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    電子論文

    單向導濕納米纖維光熱膜的制備及廢水處理

    時間:2021年09月24日 所屬分類:電子論文 點擊次數:

    摘要:以親、疏水材料為基質,活性特深黑M染料為吸光劑,采用靜電紡絲技術制備具有梯度結構的納米纖維膜,探究復合膜結構和性能之間的關系,以獲得膜的最佳制備工藝并用于廢水處理。結果表明:復合膜的梯度結構和親疏水特性賦予其單向導濕性能;當染料添加量

      摘要:以親、疏水材料為基質,活性特深黑M染料為吸光劑,采用靜電紡絲技術制備具有梯度結構的納米纖維膜,探究復合膜結構和性能之間的關系,以獲得膜的最佳制備工藝并用于廢水處理。結果表明:復合膜的梯度結構和親疏水特性賦予其單向導濕性能;當染料添加量為4%時,復合膜具有最佳的光吸收效果,在1kW/m2光照強度下,膜表面溫度可快速升至34.6℃,水蒸發速率達1.42kg/(m2·h),光熱膜對Ni2+、Mn2+、Fe3+、Cu2+等重金屬離子廢液的蒸發速率在1.38~1.61kg/(m2·h),而對印染廢水的蒸發速率則高達1.78kg/(m2·h),且光熱膜經10次循環使用后依然保持良好的穩定性,可用于重金屬離子和印染廢液的濃縮凈化。

      關鍵詞:廢水處理;光熱轉化;單向導濕;靜電紡絲;納米纖維

    纖維材料

      納米纖維面光熱轉化原理的凈化污水技術因成本低、維護方便,且環境友好而被重點關注[4]。界面太陽能光熱蒸發體系的光熱效率是影響污水凈化的關鍵因素。近幾年,人們主要從兩個方面提高界面太陽能蒸發效率:一是采用具有較高光學寬帶吸收和太陽熱能轉換的先進光熱材料;另一個是構建與設計合適的熱量管理系統來降低熱量散失[5]。由于水的蒸發是一個表面主導的液體-蒸汽轉化過程,只有極薄的表面水層可以轉化為蒸汽,而加熱大量的水會造成能量的浪費[6],因此,合理的結構設計對于提高太陽能界面光熱轉化效率具有重要意義。

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      靜電紡納米纖維膜具有孔隙率高、比表面積大等 優點,且纖維間相互搭接形成的多級結構能起到毛細吸水能力,這也使得單向導濕納米纖維膜材料在較多的領域顯示出巨大的應用前景[7-8]。將單向導濕技術的自吸水能力與太陽能界面蒸發技術相結合,可為構建具有高界面蒸發效率體系提供可能;诖,本試驗以聚丙烯腈、聚氨酯為基材,以活性特深黑M染料為吸光劑,利用靜電紡絲技術制備具有梯度結構的復合纖維膜,并結合氣凝膠隔熱材料構建太陽能界面蒸發體系,探究光熱復合膜的構效關系,并將其用于重金屬離子和染料廢液的凈化處理,為印染及工業廢水的綜合治理提供參考。

      1試驗部分

      1.1材料、試劑與儀器材料棉紗布、二氧化硅氣凝膠(廊坊昌泰保溫材料有限公司)試劑1180A10型聚氨酯(PU,巴斯夫中國有限公司),聚丙烯腈(PAN,蘇州暉煌氟塑化有限公司),N,N二甲基甲酰胺(DMF)、四氫呋喃(THF)、無水乙醇(天津市富宇精細化工有限公司),特深黑M染料(上海安諾其集團股份有限公司)儀器Handy型靜電紡絲機(北京永康樂業科技發展有限公司),OCA35型光學接觸角測試儀(德國Data⁃physics公司),掃描電子顯微鏡(美國Phenom電子公司),Colori7臺式分光光度計[愛色麗(上海)色彩科技有限公司],150W太陽模擬器(北京卓立漢光儀器有限公司),E86-EST型紅外熱成像儀(美國FLIR公司)。

      1.2納米纖維膜的制備稱取一定質量的PU顆粒,溶于DMF和THF(質量比1∶1)中,室溫攪拌得到質量分數為14%的PU紡絲液;將一定質量的PAN粉和PU顆粒(質量比4∶1)溶于DMF中,室溫攪拌得到質量分數為12%的PU/PAN混合紡絲液;將PAN溶于DMF中得到質量分數為12%的溶液,再加入不同質量的特深黑M染料,攪拌得到PAN/染料紡絲液。將上述紡絲液分別加入注射器中,利用靜電紡絲裝置制備得到PU疏水層、PU/PAN導流層以及PAN親水吸光層。紡絲電壓為20kV,供液速度為0.06mL/min,接收距離為18cm,滾筒轉速為150r/min,紡絲時間依次為1.5、4和4h。

      1.3太陽能界面蒸發體系的構建利用上述紡絲工藝制備得到自下而上的PU疏水層、PU/PAN導流層和PAN親水吸光層的復合膜。采用棉紗布將直徑為5cm的二氧化硅氣凝膠包裹完全形成隔熱層,然后將直徑為3.6cm的圓形光熱復合膜置于其表面,得到一個完整的自浮式太陽能界面蒸發體系。

      1.4性能測試及表征

      1.4.1光吸收性能采用臺式分光光度計在波長范圍360~780nm測量含有不同質量分數染料親水光熱膜的光吸收效果。

      1.4.2形貌表征采用掃描電子顯微鏡觀察納米纖維膜形貌。從不同圖像中隨機選取100個纖維位置,通過NanoMeasur⁃er軟件統計纖維的平均直徑和直徑分布。

      1.4.3接觸角采用接觸角測試儀測定單層膜和復合膜的接觸角,水滴大小為2μL。將膜平鋪在觀察臺表面,測量水滴在不同纖維膜上的動態接觸角。

      1.4.4墨滴擴散用移液槍吸取20μL藍色墨水,分別滴在單纖維膜表面和復合膜表面,拍攝液滴在200s內的擴散過程并記錄擴散直徑。

      1.4.5光熱水蒸發試驗在模擬太陽光照1kW/m2條件下,實時記錄水蒸發過程中的質量變化,以表征構建的太陽能界面蒸發體系中水的蒸發速率,同時通過紅外熱像儀實時記錄溫度。1.4.6太陽能界面蒸發體系在廢水處理中的應用將最佳太陽能界面蒸發體系分別用于100g/L的Ni2+、Mn2+、Fe3+、Cu2+、Co2+重金屬離子廢液以及20mg/L活性特深黑M染料廢液的濃縮提純,并測定重復使用10次后復合光熱膜的穩定性。

      2結果與討論

      2.1光吸收性能分析

      纖維膜的最大吸收波長在590nm處;當染料質量分數由1%增至4%時,纖維膜對光的吸收效果逐漸增大,繼續提高染料質量分數至5%時,纖維膜的吸光效果反而有所下降。這可能是因為染料質量分數為4%時,其在纖維內部已達到分散飽和狀態,繼續提升染料用量導致染料聚集,反而降低纖維膜的吸光效果。因此,選擇染料質量分數為4%的吸光膜作為光熱層進行后續研究。

      2.2形貌分析

      所制備纖維膜的表面均光滑勻整,纖維間相互交叉疊加,無粘結和串珠,形成了清晰的三維孔隙結構。復合膜底層、中間層以及吸光層的纖維直徑由大到小依次為573.5、276.5和174.8nm,其中底層膜PU纖維直徑較粗,中間層PAN/PU纖維略細,而吸光層PAN纖維直徑最細,形成了纖維尺寸自下至上依次遞減的梯度結構。光熱復合膜在同等情況下循環使用10次后,其對印染廢液的蒸發速率依然達到1.8kg/(m2·h),可見其具有較高的穩定性和可重復使用性。

      3結論

      利用靜電紡絲技術構建出具有梯度結構的納米纖維復合光熱膜,能夠實現液體自下而上自發單向傳輸,同時又能有效阻止液體倒流,具有良好的單向導濕功能。當活性特深黑M染料添加量為4%時,復合光熱膜具有最佳的光吸收效果,在1kW/m2光照強度下,膜表面溫度可快速升至34.6℃,光熱膜對水和重金屬離子的蒸發速率均在1.38~1.61kg/(m2·h)范圍內,而對印染廢水的蒸發速率則高達1.78kg/(m2·h),且光熱復合膜經10次循環使用后依然具有較高的穩定性,這將為印染及工業廢水處理提供新的技術支持。

      參考文獻:

      [1]王春梅,尹宇,郭正祥,等.活性炭在染料廢水處理中的應用[J].印染,2019,45(2):42-45.

      [2]范追追,朱青,王文,等.高吸附性PVA-co-PE納米纖維水凝膠的制備及廢水處理[J].印染,2018,44(2):5-10.

      [3]歐康康,吳俊妍,侯怡君,等.改性廢舊棉對陰離子染料廢液的循環吸附性能[J].印染,2021,47(5):10-14.

      [4]LIT,FANGQ,XiX,etal.Ultra-robustcarbonfibersformulti-mediapurificationviasolar-evaporation[J].JournalofMaterialsChemistryA,2019,7(2):586-593.

      [5]趙啟紅.用于光熱蒸發海水除鹽的PS/Au/PDA泡沫的制備和性能研究[J].塑料科技,2020,48(11):58-61.

      作者:歐康康1,2,侯怡君1,吳俊妍1,周美玲1,李靜博1,王華平2

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