面向有机溶剂纯化的炭黑基界面蒸发光热转化膜研究

作     者：毛停停 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韩凯

授予年度：2023年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 081701[工学-化学工程] 

主      题：有机溶剂纯化 界面蒸发 墨水-宣纸 废墨粉 光芬顿催化 

摘      要：近些年太阳能界面蒸发技术作为一种新型的绿色节能技术在海水脱盐及污水净化领域被广泛研究。由太阳能界面蒸发回收水体系推广至利用太阳能界面蒸发技术纯化有机溶剂体系是一种新的探索。然而,考虑溶剂的运输、长期稳定性、溶剂与材料的匹配性等问题,缺乏在苛刻的有机溶剂体系高效稳定的光热转换材料。针对上述问题,本论文以低成本的炭黑基材料为基础开展了系列研究。具体工作内容如下:受中国传统文化启发,采用简易的加压浸渍法制备低成本黑墨水宣纸光热膜(XPBI,Xuan paper black ink),用于太阳能驱动界面有机溶剂净化。炭黑颗粒在宣纸上附着力强且分布均匀,得益于宣纸在各种有机溶剂中固有的稳定性、超疏水表面和丰富的网络通道,XPBI的光热转换效率高、长期稳定性好。结果表明,在乙醇润湿条件下,XPBI在宽光谱范围内的光吸收率高达93.96%。在1 sun(1k W·m)光照下XPBI对甲醇、乙醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和N-甲基吡咯烷酮(NMP)的蒸发速率分别为6.01、6.10、6.48、3.63和1.44 kg·m·h,较自然蒸发相比,分别提高3.21、3.31、4.70、49.0和127.43倍。且在DMF中浸泡1个月后仍能保持较好的蒸发速率。户外实验中自然光照射8 h后,XPBI对于异丙醇和DMF的蒸发量可达到37.58 kg·m和9.63 kg·m。在模拟废有机溶剂处理方面,有机染料分子去除率为99.17%,抗生素去除率分别在95.65%以上,展现出优异的应用潜力。此外,模拟和优化棉棒排列结构,其中并列式、三角式结构在1 sun光照下可实现对模拟废有机溶剂长时间高效稳定蒸发处理,8 h的异丙醇蒸发速率始终保持在6.66 kg·m·h以上。使用不同加工工艺宣纸和不同品牌墨水制备的XPBI膜的吸光能力及有机溶剂蒸发性能并无差距,证实了将墨水宣纸制备成光热转化膜用于界面蒸发有机溶剂具有普适性。以打印机废墨粉为碳源,通过高温烧结、酸刻蚀等方法处理打印机废墨粉为吸光材料,玻璃纤维膜为基底构筑光热转化膜。经高温烧结刻蚀后样品T-600°C/4 M的平均吸光率为96.84%。在1 sun光照下,T-600°C/4 M样品界面蒸发条件下对甲醇、乙醇、异丙醇、水、DMF和NMP的蒸发速率分别为6.07、5.95、6.71、2.15、3.74和1.49kg·m·h,较不使用光热材料的溶剂蒸发速率提高了3.25、3.23、4.86、6.71、50.54和131.86倍。在DMF中浸泡2个月后蒸发速率依然保持稳定,展现出优异的光热性能。考察界面蒸发系统废有机溶剂的净化潜力,有机染料分子和抗生素的去除率高达99.84%和83.2%以上。此外,充分利用废墨粉中含有的FeO,将其作为光催化剂用于光芬顿催化反应。探索得出高温烧结样品T-600°C光热转化膜光催化最优反应条件(p H=2、c(HO)=0.08 mo1·L),对Rh B 30 min的降解率可达62.39%,180 min降解率为99.99%,且5次循环光芬顿催化性能保持稳定。实现光热/光催化协调作用的设计,为相应的有机污染物废水的净化提供了一种有前景的解决方案。图64幅,表9个,参考文献105篇。