一种用于光热界面蒸发的复合疏水膜材料的制备方法和产品及其应用

光热界面蒸发是一种新兴的研究理论，其基于空气-水界面形成的部分压力梯度驱动蒸汽发生。当阳光被光热界面材料吸收后，会转化为热能，水在输水通道毛细力的作用下被运送到蒸发界面，由于光热效应产生的局域高温会驱动水蒸气的产生，并进一步地在室温条件下被冷凝为洁净水。光热界面蒸发系统在海水淡化方面已有广泛其深入的研究，近年来光热材料的迭代优化也已显著提高了系统光热转换效率，开辟了以太阳光为能源的低成本海水淡化工艺。膜浓缩垃圾渗滤液来源于垃圾渗滤液的纳滤-反渗透处理工艺，其高盐特性与海水类似，无机盐的种类与含量丰富，如tds浓度往往在2000mg/l以上，氨氮含量也高达3000mg/l，而镍、铬、铅、砷等重金属盐也会被截留与富集其中。除了各类盐外，膜浓缩垃圾渗滤液中还含有大量的高浓度有机物，形成相较于海水而言，更为复杂的水体组成。虽然该技术目前已被用于除海水的多种污染水体的净化，但其复杂的组成意味着将光热界面蒸发技术应用于膜浓缩垃圾渗滤液的处置将面临更为复杂的问题，除光热材料表面盐结晶的问题以外，复杂的污染物组成也极大限制了该技术的应用。光热膜组件系统因其便捷的制备方法，与其可扩展的加工属性，在光热界面蒸发系统中被广泛使用，这种膜构型的组件往往通过将分散剂与光热修饰组分混合后，再通过抽滤或热喷涂等手段固定在亲水或疏水膜基底表面，这种制备方法不仅提高了膜的稳定性，也增强了其对复杂污染物的抵抗能力，对膜浓缩垃圾渗滤液而言是更为适用的系统。在光热膜组件的制备过程中，聚乙烯吡咯烷酮常被用作光热组分的分散剂，但其生产工艺流程长，涉及多种化学反应和分离纯化步骤，导致生产成本较高；同时，部分化学反应需在高温高压条件下进行，对设备材质和安全生产提出较高要求。而在效果层面，尽管已有技术报道其可通过静电作用与分散介质连接，通过分子间作用力调控分散效果，但是其严格意义上来说并非一种表面活性剂，因其实质上属于非离子型高分子聚合物，可活动的自由离子较少，所以其静电力作用实际非常有限，从而使得光热组分在分散体系中的分散效果不佳，或者在短时间内可以实现较好的介质中分散效果，但是无法形成长时间的稳态效果，分散介质易在长期放置后趋向团聚或者沉淀。因此，其是否能够完全适用于光热膜材料中负载材料的分散仍是一个问题。综上所述，亟需在现有技术的基础之上，开发一种新的技术方案，通过简单、稳定且高效的方法制备稳定的分散体系，以保证光热界面蒸发膜系统的稳定性。

背景技术：

技术实现思路

1、本发明旨在解决上述提及的聚乙烯吡咯烷酮等一类物质用作分散剂的不足，并基于分散剂的改性，研发了一种具备优异光热转换特性、效能及力学结构稳健的复合疏水膜材料，并将其应用在膜浓缩垃圾渗滤液的无害化处置，以缓解因膜结垢所导致的光热性能衰减等问题。具体地，将优化的分散液先分散于聚偏二氟乙烯疏水膜上，然后再浸入到后续特定的混合液中进行反应并固化成膜，即通过原位生长的手段形成复合膜，该膜结构上的光热与疏水材料分散均匀、组分致密，机械性与耐磨性显著增强、稳定性优异，并且具备优良的自清洁、抗腐蚀等特质。通过该方法制备复合功能膜的过程简单，便于利用现有工业设施，可通过直接调整生产工艺实现规模化工程放大生产，具有市场推广的极大潜力。

2、本发明的一个目的在于，提供一种用于光热界面蒸发的复合疏水膜材料的制备方法，其用于光热界面蒸发的复合疏水膜材料的制备方法包括如下步骤：

3、s0、将表面活性剂、n-甲基吡咯烷酮，以及基于吡咯烷酮的改性高聚物共混，形成表面活性剂溶液；

4、s1、将羧基化多壁碳纳米管分散于所述表面活性剂溶液中，形成分散液；

5、s2、将所述分散液负载于聚偏二氟乙烯疏水膜上，并进行机械热压，得到复合膜1；

6、s3、将所述复合膜1浸渍于疏水混合剂中进行反应，烘干后得到所述用于光热界面蒸发的复合疏水膜材料；

7、其中，所述疏水混合剂包括固化剂、聚硅氧烷、烷烃；

8、所述基于吡咯烷酮的改性高聚物为丙烯基吡咯烷酮、丙烯酸酯和4-(1,2,2-三苯基乙烯基)苯基)甲胺所得的无规聚合物。

9、本发明中的分散液中，添加了基于吡咯烷酮的改性高聚物，其共聚单元为丙烯基吡咯烷酮、丙烯酸酯和4-(1,2,2-三苯基乙烯基)苯基)甲胺。其中，吡咯烷酮单元可以与碳纳米管上的羧基形成氢键，从而加强二者之前的相互作用力，使得聚合物附着于碳纳米管之上；而丙烯酸酯中由于含有较长烷基链，可以增加聚合物的成膜性，加大碳纳米管之间的屏蔽性能；而4-(1,2,2-三苯基乙烯基)苯基)甲胺由于具有四个大体积的苯环，从而使得聚合物空间效应非常显著，进一步阻止了碳纳米管之间的团聚作用，同时，其也含有极性基团氨基，也有利于吸附在碳纳米管上。

10、因此，基于吡咯烷酮的改性高聚物与表面活性剂一起，极大地分散了羧基化多壁碳纳米管在分散液中的状态，并且使得该分散行为是热力学稳定的状态。

11、进一步地，所述丙烯基吡咯烷酮、丙烯酸酯和4-(1,2,2-三苯基乙烯基)苯基)甲胺的摩尔比为1:1:0.1-1:1:0.5。

12、进一步地，所述聚偏二氟乙烯疏水膜的孔径为0.1～0.45μm，厚度为92～98μm，泡点为0.07～0.09mpa。

13、进一步地，步骤s3中，所述固化剂为过氧化苯甲酰衍生物，铂金类催化剂，有机锡类催化剂中的一种或多种。

14、进一步地，步骤s3中，所述聚硅氧烷选自聚甲基硅氧烷，环甲基硅氧烷，氨基硅氧烷，聚甲基苯基硅氧烷，聚醚聚硅氧烷共聚物中的一种。

15、进一步地，所述烷烃选自正丁烷、正己烷、正庚烷中的一种或多种。

16、进一步地，所述有机溶剂选自乙醇、n-甲基吡咯烷酮的一种或多种。

17、进一步地，所述阴离子表面活性剂选自aes、las、aos、mes，以及上述可选对象的衍生物的一种或多种。

18、进一步地，步骤s2中，所述分散液中的羧基化多壁碳纳米管，在所述聚偏二氟乙烯疏水膜的负载量为0.5-1mg·cm-2。

19、进一步地，步骤s1中，所述表面活性剂溶液的制备方法为：配备无水乙醇/n-甲基吡咯烷酮混合溶液，体积比为1:0.05～0.5，并将一定质量的基于吡咯烷酮的改性高聚物与表面活性剂溶解其中，其质量比为1:0.1～0.8，质量分数分别为0.01～0.6‰与0.01～0.06‰，在500～1000rpm转速条件下磁力搅拌2～10min；

20、进一步地，步骤s1中，羧基化多壁碳纳米管的分散方法为：在所述混合液搅拌状态下，将一定质量羧基化多壁碳纳米管加入其中，保证其质量浓度为1～3g·l-1，并在500～1000rpm转速条件下磁力搅拌2～10min；后转移到超声振荡器中，在0～25℃下，以32～40khz频率分散0.5～1h，由此获得均匀的分散液。

21、进一步地，步骤s2中，通过真空抽滤的形式将所述分散液负载于聚偏二氟乙烯基底膜上，抽滤压力为0.08～0.12mpa，保证羧基化多壁碳纳米管负载量为0.5～1mg·cm-2。

22、进一步地，步骤s2中，机械热压的条件为：压力为8～12mpa，温度为120～150℃，时间为1～2h。

23、进一步地，步骤s3中，所述复合膜1浸渍于混合液中的疏水改性的方法为：将一定质量的聚硅氧烷加入烷烃中，其质量分数为1～3％，并加入固化剂，保证固化剂为聚硅氧烷质量的8～12％，立即加以搅拌；迅速将所述复合膜浸没于该溶液当中，时间为2～10s。

24、进一步地，步骤s3中，烘干温度为60～80℃，时间为6～15h，由此获得一种用于光热界面蒸发的复合疏水膜材料。

25、本发明的另一个目的在于，提供上述用于光热界面蒸发的复合疏水膜材料的制备方法所制备而成的用于光热界面蒸发的复合疏水膜材料。

26、本发明的另一个目的在于，提供上述用于光热界面蒸发的复合疏水膜材料在膜浓缩垃圾渗滤液中的应用。

27、本发明具有以下有益效果：

28、1、本发明所述的复合材料合成技术简单、高效，极大地减少了过程成本与时间成本，为简便获得光热复合膜材料提供了新思路；

29、2、本发明所述分散液中分散介质为基于吡咯烷酮的改性高聚物，且复合了阴离子表面活性剂，既提供了优良的分散性，也提供了较好的粘结性，以此保证复合膜材料的机械性并提升复合膜材料的稳健性与循环利用性；

30、3、本发明所述的复合膜材料负载了羧基化多壁碳纳米管，其具备有高导热性，有利于提高光热界面蒸发系统的光热转化效率；

31、4、本发明所述的复合膜材料还经聚硅氧烷/烷烃疏水改性，减少了材料界面热损耗与来自于盐分的腐蚀，并加快了水相的更新。