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)濟的發(fā)展、人口的增長，特別是我國經(jīng)濟高速發(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現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵。污水處理已被廣泛應用于建筑、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)備維護費用。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)換硫化銅復合薄膜在水處理中的應用，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展其在水處理中的應用，提高了太陽能蒸發(fā)水的效率。

本發(fā)明為實現(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)換硫化銅復合薄膜在水處理中的應用，其特點在于：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，即實現(xiàn)處理。

所述光熱轉(zhuǎn)換硫化銅復合薄膜是在黑色海綿狀多孔聚乙烯薄膜表面生長有可進行太陽能光熱轉(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、模擬太陽光或鹵素燈。

上述的光熱轉(zhuǎn)換硫化銅復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釜中，使其完全展開并沒入溶液下；然后將水熱反應釜轉(zhuǎn)移到150～180℃烘箱中，反應10-12小時，使銅單質(zhì)轉(zhuǎn)化為cu2-xs；

反應完成后自然冷卻，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)換硫化銅復合薄膜。

本發(fā)明的復合薄膜由獨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，可廣泛應用于污水處理、海水淡化、水體循環(huán)等，有利于實現(xiàn)能源的有效利用和對環(huán)境的保護。經(jīng)實驗驗證，將該薄膜模擬應用于自然界中水的蒸發(fā)過程中，實現(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，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)明的復合薄膜原料廉價易得，硫化銅在實現(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為實施例1所得pe-cu2-xs薄膜的光學照片(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。

圖6是實施例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是實施例2中純水直接在鹵素燈下照射以及表面覆蓋有pe-cu2-xs薄膜的純水在鹵素燈照射下，其質(zhì)量隨照射時間的變化量。

具體實施方式

以下結(jié)合具體實施例來對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步說明。

實施例1

本實施例按如下方法制備光熱轉(zhuǎn)換硫化銅復合薄膜并驗證其光熱轉(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水熱反應釜中；

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

反應完成后自然冷卻，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)換硫化銅復合薄膜(記為pe-cu2-xs薄膜)。

圖1為本實施例所得pe-cu2-xs薄膜的光學照片(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譜圖對應于cus標準卡片：jcpdscardno.06-0464。

圖4為本實施例所得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°，而本實施例制備的pe-cu2-xs的接觸角為26.81°，親水性增強。

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

實施例2

本實施例采用實施例1所制得的pe-cu2-xs薄膜進行水處理模擬實驗，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的鹵素燈照射下，超純水表面距離鹵素燈17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的鹵素燈照射下，超純水表面距離鹵素燈17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，純水直接在鹵素燈下照射時，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薄膜的純水在鹵素燈照射下時，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燈照射下的水蒸氣蒸發(fā)速率，說明pe-cu2-xs薄膜在鹵素燈光源照射下能產(chǎn)生光熱效應，使水面溫度升高，提高了蒸發(fā)水的速率。

實施例3

本實施例將實施例2中的光源改為功率密度約為1000wm^-2的模擬太陽光，進行相同的水處理模擬實驗，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，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。

實施例4

本實施例將實施例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，進行相同的水處理模擬實驗，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，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、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。