[发明专利]具有高海水淡化效率及自清洁功能的多孔陶瓷膜及制备法

说明书

本发明公开了一种具有高海水淡化效率及自清洁功能的多孔陶瓷膜及制备法，它是在物相组成为TiB₂+Ti(C,N)+Ti₃SiC的多孔陶瓷支撑体孔结构内或表面生长有二维纳米光热材料，或者/和在多孔陶瓷支撑体孔结构表面沉积碳纳米材料；这种多级异质多孔陶瓷膜通过原料本身反应和外加的造孔剂形成同时具备三种孔径的三维连通多级多孔结构。本发明多级异质多孔陶瓷因为三维结构能够使入射的光路发生漫反射反应而提高光吸收率，同时利用其表面及内部具有窄带隙能及等离子共振效应的二维光热材料又能进一步提高该材料的光吸收率从而提高光热转换效率。

技术领域

本发明涉及光热海水淡化领域，具体涉及一种具有高效海水淡化效率及自清洁功能的多级异质多孔陶瓷膜的制备和应用。

该发明多级异质多孔陶瓷膜，利用界面光热转化技术，可在全太阳光谱内达到超高的光吸收率并且保持高效的海水淡化效率，同时因该材料的超亲水性、较高的孔隙率及较大的孔径，能够在蒸发过程中保持优异的自清洁功能。该多孔陶瓷材料同样具备良好的热稳定性及化学稳定性，能够在苛刻条件下同样保持高效的蒸发速率并达到净化有机溶液及重金属离子溶液的作用。

背景技术

随着全球工业化进程加快，人口数量剧增及水资源污染，淡水资源短缺问题日益严重。太阳能因其具备取之不尽用之不竭及生态友好型的特点，利用太阳能与丰富的海水资源发展海水淡化技术已经成为解决全球淡水资源危机的重要发展方向。然而，传统的太阳能海水淡化技术因吸光体材料直接与水体接触而导致了较低的蒸发效率(30-50％)。因此，界面太阳能蒸汽转化技术成为了使蒸汽转换效率大幅度提高的重要手段之一。

多孔材料由于其较高的孔隙率及三维连通的孔道为海水蒸发过程中蒸汽的快速逸出提供了有利条件从而为高的海水蒸发速率奠定了基础。中国专利申请号202010031501.1公开了一种以高硅高钙工业固体废弃物为原料流延成型制备脱盐用疏水多孔硅灰石陶瓷膜的方法。它是以高硅高钙固废为原料，将活化后的高硅高钙固废与活化后的氧化钙、二氧化硅，以CaO：SiO₂：固废为13.6％：35％：51.4％(质量分数)，配制硅灰石原料。将硅灰石原料与粘结剂聚醚砜(PESf)，分散剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，有机溶剂氮甲基吡咯烷酮(NMP)混合球磨，真空脱气，流延与相转化后，得到陶瓷膜坯体，然后煅烧，最终经疏水剂修饰得到硅灰石多孔陶瓷膜，具有分布均匀的孔结构，良好的疏水性，脱盐率和脱盐通量，但是该方法工艺流程复杂，生产效率低。专利申请号：201811139989.9公开了自漂浮柔性碳基光热转化薄膜及其制备方法和应用，该方法将碳基材料、膜基材及聚乙烯吡咯烷酮混合得到混合粉末，之后将混合粉末溶于有机溶剂中，得到铸膜液，通过旋涂或者刮涂于面板上得到多孔光热转化薄膜。该发明提出的用于海水淡化的多孔光热膜因含有有机溶剂而导致在长期光照下将不易稳定运行。中国专利申请号：201410044511.3公开了一种用于海水淡化多孔陶瓷的制备技术，它是以粘土、硅石在加氢氧化铝为基本成分，于其中添加气泡形成材料，经高温焙烧成为连续多孔陶瓷材料，再将此多孔陶瓷材料与活性炭相配合作为过滤材料，使得海水通过即可除去海水中的盐分，从而得到质优价廉的饮用水。但是将活性炭配合在载体表面，结合力较差，时间长了容易脱落，不具备良好的循环稳定性。中国专利申请号971044821公开了一种用于海水淡化的超滤二氧化硅薄膜的制备方法，它是以多孔陶瓷为载体，以硅酸甲酯或硅酸乙酯为原料制得SiO2溶胶，将载体溶于SiO2溶胶中得到SiO2薄膜。该技术在制备过程中采用了具有毒性的硅酸甲酯或硅酸乙酯，不利于生态友好，无法工业化应用。