十二烷基硫酸钠(0.48g)和双氧水(4g)的混合物；
117.s3、将多孔地质聚合物浆料置于模具中，于60℃下养护1h，得到多孔地质聚合物支撑体；其中，模具为中空的圆柱体状，模具内径为2cm；
118.s4、将5g矿渣、5g偏高岭土、10g石墨混合得到第二混合物；将10g、模数为1.3的水玻璃和2.5g水混合，再将混合后的水玻璃和水加入至第二混合物中，于2000r/min下搅拌2min，再加入发泡剂，继续以2000r/min速率搅拌1min，得到地聚物碳基浆料；
119.s5、将s4中地聚物碳基浆料涂覆至s3中多孔地质聚合物支撑体上端面(涂覆厚度为870μm)，并于60℃下养护2h，得到地聚物-碳基光蒸发材料。
120.实施例3
121.本实施例提供了一种光蒸发装置，其结构如图1～3所示，该光蒸发装置包括多个实施例1中制备得到的地聚物-碳基光蒸发材料；其中，基座上且位于透明罩两侧分别设有平面镜，具体的，平面镜设置在凸起上，平面镜与凸起表面的夹角为45
°
；基座上且位于透明罩两侧分别设有菲涅尔透镜，具体的，在凸起上设置支架，菲涅尔透镜设置在支架上，菲涅尔透镜铰接在支架上，使得菲涅尔透镜可以转动使得其角度可以调节；具体的，菲涅尔透镜与凸起所在平面的夹角为60
°
；菲涅尔透镜的直径为40cm，平面镜的尺寸是40cm
×
40cm(即长和宽均为40cm)。
122.实施例4
123.本实施例提供了一种光蒸发装置，其结构如图1～3所示，该光蒸发装置包括多个实施例2中制备得到的地聚物-碳基光蒸发材料；其中，基座上且位于透明罩两侧分别设有平面镜，具体的，平面镜设置在凸起上，平面镜与凸起表面的夹角为45
°
；基座上且位于透明罩两侧分别设有菲涅尔透镜，具体的，在凸起上设置支架，菲涅尔透镜设置在支架上，菲涅
尔透镜铰接在支架上，使得菲涅尔透镜可以转动使得其角度可以调节；具体的，菲涅尔透镜与凸起所在平面的夹角为60
°
；菲涅尔透镜的直径为40cm，平面镜的尺寸是40cm
×
40cm(即长和宽均为40cm)。
124.性能测试
125.图8为实施例1中步骤s3中得到的多孔地质聚合物支撑体的热稳定曲线，从图8中可以看出，多孔地质聚合物支撑体除了在250℃之前部分失重(前期主要丢失部分水)，在250℃～1000℃多孔地质聚合物支撑体重量几乎不变，说明多孔地质聚合物支撑体具有良好的热稳定性，因此可以说明本发明的地聚物-碳基光蒸发材料也具有良好的热稳定性。
126.图9为实施例1中步骤s3中得到的多孔地质聚合物支撑体的抗压强度曲线，从图9中可以看出，多孔地质聚合物支撑体最高可以抗25mpa压强，说明本发明的多孔地质聚合物支撑体具有良好的机械强度，因此可以说明本发明的地聚物-碳基光蒸发材料也具有机械强度。
127.图10为实施例1中制备得到的地聚物-碳基光蒸发材料在水面漂浮的实物图，从图10可知，本发明制备得到的地聚物-碳基光蒸发材料质地轻，密度比水小。
128.图11为实施例1中制备得到的地聚物-碳基光蒸发材料应用于不同浓度的盐水溶液下的蒸发速率；图11中pure water为纯水，3.5wt.％、7wt.％、15wt.％分别表示质量浓度为3.5％、7％、15％的盐水，具体的3.5wt.％、7wt.％、15wt.％的盐水的配制方法为，将不同质量的nacl分别加入至水中，使得nacl质量分数分别为3.5％、7％、15％即分别不同质量浓度的盐水。
129.从图11中可以看出，本发明的地聚物-碳基光蒸发材料对于质量高的盐水还具有较高的蒸发速率，说明本发明的地聚物-碳基光蒸发材料具有较强的耐盐性。
130.图12为实施例1中制备得到的地聚物-碳基光蒸发材料在酸性和碱性溶液下的蒸发曲线；其中，图12中hcl-ph＝1，表示使用hcl将水调整为ph为1的酸性水溶液，naoh-ph＝13，表示使用naoh将水调整为ph为13的碱性水溶液。
131.从图12中可以看出，本发明的地聚物-碳基光蒸发材料在酸性和碱性溶液中还具有良好的蒸发效果，说明本发明的地聚物-碳基光蒸发材料具有良好的耐酸碱腐蚀性能。
132.蒸发效果测试
133.用模拟太阳光(光照强度调节到1kw/m2，模拟真实太阳一个太阳强度照射样品)分别对实施例1～2制备得到的地聚物-碳基光蒸发材料直接进行照射，并置于配置好的nacl 3.5wt.％溶液中，通过连接了电脑的天平实时记录蒸发率。
134.选择一个晴天，将实施例3～4中的光蒸发装置置于户外，进行真实太阳照射实验，向储水室11中倒入配置好的nacl 3.5wt.％溶液。其中对实施例4的蒸汽进行收集。
135.蒸发速率m为单位时间单位面积内的蒸汽产量，单位为(kg/m2/h),蒸发效率η为:
136.其中，m蒸发速率，h
lv
为相变焓，大小为2256kj/kg，qi是一个太阳强度(1kw/m2)，c
opt
是太阳的强度倍数(本实施例只有一个强度)。
137.测试结果为：
138.实施例1中的地聚物-碳基光蒸发材料的蒸发速率为1.79kg/m2/h、蒸发效率为92.1％。
139.实施例2中的地聚物-碳基光蒸发材料的蒸发速率为1.81kg/m2/h、蒸发效率为90.3％。
140.实施例3中的光蒸发装置的蒸发速率为4.05kg/m2/h，是实施例1的2.26倍，蒸发效率超过了100％(由于额外的能量输入)。
141.在进行了长达8小时的连续户外蒸发，对实施例4收集的蒸汽淡水进行icp检测，对钾，钠，钙和镁离子的去除率都达到了99.9％。证明本发明的光蒸发装置具备对工业废水进行光蒸发浓缩处理废液的潜力。
142.以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种地聚物-碳基光蒸发材料，其特征在于，包括多孔地质聚合物支撑体，以及位于所述多孔地质聚合物支撑体上的碳基光热转化层。2.一种如权利要求1所述的地聚物-碳基光蒸发材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将矿渣、偏高岭土混合得到混合物；向混合物中加入水玻璃、水，搅拌后，再加入发泡剂，继续搅拌，得到多孔地质聚合物浆料；将多孔地质聚合物浆料置于模具中，养护，得到多孔地质聚合物支撑体；将碳基材料加入水中，得到碳基浆料；将碳基浆料涂覆至多孔地质聚合物支撑体上，养护，得到地聚物-碳基光蒸发材料。3.如权利要求2所述的地聚物-碳基光蒸发材料的制备方法，其特征在于，所述碳基材料包括氧化石墨烯、石墨、碳纳米管中的至少一种。所述水玻璃模数为1.2～1.4；所述发泡剂包括十二烷基硫酸钠和/或双氧水。4.如权利要求2所述的地聚物-碳基光蒸发材料的制备方法，其特征在于，所述矿渣和偏高岭土的质量比为(0.2～1.8):(0.2～1.8)；所述矿渣与偏高岭土的质量之和与水玻璃的质量比为(0.5～2.0):(1.0～2.0)；所述发泡剂的质量为矿渣、偏高岭土质量之和的0.1～11％；向混合物中加入水玻璃、水的步骤中，所述水的质量为矿渣、偏高岭土质量之和的5～40％。5.如权利要求2所述的地聚物-碳基光蒸发材料的制备方法，其特征在于，将多孔地质聚合物浆料置于模具中，养护，得到多孔地质聚合物支撑体的步骤中以及将碳基浆料涂覆至多孔地质聚合物支撑体上，养护，得到地聚物-碳基光蒸发材料的步骤中，养护温度为50～80℃、时间为1～2h；将碳基浆料涂覆至多孔地质聚合物支撑体的步骤中，涂覆厚度为5～100μm。6.如权利要求3所述的地聚物-碳基光蒸发材料的制备方法，其特征在于，若所述碳基材料为氧化石墨烯，则将氧化石墨烯加入至水中，得到碳基浆料；若所述碳基材料包括石墨或碳纳米管，则将石墨或碳纳米管加入至多孔地质聚合物浆料，得到得到碳基浆料；其中，所述碳基材料质量与多孔地质聚合物浆中偏高岭土和矿渣总质量的比值为1:(0.5～1.5)。7.一种光蒸发装置，其特征在于，包括如权利要求1所述的地聚物-碳基光蒸发材料或权利要求2～6任一所述的制备方法制备得到的地聚物-碳基光蒸发材料。8.如权利要求7所述的光蒸发装置，其特征在于，还包括：基座，多个所述地聚物-碳基光蒸发材料固定于所述基座表面；所述基座内部设有储水室所述地聚物-碳基光蒸发材料端部延伸至所述储水室内。9.如权利要求8所述的光蒸发装置，其特征在于，还包括：透明罩，其位于所述基座表面，且罩设在所述地聚物-碳基光蒸发材料外周，所述透明罩一侧设有进水管、另一侧设有出水管，所述进水管连通所述储水室；平面镜，位于所述基座上且位于所述透明罩外，所述平面镜用于将太阳光反射至地聚
物-碳基光蒸发材料上；菲涅尔透镜，其位于所述基座上且位于所述透明罩外，所述菲涅尔透镜用于将太阳光聚焦至地聚物-碳基光蒸发材料上。10.一种如权利要求1所述的地聚物-碳基光蒸发材料或权利要求2～6任一所述的制备方法制备得到的地聚物-碳基光蒸发材料或权利要求7～9任一所述的光蒸发装置在处理废水中的应用。

技术总结
本发明提供了一种地聚物-碳基光蒸发材料及其制备方法、光蒸发装置。本发明的地聚物-碳基光蒸发材料，包括多孔地质聚合物支撑体，以及位于多孔地质聚合物支撑体上的碳基光热转化层；本发明制备得到的地聚物-碳基光蒸发材料，相对于其他类型的光蒸发膜而言具有巨大的优势。其制备过程非常简单，显著的节省了工业化和扩大化带来的成本问题。制备条件也非常温和，在室温至80℃之间就能制备。而制备原料也是非常绿色环保的，不会对水源产生二次污染。且制备成型的地聚物-碳基光蒸发材料兼具复合材料的优点，相辅相成，表现出极高的蒸发效率和蒸发速率，可以对工业高盐废水进行高效的浓缩处理，大大减少处理成本。大大减少处理成本。大大减少处理成本。


技术研发人员：邓兴发 崔学民 戴如晴
受保护的技术使用者：广西大学
技术研发日：2023.07.27
技术公布日：2023/10/8