[发明专利]一种基于碳纳米管薄膜的太阳能海水淡化或污水处理方法

说明书

本发明公开了一种基于碳纳米管薄膜的太阳能海水淡化或污水处理方法。本发明以化学气相沉积法直接制备的碳纳米管垂直阵列为原料，经处理得到具有强吸光性和表面亲水性的碳纳米管垂直阵列薄膜；将这种亲水性碳纳米管薄膜置于待处理水表面；由于该碳纳米管薄膜可高效吸光并进行光热转化，从而加热水体引起水的快速蒸发，将该蒸汽冷凝即得到纯化的水。该技术具备绿色环保、过程简便、光热转化效率高、净水速度快、耐久性好等特点，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及太阳能海水淡化或污水处理技术领域，具体涉及一种基于碳纳米管薄膜的太阳能海水淡化或污水处理技术。

背景技术

近年来，随着人类对水资源的需求不断增加，很多国家和地区出现不同程度的缺水问题，目前看来最有前景的解决办法是开发利用某些不可用水。太阳能海水淡化或污水处理就是其中最重要的方法之一。作为太阳能海水淡化或污水处理方法的重要分支，蒸馏法具有对原料海水水质要求低、装置的生产能力大、产水纯度高等特点。而传统的水蒸馏法多采用多效蒸发和多级闪蒸技术，需要庞大的装置且海水蒸发效率低，无法满足日益增长的水资源需求。

还有一类太阳能海水淡化或污水处理的方法是光热转换方法，主要包括两类：1.利用太阳光对整个水体进行加热，水沸腾后产生水蒸气，通过冷凝水蒸气得到淡水。此方法需要较长时间的光照来加热水体才能得到水蒸气，且由于水体散热会有热损失，因此效率不高。2.使用薄膜材料吸收太阳能并将产生的热传给海水表层，因此减少向内部水的传热损失，从而将表层海水蒸发。进一步的，可以通过设计薄膜材料的结构以提高对太阳能的吸收率和光热转化效率。已报道的薄膜材料主要是金属纳米颗粒为主的复合薄膜材料，但此类材料制作流程复杂、成本高。近年来，碳纳米颗粒构成的复合材料因其优异的吸光性和较高的水蒸气产生效率而得到关注。与金属相比，碳材料更环保且成本更低。碳材料中含有sp²杂化的碳原子，其含有的π-带结构有着优异的光学吸收特性，所以是一种理想的光吸收材料。

碳纳米管垂直阵列是碳纳米管薄膜的一种，是世界上最黑的人造材料，其拥有从紫外到红外的超宽光谱范围内(200nm-200μm)几乎恒定(0.98-0.99)的光吸收率。碳纳米管垂直阵列也因此表现得最类似于黑体而在太阳能利用方面具有巨大潜力。利用碳纳米管垂直阵列作为光热转换层可以极大的提高对太阳光的吸收效率。实验表明，碳纳米管垂直阵列可以将吸收的光能大部分转化为热。此外，碳纳米管的另外一个特性——管壁的零摩擦表面，也有助于水在蒸发过程中的快速流动，这可以进一步加快水的蒸发，从而提高太阳能海水淡化或污水处理效率。本发明所制备的碳纳米管薄膜的净水效率最高可达90％。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明的目的是提出一种基于碳纳米管薄膜材料的太阳能海水淡化或污水处理方法。

本发明以化学气相沉积法直接制备的碳纳米管薄膜(例如碳纳米管垂直阵列)为原料，经处理得到具有强吸光性和表面亲水性的碳纳米管垂直阵列薄膜；将这种亲水性碳纳米管薄膜置于待处理水表面；由于该碳纳米管薄膜可高效吸光并进行光热转化，从而加热水体引起水的快速蒸发，将该蒸汽冷凝即得到纯化的水。该技术具备绿色环保、过程简便、光热转化效率高、净水速度快、耐久性好等特点，具有广阔的应用前景。

本发明第一方面提供一种基于碳纳米管薄膜的太阳能海水淡化或污水处理方法，包括将亲水性碳纳米管薄膜置于水体表面用于吸收太阳光，将光能转化为热能从而引起水分蒸发，将蒸汽冷凝即得到纯净水。

进一步地，上述方法既可在太阳光光照条件下进行，也可在人工光源等光照条件下进行。

进一步地，所述亲水性碳纳米管薄膜的碳管末端带有较多的含氧官能团。

本发明第二方面提供一种海水淡化或污水处理装置，该装置以亲水性碳纳米管薄膜为光热转换层；具体地，所述装置包括透光罩、作为光热转换层的亲水性碳纳米管薄膜、待处理水进入口、淡水输出口；所述亲水性碳纳米管薄膜的碳管末端带有较多的含氧官能团。