本發(fā)明涉及水處理材料領(lǐng)域，具體為一種用于海水淡化及凈水處理的石墨烯光熱轉(zhuǎn)化材料的制備方法。

背景技術(shù)：

淡水是人類社會賴以生存和發(fā)展的基本物質(zhì)之一。我國人均水資源匱乏，居世界的第108位。我國海岸線長，一些島嶼和沿海鹽堿地區(qū)以及內(nèi)陸苦咸水地區(qū)均屬缺乏淡水的地區(qū)。這些地區(qū)的人們由于長期飲用不符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的水，產(chǎn)生了各種病癥，直接影響著他們的身體健康和當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)建設(shè)。因此，解決淡水供應(yīng)不足是我國面臨的一個嚴(yán)峻問題。為了增大淡水的供應(yīng)，一條有利的途徑就是就近進(jìn)行海水或苦咸水的淡化，特別是對于那些用水量分散而且偏遠(yuǎn)的地區(qū)更適宜用此方法。對海水或苦咸水進(jìn)行淡化的方法很多，但常規(guī)的方法，如：蒸餾法、離子交換法、滲析法、反滲透膜法以及冷凍法等，都要消耗大量的燃料或電力。據(jù)報道，全球每年用于海水淡化的能源消耗折合成原油約需要1.3億噸，隨之而來的還有嚴(yán)重的空氣污染、溫室效應(yīng)等諸多其它問題。因此，尋求其它更加清潔可持續(xù)的方法來進(jìn)行海水淡化具有重要的現(xiàn)實意義。其中，利用太陽能進(jìn)行海水淡化，有廣泛的應(yīng)用前景。

目前，采用的太陽能海水淡化技術(shù)主要分為兩類：一是利用太陽能進(jìn)行光伏發(fā)電，然后利用電能驅(qū)動反滲透裝置進(jìn)行淡化，由于光伏發(fā)電本身的轉(zhuǎn)化效率就很低，且反滲透裝置本身存在的能耗及壽命問題使其發(fā)展受限。二是利用太陽能的熱效應(yīng)，通過集熱裝置加熱海水使其蒸餾淡化；由于能量利用率低，其工作溫度通常很低，蒸發(fā)效率不高；而要提高效率就需要建設(shè)大規(guī)模的集熱裝置來加熱海水，這無疑增大了該技術(shù)的使用和維護(hù)成本；由于海水的高鹽分造成的設(shè)備腐蝕和管路堵塞問題，也成為大型設(shè)備推廣使用中難以克服的技術(shù)障礙。因此，目前技術(shù)發(fā)展的前沿就是，如何更加高效的利用太陽能以及優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)，降低使用和維護(hù)成本，提高使用壽命。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于海水淡化及凈水處理的石墨烯光熱轉(zhuǎn)化材料的制備方法，獲得具有高效光熱轉(zhuǎn)化能力的石墨烯多孔泡沫材料，將其漂浮在海水及污水表面并置于陽光下曝曬時，可以快速的將水轉(zhuǎn)化為水蒸氣，再通過簡單冷凝后即制成可飲用的純凈淡水。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種用于海水淡化及凈水處理的石墨烯光熱轉(zhuǎn)化材料制備方法，將石墨烯粉體和具有鏈狀分子結(jié)構(gòu)的聚合物材料以及溶劑制成漿料，加入模具中進(jìn)行烘干及熱處理，使材料中的有機(jī)物質(zhì)碳化，得到具有良好機(jī)械強(qiáng)度的石墨烯泡沫材料；在其底面一側(cè)進(jìn)行親水化處理后，即制成可用于污水及海水蒸餾凈化及淡化處理的石墨烯光熱轉(zhuǎn)化材料。

所述的用于海水淡化及凈水處理的石墨烯光熱轉(zhuǎn)化材料制備方法，所用石墨烯材料是各種方法制備的本征態(tài)石墨烯或石墨烯衍生物；本征態(tài)石墨烯或石墨烯衍生物，其片層厚度為碳原子層數(shù)在10層以下，片層片徑/厚度比例大于10。

所述的用于海水淡化及凈水處理的石墨烯光熱轉(zhuǎn)化材料制備方法，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鏈段的片狀類石墨烯結(jié)構(gòu)，以及有缺陷或有摻雜狀態(tài)的石墨烯之一。

所述的用于海水淡化及凈水處理的石墨烯光熱轉(zhuǎn)化材料制備方法，本征態(tài)石墨烯或石墨烯衍生物的制備方法包括：以石墨為原料膨脹剝離制備的石墨烯粉體或液相分散體，以氣態(tài)碳源為原料通過化學(xué)氣相沉積或物理氣相沉積制備的石墨烯，經(jīng)粉碎或分散形成的石墨烯粉體或液相分散體，或以小分子物質(zhì)通過化學(xué)聚合形成的類石墨烯二維片狀材料聚集形成的粉體或液相分散體。

所述的用于海水淡化及凈水處理的石墨烯光熱轉(zhuǎn)化材料制備方法，具有鏈狀分子結(jié)構(gòu)的聚合物包括蔗糖、纖維素及其衍生物、熱塑性及熱固性樹脂材料之一，所用溶劑因聚合物材料不同而選用與之對應(yīng)的良溶劑。

所述的用于海水淡化及凈水處理的石墨烯光熱轉(zhuǎn)化材料制備方法，石墨烯與聚合物材料所制備的漿料中，固體物質(zhì)的比例范圍按照重量比為0.1％～50％，其中石墨烯與聚合物材料的比例范圍按照重量比為1000:1～1:100。

所述的用于海水淡化及凈水處理的石墨烯光熱轉(zhuǎn)化材料制備方法，用于石墨烯漿料成型的模具形狀無特殊限制，保證耐受300～1000℃的熱處理而不變形或 損壞。

所述的用于海水淡化及凈水處理的石墨烯光熱轉(zhuǎn)化材料制備方法，石墨烯漿料加入模具后進(jìn)行烘干和燒結(jié)兩個過程，其中：烘干溫度范圍為50～250℃，時間為10分鐘～12小時；燒結(jié)溫度范圍為300～1000℃，時間為10分鐘～12小時。

所述的用于海水淡化及凈水處理的石墨烯光熱轉(zhuǎn)化材料制備方法，燒結(jié)后泡沫材料的底面親水化處理采用化學(xué)氧化法、氧等離子處理法或涂覆親水聚合物涂層實現(xiàn)。

本發(fā)明的設(shè)計原理是：

本發(fā)明制備的石墨烯泡沫材料，微觀上是由石墨烯納米片無序堆垛形成的宏觀黑體材料，當(dāng)光照射到材料時，光線不對外反射，而是會在其孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)部通過不斷的反射和折射最終完全轉(zhuǎn)化為熱量被材料吸收。這種光熱轉(zhuǎn)化方式可以在最大程度上同時利用太陽能的光效應(yīng)和熱效應(yīng)，空氣中的石墨烯泡沫可以在光照條件下被很快的加熱到很高的溫度(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細(xì)作用，水會滲透到石墨烯泡沫內(nèi)部，并以微液膜的形式附著在石墨烯納米片的表面；由于石墨烯具有極高的熱導(dǎo)率，當(dāng)光照使石墨烯泡沫發(fā)熱后，熱量會快速傳導(dǎo)到孔隙中將水加熱；由于微孔隙結(jié)構(gòu)中的水以超薄液膜的形式存在，且石墨烯與水分子之間的作用力很弱，水膜蒸發(fā)所需要克服的能壘被大大降低，因此石墨烯泡沫孔隙中的水分會很快轉(zhuǎn)化為低溫水蒸氣溢出；同時由于虹吸作用，泡沫外的水會被持續(xù)的吸入泡沫內(nèi)部并重復(fù)上述循環(huán)過程，直至容器中的水被完全蒸發(fā)。

實際制備過程中，利用聚合物與石墨烯復(fù)合燒結(jié)的方法可以在提高石墨烯泡沫機(jī)械強(qiáng)度的同時，在其表面形成具有超疏水性并具備超微孔結(jié)構(gòu)的表面層，可以阻止由于水中離子擴(kuò)散到泡沫材料內(nèi)部析出導(dǎo)致的微孔堵塞現(xiàn)象，從而保證水分的傳遞和蒸發(fā)可以持續(xù)進(jìn)行；但是由于超疏水表面不利于初始狀態(tài)下水對泡沫材料的浸潤，因此需要對泡沫材料與水的接觸面進(jìn)行親水化處理，采用表面化學(xué)氧化、氧等離子體處理或涂覆親水高分子層的方法即可實現(xiàn)。

本發(fā)明的有益效果如下：

1、日照充足的條件下，環(huán)境溫度為10～50℃的范圍內(nèi)，本發(fā)明利用石墨烯 泡沫可以獲得的水蒸發(fā)速率是相同面積水面自然蒸發(fā)速率的1000倍以上，是目前商用集熱式太陽能水蒸發(fā)裝置效率的5倍以上。

2、由于石墨烯極高的熱導(dǎo)率和疏水性，利用石墨烯泡沫蒸發(fā)水分的熱量利用率極高，所形成的水蒸氣初始溫度僅為50～60℃，便于冷凝。

3、利用石墨烯泡沫制作淡化及凈水裝置結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、成本低廉，且易于制成小型便攜設(shè)備，不消耗電能或其它能源，便于使用。

4、石墨烯泡沫材料可重復(fù)使用且清洗方便，不會因鹽分析出而造成微孔隙堵塞，因此既可應(yīng)用于海水淡化也可應(yīng)用于污水的蒸餾凈化。

附圖說明

圖1.實施例1制備的石墨烯泡沫光熱轉(zhuǎn)化材料截面微觀結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2.實施例1制備的石墨烯泡沫光熱轉(zhuǎn)化材料的上表面(a,b)及下表面(c,d)掃描電子顯微鏡微觀形貌。

具體實施方式

在具體實施過程中，將石墨烯粉體和具有鏈狀分子結(jié)構(gòu)的聚合物材料以及溶劑按照比例制成漿料，加入模具中進(jìn)行烘干及熱處理，使材料中的有機(jī)物質(zhì)碳化，得到具有良好機(jī)械強(qiáng)度的石墨烯泡沫材料，石墨烯泡沫材料的機(jī)械強(qiáng)度范圍為抗拉強(qiáng)度：0.5～5MPa；彈性模量30～50MPa；在所述的石墨烯泡沫材料底面一側(cè)進(jìn)行親水化處理后，即制成可用于污水及海水蒸餾凈化及淡化處理的石墨烯光熱轉(zhuǎn)化材料。其中，

所用石墨烯材料可以是各種方法制備的本征態(tài)石墨烯、改性石墨烯或氧化石墨烯；本征態(tài)石墨烯或石墨烯衍生物，其共同的特征在于，片層厚度為碳原子層數(shù)在10層以下，最優(yōu)化的層數(shù)分布為1～5層；片層片徑/厚度比例大于10，最優(yōu)化的片徑/厚度比例分布為1000～5000；石墨烯衍生物主要包括氧化石墨烯、接枝或包覆其他分子鏈段的片狀類石墨烯結(jié)構(gòu)，以及有缺陷或有摻雜狀態(tài)的石墨烯等，其碳層結(jié)構(gòu)符合以上描述的結(jié)構(gòu)特征。

本征態(tài)石墨烯或石墨烯衍生物的制備方法包括但不局限于以下三種方法：即以石墨為原料膨脹剝離制備的石墨烯粉體或液相分散體，以氣態(tài)碳源為原料通過化學(xué)氣相沉積(CVD)或物理氣相沉積(PVD)制備的石墨烯經(jīng)粉碎或分散形成的石墨烯粉體或液相分散體，或以小分子物質(zhì)通過化學(xué)聚合形成的類石墨烯二維片狀材料聚集形成的粉體或液相分散體。

具有鏈狀分子結(jié)構(gòu)的聚合物包括但不局限于以下物質(zhì)：蔗糖、纖維素及其衍生物、熱塑性及熱固性樹脂材料(如：聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、醛酮樹脂等)；所用溶劑因聚合物材料不同而選用與之對應(yīng)的良溶劑。

石墨烯與聚合物材料所制備的漿料中，固體物質(zhì)的比例范圍按照重量百分比為0.1％～50％，優(yōu)選的比例為1％～10％；其中石墨烯與聚合物材料的比例范圍按照重量比為1000:1～1:100，優(yōu)選的比例為50:1～1:1；用于石墨烯漿料成型的模具的形狀無特殊限制，但需要耐受300～1000℃的熱處理而不變形或損壞；石墨烯漿料加入模具后需要進(jìn)行烘干和燒結(jié)兩個過程，其烘干溫度依據(jù)所用溶劑的不同而不同，通常在50～250℃的范圍，時間為10分鐘～12小時，優(yōu)選的時間范圍為1～2小時；其燒結(jié)溫度的范圍為300～1000℃，優(yōu)選的溫度范圍為600～800℃，時間為10分鐘～12小時，優(yōu)選的時間范圍為3～5小時；燒結(jié)后泡沫材料的底面親水化處理可以采用化學(xué)氧化法、氧等離子處理法或涂覆親水聚合物涂層(如：聚乙烯醇、羥乙基纖維素等)實現(xiàn)。

以下通過具體實施例對此工藝過程進(jìn)行詳細(xì)說明。

實施例1

將50g石墨烯粉體和15g聚乙烯醇和1kg水混合后利用高速剪切乳化將其制成均勻的漿料，對上述漿料進(jìn)行高速離心，收集下層漿料，其固含量(重量比)為8.7％；將上述漿料灌入底面積為225cm²(15cm×15cm)的方形不銹鋼模具中鋪平使其形成厚度約為2cm的料餅；將料餅連同模具在室溫下靜置12小時后放入鼓風(fēng)干燥箱中加熱至80℃烘干4小時后取出，在放入馬弗爐中加熱至550℃保溫5小時，使物料中的聚乙烯醇完全碳化。冷卻至室溫后，將模具中的黑色泡沫狀物料取出即得到具有良好機(jī)械強(qiáng)度的石墨烯泡沫材料。將聚乙烯醇配制成濃度為5wt％的均勻水溶液，利用毛刷將聚乙烯醇溶液刷涂在石墨烯泡沫材料燒結(jié)過程中貼近模具底部的一側(cè)，可涂覆1～2次，自然晾干后利用硼砂對其進(jìn)行交聯(lián)處理后，即制成可用于光熱轉(zhuǎn)化淡水及凈水的石墨烯復(fù)合泡沫材料。

該石墨烯泡沫材料的截面微觀結(jié)構(gòu)示意圖如附圖1所示，其上下表面的微觀結(jié)構(gòu)如附圖2所示，其上表面(附圖2a-b)存在明顯的大孔(孔徑大于0.1微米且小于或等于10微米)及中孔(孔徑為1～100納米)結(jié)構(gòu)，主要用于吸收光線以及蒸發(fā)水分；其下表面(附圖2c-d)主要存在微孔(孔徑大于或等于0.1納米 且小于1納米)結(jié)構(gòu)，主要用于過濾水中的鹽分和雜質(zhì)，僅允許水分子透過。

實施例2

20g石墨烯粉體和10g羥乙基纖維素和800g乙醇混合后利用高速剪切乳化將其制成均勻的漿料，對上述漿料進(jìn)行高速離心，收集下層漿料，其固含量(重量比)為6.6％；強(qiáng)上述漿料灌入底面直徑為35cm的圓形不銹鋼模具中鋪平使其形成厚度約為2.2cm的料餅；將料餅連同模具在室溫下靜置12小時后放入鼓風(fēng)干燥箱中加熱至80℃烘干4小時后取出，在放入馬弗爐中加熱至850℃保溫5小時，使物料中的羥乙基纖維素完全碳化。冷卻至室溫后，將模具中的黑色泡沫狀物料取出，即得到具有良好機(jī)械強(qiáng)度的石墨烯泡沫材料。對其底面(浸泡在水中一面)利用氧等離子體處理10分鐘即可使其表面具有良好的親水性，可用于熱蒸發(fā)凈水。

實施例3

200g固含量為5wt％的氧化石墨烯水漿料和500g固含量為1wt％的羧甲基纖維素鈉水溶液混合后攪拌形成均勻的漿料，固含量為2.2wt％；將上述漿料灌入底面直徑為35cm的圓形不銹鋼模具中鋪平使其形成厚度約為2.2cm的料餅；將料餅連同模具在室溫下靜置12小時后放入鼓風(fēng)干燥箱中加熱至80℃烘干4小時后取出，在放入馬弗爐中加熱至1000℃保溫5小時，使物料中的羧甲基纖維素鈉完全碳化。冷卻至室溫后，將模具中的黑色泡沫狀物料取出即得到具有良好機(jī)械強(qiáng)度的石墨烯泡沫材料。對其底面(浸泡在水中一面)利用氧等離子體處理10分鐘即可使其表面具有良好的親水性，可用于熱蒸發(fā)凈水。

實施例結(jié)果表明，利用石墨烯泡沫的黑體結(jié)構(gòu)和高導(dǎo)熱性質(zhì)，可將太陽光高效的轉(zhuǎn)化為熱量；利用泡沫結(jié)構(gòu)的毛細(xì)作用連續(xù)輸送水分并降低其蒸發(fā)勢壘，從而實現(xiàn)海水的快速蒸餾淡化。在環(huán)境溫度為10～50℃的相同光照條件下，利用本發(fā)明石墨烯泡沫可以獲得的水蒸發(fā)速率是相同面積水面自然蒸發(fā)速率的1000倍以上。利用這種石墨烯泡沫材料可以非常便捷的制造小型便攜式高效海水淡化及太陽能污水凈化裝置，滿足海上及戶外快速制備潔凈淡水的需求。