本發(fā)明涉及一種光熱轉(zhuǎn)換薄膜的用途，屬于水處理領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著新時代科技的不斷進(jìn)步，能源和環(huán)境問題已經(jīng)成為全世界范圍內(nèi)共同面對的突出問題之一，尤其是水資源的短缺問題越來越引起人類的重視。

儲存在地球的總儲水量約1386×10億立方米，其中海洋水占96.5％，淡水資源僅占3.5％。而淡水又主要以冰川和深層地下水的形式存在，河流湖泊等人類直接可以利用的淡水僅占世界總淡水量的0.3％，所以缺水已經(jīng)是全世界城市面臨的首要問題。目前人們開始采取反滲透、熱法等方式進(jìn)行海水淡化，可以解決人類未來對淡水的需求，但是傳統(tǒng)的海水淡化屬于高耗能產(chǎn)業(yè)。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增長，特別是我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，效益創(chuàng)造的同時，也產(chǎn)生了種種污水。為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、解決水資源的緊缺，污水的資源化回用成為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。污水處理已被廣泛應(yīng)用于建筑、農(nóng)業(yè)、交通、能源、石化、環(huán)保、城市景觀、醫(yī)療、餐飲等各個領(lǐng)域?，F(xiàn)有的污水處理技術(shù)大部分是利用生物降解法，這種方法處理的污水出水水質(zhì)有一定的局限性，且成本高能耗大。

太陽能，其本身是一種輻射能，不帶任何化學(xué)物質(zhì)，因而是一種取之不盡、用之不竭而又最可靠環(huán)保的能源寶庫，也是我國最豐富的可再生能源。利用太陽能通過水蒸發(fā)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)海水淡化和污水處理將可以有效解決能源消耗問題，這也是現(xiàn)代科技對太陽能收集利用的一種有效方式。但目前針對這一方向的研究多集中于優(yōu)化器件系統(tǒng)、增加設(shè)備以增加蒸發(fā)效率，這些都附帶著更高的能量損失和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。因此，簡單、高效的太陽能水蒸發(fā)方法的摸索具有重大的研究價值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，本發(fā)明提供了一種光熱轉(zhuǎn)換硫化銅復(fù)合薄膜在水處理中的應(yīng)用，所要解決的技術(shù)問題在于改善普通聚乙烯薄膜的光熱性能以擴(kuò)展其在水處理中的應(yīng)用，提高了太陽能蒸發(fā)水的效率。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明公開了一種光熱轉(zhuǎn)換硫化銅復(fù)合薄膜在水處理中的應(yīng)用，其特點(diǎn)在于：用于海水淡化或污水處理，具體是將所述光熱轉(zhuǎn)換硫化銅復(fù)合薄膜漂浮在待淡化的海水或待處理的污水上，然后通過光源照射，所述光熱轉(zhuǎn)換硫化銅復(fù)合薄膜將光能轉(zhuǎn)換為熱能，促使海水或污水蒸發(fā)，收集蒸發(fā)出的水，即實(shí)現(xiàn)處理。

所述光熱轉(zhuǎn)換硫化銅復(fù)合薄膜是在黑色海綿狀多孔聚乙烯薄膜表面生長有可進(jìn)行太陽能光熱轉(zhuǎn)換的缺陷型硫化銅納米顆粒cu2-xs，0≦x≦1。

所述光源可以為太陽光、模擬太陽光或鹵素?zé)簟?/p>

上述的光熱轉(zhuǎn)換硫化銅復(fù)合薄膜按如下方法制備：

a、多孔聚乙烯薄膜前處理

首先通過磁控濺射在多孔聚乙烯薄膜表面噴鍍一層銅單質(zhì)，噴鍍的銅單質(zhì)的質(zhì)量占所述多孔聚乙烯薄膜質(zhì)量的1～5％，獲得pe-cu薄膜；

然后將pe-cu薄膜放入在溫度在室溫～50℃的水中清洗，取出后再依次經(jīng)無水乙醇和超純水清洗、30℃～45℃下干燥10～12小時備用；

b、pe-cu薄膜上銅單質(zhì)的轉(zhuǎn)化

稱取0.0369g～0.1107g硫源和0.4781g～1.4343g聚乙烯吡咯烷酮，加入到35ml～150ml乙二醇中超聲至溶解，然后轉(zhuǎn)移到水熱反應(yīng)釜中；所述硫源為硫脲、硫代硫酸鈉或硫代乙酰胺。

取0.0306g～0.0612gpe-cu薄膜放入所述水熱反應(yīng)釜中，使其完全展開并沒入溶液下；然后將水熱反應(yīng)釜轉(zhuǎn)移到150～180℃烘箱中，反應(yīng)10-12小時，使銅單質(zhì)轉(zhuǎn)化為cu2-xs；

反應(yīng)完成后自然冷卻，然后取出薄膜并依次用無水乙醇、超純水清洗，最后再經(jīng)30℃～45℃下干燥10～12，即獲得光熱轉(zhuǎn)換硫化銅復(fù)合薄膜。

本發(fā)明的復(fù)合薄膜由獨(dú)立的親水性薄膜與光熱轉(zhuǎn)換材料結(jié)合制成器件，表面多孔、高度親水、能浮于水體表面，協(xié)同薄膜表面硫化銅納米顆粒的太陽能光熱轉(zhuǎn)換性能，使其能應(yīng)用于自然界水的蒸發(fā)過程，并大大提高了太陽能蒸發(fā)水的效率，可廣泛應(yīng)用于污水處理、海水淡化、水體循環(huán)等，有利于實(shí)現(xiàn)能源的有效利用和對環(huán)境的保護(hù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將該薄膜模擬應(yīng)用于自然界中水的蒸發(fā)過程中，實(shí)現(xiàn)了太陽光照射下在水-空氣界面對純水及人造海水較高的光熱蒸發(fā)效率(太陽能直接照射水體表面時的水蒸氣蒸發(fā)效率為23％，而覆蓋有光熱轉(zhuǎn)換硫化銅復(fù)合薄膜的水體，其水蒸氣蒸發(fā)效率能提高到52％)，有效解決了自然條件下水的蒸發(fā)效率低的問題。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

1、halas等人在《acsnano》中報道，用金納米粒子分散在水溶液中，利用金納米粒子的表面等離子體共振生熱使水體內(nèi)部產(chǎn)生蒸汽水泡，并且水泡需要從內(nèi)部逸出到水-空氣的表面再釋放蒸汽，大大限制了水蒸發(fā)的效率。與傳統(tǒng)用納米粒子溶液加熱水體相比，本發(fā)明的光熱轉(zhuǎn)換硫化銅復(fù)合薄膜可以浮在水體表面，減少因傳熱等產(chǎn)生的熱損失，提高光熱蒸發(fā)的效率。

2、與太陽能直接蒸發(fā)水相比，將本發(fā)明光熱轉(zhuǎn)換硫化銅復(fù)合薄膜覆蓋于水表面，利用薄膜上的硫化銅納米顆粒對太陽能的紅外熱效應(yīng)，使水體溫度升高，并通過薄膜上的孔隙使蒸汽逸出，大大提高了太陽能蒸發(fā)水的效率，使其在海水凈化、污水處理及水體循環(huán)等方面有潛在的應(yīng)用價值。

3、在各類用于水蒸氣蒸發(fā)的器件中，本發(fā)明的復(fù)合薄膜原料廉價易得，硫化銅在實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換的同時，價格低廉、可循環(huán)使用。而yanmingliu等人在《advancedmaterials》中的報道，使用金納米薄膜來進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換，原料昂貴，而且需要用無塵布浮在水體表面，作為金納米薄膜的支撐，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本發(fā)明的薄膜本身可自支撐浮于水體表面，而且表面多孔，便于水蒸氣的逸出。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1所得pe-cu2-xs薄膜的光學(xué)照片(a)以及掃描電鏡照片(b)，可以看出pe-cu2-xs薄膜能夠保持良好的完整性，并且表面多孔。

圖2為實(shí)施例1所得pe-cu薄膜的sem掃描電鏡照片(a)和eds能譜分析結(jié)果(b)、以及所得pe-cu2-xs薄膜的sem掃描電鏡照片(c)和eds能譜分析結(jié)果(d)，圖2(a)、(c)sem掃描電鏡照片的右上角插入的分別是pe-cu薄膜和pe-cu2-xs薄膜的光學(xué)照片，對比可知，pe-cu2-xs薄膜表面有硫化銅納米顆粒生成。

圖3是實(shí)施例1所得pe-cu2-xs薄膜與pe-cu薄膜的x-射線衍射譜圖(xrd)。

圖4是實(shí)施例1所得pe-cu2-xs薄膜與pe-cu薄膜、黑色海綿狀多孔pe薄膜和普通透明pe薄膜的可見-紫外-近紅外吸收譜圖，由圖可得，pe-cu2-xs薄膜在可見-紫外-近紅外波長有良好的吸收。

圖5是實(shí)施例1所得pe-cu2-xs薄膜的表面接觸角(b)與pe-cu薄膜的表面接觸角(a)的對比，可知pe-cu2-xs薄膜的接觸角變小，親水性增強(qiáng)。

圖6是實(shí)施例1所得pe-cu2-xs薄膜、pe-cu薄膜和普通透明pe薄膜在光照下的時間-溫度譜圖。

圖7是實(shí)施例2中純水直接在鹵素?zé)粝抡丈湟约氨砻娓采w有pe-cu2-xs薄膜的純水在鹵素?zé)粽丈湎?，其質(zhì)量隨照射時間的變化量。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合具體實(shí)施例來對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1

本實(shí)施例按如下方法制備光熱轉(zhuǎn)換硫化銅復(fù)合薄膜并驗(yàn)證其光熱轉(zhuǎn)換效率：

a、多孔聚乙烯薄膜前處理

首先通過磁控濺射在厚度約為153微米的黑色海綿狀多孔聚乙烯薄膜表面噴鍍一層銅單質(zhì)，獲得pe-cu薄膜；噴鍍的銅單質(zhì)的質(zhì)量占多孔聚乙烯薄膜質(zhì)量的1.46％。

然后將pe-cu薄膜放入在50℃的熱水中清洗，取出后再依次經(jīng)無水乙醇和超純水清洗數(shù)次，30℃下干燥12小時備用。

b、pe-cu薄膜上銅單質(zhì)的轉(zhuǎn)化

稱取0.0369g硫脲(tu)和0.4781g聚乙烯吡咯烷酮(pvp)，加入到35ml乙二醇中超聲溶解20min，然后轉(zhuǎn)移到50ml水熱反應(yīng)釜中；

取0.0306gpe-cu薄膜放入水熱反應(yīng)釜中，使其完全展開并沒入溶液下；然后將水熱反應(yīng)釜轉(zhuǎn)移到180℃烘箱中，反應(yīng)12小時，使銅單質(zhì)轉(zhuǎn)化為cu2-xs；

反應(yīng)完成后自然冷卻，然后取出薄膜并依次用無水乙醇、超純水清洗數(shù)次，最后再30℃下干燥12小時，即獲得光熱轉(zhuǎn)換硫化銅復(fù)合薄膜(記為pe-cu2-xs薄膜)。

圖1為本實(shí)施例所得pe-cu2-xs薄膜的光學(xué)照片(a)以及掃描電鏡照片(b)，可以看出pe-cu2-xs薄膜能夠保持良好的完整性，并且表面多孔，適用于薄膜器件的制造。

圖2為本實(shí)施例所得pe-cu薄膜的sem掃描電鏡照片(a)和eds能譜分析結(jié)果(b)、以及pe-cu2-xs薄膜的sem掃描電鏡照片(c)和eds能譜分析結(jié)果(d)，對比可知，pe-cu2-xs薄膜表面有硫化銅納米顆粒生成，并且eds能譜證明聚乙烯-硫化銅薄膜表面引入了硫元素。

圖3為本實(shí)施例所得pe-cu2-xs薄膜與pe-cu薄膜的x-射線衍射譜圖(xrd)，由譜圖可以看出，與pe-cu薄膜相比，pe-cu2-xs薄膜上新生成了硫化銅納米晶體，其xrd譜圖對應(yīng)于cus標(biāo)準(zhǔn)卡片：jcpdscardno.06-0464。

圖4為本實(shí)施例所得pe-cu2-xs薄膜與pe-cu薄膜、黑色海綿狀多孔pe薄膜和普通透明聚乙烯塑料薄膜(對應(yīng)圖中的普通pe薄膜)的可見-紫外-近紅外吸收譜圖。從譜圖中可以看出，pe-cu2-xs薄膜在可見-紫外-近紅外波長有良好的吸收，其吸光性能優(yōu)于pe-cu薄膜、黑色海綿狀多孔pe薄膜和和普通透明聚乙烯塑料薄膜，可用于太陽能的光熱轉(zhuǎn)換。

圖5是本實(shí)施例制備的pe-cu2-xs薄膜的表面接觸角(b)與pe-cu薄膜的表面接觸角(a)的對比。由圖可以看到，原始pe-cu薄膜是憎水性的，其表面接觸角為117.97°，而本實(shí)施例制備的pe-cu2-xs的接觸角為26.81°，親水性增強(qiáng)。

圖6是本實(shí)施例所得pe-cu2-xs薄膜、pe-cu薄膜和普通透明聚乙烯塑料薄膜(對應(yīng)圖中的普通pe薄膜)的時間-溫度譜圖。是將薄膜在鹵素?zé)粝抡丈洌眉t外熱像儀記錄薄膜表面溫度。由圖可以看到，本實(shí)施例所得pe-cu2-xs薄膜在此照射條件下，能達(dá)到52.2℃，pe-cu薄膜表面溫度能達(dá)到42.3℃，而普通透明pe薄膜表面溫度僅能達(dá)到33.1℃，證明本實(shí)施例所得pe-cu2-xs薄膜有良好的光熱轉(zhuǎn)換性能。

實(shí)施例2

本實(shí)施例采用實(shí)施例1所制得的pe-cu2-xs薄膜進(jìn)行水處理模擬實(shí)驗(yàn)，具體如下：

a、取一片直徑為4厘米的圓形pe-cu2-xs薄膜，用無水乙醇，超純水清洗數(shù)次，30℃下干燥12小時備用。

b、在直徑為4厘米的圓柱形燒杯內(nèi)裝滿超純水，置于電子天平上。將此裝置放置于能量為275w的鹵素?zé)粽丈湎?，超純水表面距離鹵素?zé)?7厘米，并使光源垂直照射于水體表面。照射時間為14分鐘，同時記錄裝置在照射過程中由于超純水蒸發(fā)而產(chǎn)生的質(zhì)量變化。

c、在直徑為4厘米的圓柱形燒杯內(nèi)裝滿超純水，置于電子天平上，將步驟a的pe-cu2-xs薄膜覆蓋于水表面。將此裝置放置于能量為275w的鹵素?zé)粽丈湎?，超純水表面距離鹵素?zé)?7厘米，并使光源垂直照射于pe-cu2-xs薄膜和水體表面。照射時間為14分鐘，同時記錄裝置在照射過程中由于超純水蒸發(fā)而產(chǎn)生的質(zhì)量變化。

由圖7可以看到，純水直接在鹵素?zé)粝抡丈鋾r，約在照射開始后的630秒才開始產(chǎn)生水蒸氣，并且純水質(zhì)量減少。照射14分鐘后，純水的質(zhì)量減少了0.29g，蒸發(fā)速率為0.99kgm^-2h^-1。而表面覆蓋有pe-cu2-xs薄膜的純水在鹵素?zé)粽丈湎聲r，約在照射開始后的160秒即開始產(chǎn)生水蒸氣，并且純水質(zhì)量減少。照射14分鐘后，純水的質(zhì)量減少了1.18g，蒸發(fā)速率為4.03kgm^-2h^-1，大于未覆蓋pe-cu2-xs薄膜時的純水在鹵素?zé)粽丈湎碌乃魵庹舭l(fā)速率，說明pe-cu2-xs薄膜在鹵素?zé)艄庠凑丈湎履墚a(chǎn)生光熱效應(yīng)，使水面溫度升高，提高了蒸發(fā)水的速率。

實(shí)施例3

本實(shí)施例將實(shí)施例2中的光源改為功率密度約為1000wm^-2的模擬太陽光，進(jìn)行相同的水處理模擬實(shí)驗(yàn)，照射時間30分鐘。

結(jié)果表明，照射30分鐘后，未覆蓋pe-cu2-xs薄膜的純水質(zhì)量減少了0.23g，蒸發(fā)速率為0.366kgm^-2h^-1。而表面覆蓋有pe-cu2-xs薄膜的純水在模擬太陽光下照射30分鐘后，純水的質(zhì)量減少了0.52g，蒸發(fā)速率為0.828kgm^-2h^-1，說明pe-cu2-xs薄膜在模擬太陽光照射下能產(chǎn)生光熱效應(yīng)，使水面溫度升高，提高了蒸發(fā)水的效率。

由太陽能轉(zhuǎn)換為水蒸發(fā)所需要的熱量的轉(zhuǎn)換效率由公式η＝qe/qs計算得到，其中qs是太陽能功率密度(1000wm^-2)、qe是水蒸發(fā)所需要的熱量。而qe由公式qe＝he(dm/dt)＝he×v計算得到，其中he是水的蒸發(fā)熱(≈2260kjkg^-1)、m是水的蒸發(fā)量、t是時間、v是水蒸發(fā)速率。由這些數(shù)據(jù)計算得到，模擬太陽光直接照射水體表面時，其水蒸氣蒸發(fā)效率為23％，而覆蓋有pe-cu2-xs薄膜的水體，其水蒸氣蒸發(fā)效率為52％，提高到了2.3倍。

實(shí)施例4

本實(shí)施例將實(shí)施例2中的光源改為功率密度約為1000wm^-2的模擬太陽光，將所用水體改為人造海水，進(jìn)行相同的水處理模擬實(shí)驗(yàn)，照射時間30分鐘。

結(jié)果表明，照射30分鐘后，未覆蓋pe-cu2-xs薄膜的人造海水的質(zhì)量減少了0.26g，蒸發(fā)速率為0.414kgm^-2h^-1。而表面覆蓋有pe-cu2-xs薄膜的人造海水在模擬太陽光下照射30分鐘后，質(zhì)量減少了0.6g，蒸發(fā)速率為0.955kgm^-2h^-1。說明pe-cu2-xs薄膜在模擬太陽光照射下能產(chǎn)生光熱效應(yīng)，使人造海水表面溫度升高，提高了人造海水的水蒸發(fā)效率。

由上可知，本發(fā)明的光熱轉(zhuǎn)換硫化銅復(fù)合薄膜可用于污水處理、海水凈化等領(lǐng)域，具有很大的潛能。

以上僅為本發(fā)明的示例性實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。