一种海水淡化装置及其超疏水表面制备方法

本发明属于超疏水材料，具体涉及到一种通过微纳结构之间的协同作用使冷凝水能够主动且及时排出的海水淡化超疏水表面的制备方法。

背景技术：

1、全球水供应普遍紧张，促使人们需要低成本和可持续的海水淡化工艺。在这方面，通过膜蒸馏脱盐可以利用废物级热量或可再生能源。超疏水表面因其在防污、防金属腐蚀和海洋生物黏附、化工传热传质和生物医学等领域的优异性能而日益受到关注。近年来，将超疏水膜用于海水淡化的研究日益广泛。但多数疏水膜在运输冷凝液滴方面性能稳定性差，驱动冷凝水运输能耗大。如何改善超疏水膜在海水淡化方面的性能变成了主要研究问题。构筑超疏水表面的关键在于微纳结构的设计和低表面能材料的使用。微纳结构为超疏水表面提供了冷凝液滴运输的特定空间（内部气体可以稳定存在，形成气层），而低表面能物质则避免了液体浸润到结构内部。得益于新型材料的研发和结构设计的迭代，超疏水表面的机械稳定性（防止微纳结构的破坏而失去运输液滴的通道）得到了长足发展；但是对于气层的热力学稳定性（气层被水取代），目前的研究尚不充分。蒸汽冷凝作为一个典型的相变过程，广泛的存在于自然现象和工业生产中，尤其当超疏水膜在海水淡化环境中使用时，其高湿度的结构内无法避免冷凝液滴运输的发生。在此过程中，被动运输冷凝液滴能源消耗大。

2、上述表明，超疏水表面在海水淡化环境中使用时，往往会因其微纳结构冷凝液滴不定向流动，导致表面由于浸润而丧失超疏水性能以及消耗更高，在海水淡化环境中需要一种全新的设计来保证超疏水表面的可持久使用性和低能耗性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种通过微纳结构之间的协同作用主动运输冷凝水的海水淡化超疏水表面的制备方法，通过调整微米结构和纳米结构的合理布局，调控纳米与微米结构设计参数，在纳米结构中成核生长的液滴定向主动运输到微结构并迅速排入淡水，有效杜绝未淡化海水和淡水相连通，有效降低冷凝液滴运输能耗，从而提高其海水淡化性能。

2、一种通过微纳结构之间的协同作用主动运输冷凝水的海水淡化超疏水表面的制备方法，通过在有小孔存在的微腔内外复合纳米片或者分形纳米结构，降低微米结构内冷凝液滴的黏附；利用微结构的顶端的小孔和分型纳米结构提供稳定的气体通道，防止未淡化的海水与淡水相连通而失效；并利用与微腔结构的协同作用将聚集的冷凝水快速排出。

3、为达上述目的，本发明提供了一种通过微纳结构之间的协同作用使冷凝水能够主动且及时排出的水下超疏水表面的制备方法，包括以下步骤：

4、（1）微结构的制备

5、采用光刻或者成型工艺，在不同基底上制备具有小孔且有一定倾斜角度、深度、宽度的连续倒四棱锥结构、条状结构；

6、（2）纳米结构的制备

7、利用具有不同形状的选择高分子或者无机粒子作为纳米涂层的构筑单元，通过喷涂、化学气相沉积(cvd)或蒸镀等方法或者通过化学氧化、离子束刻蚀的方法在不同表面的两侧制备出一定高度、粒径、间隔的片形或者分形纳米结构；

8、（3）微纳复合结构的制备

9、在步骤（1）制备的微结构表面利用步骤（2）的方法制备出具有微纳复合的表面；

10、（4）微纳复合超疏水结构的制备

11、将步骤（3）中制备的微纳复合表面进行清洁，放置于一定温度的全氟辛基三氯硅烷存在的真空环境中一段时间；

12、进一步地，基底包括金属、合金、硅片、或玻璃。

13、进一步地，成型包括以下步骤：第一步，准备成型软材料pdms混合物；第二步，pdms微结构模板的制备；第三步，获得目标带小孔微结构。

14、进一步地，刻蚀的步骤包括：清洁、前烘、旋涂、后烘、曝光、显影、缓冲氧化物刻蚀、湿法刻蚀。清洁是指在等离子清洁器中30 min；缓冲氧化物刻蚀时间为3~4 min；湿法刻蚀的时间随刻蚀尺寸、角度和深度变化。

15、进一步地，微结构的倾斜角度为40~80°；深度为80~300 μm；微结构的宽度为120~500 μm。其中，小孔的直径为5-20 μm。

16、进一步地，纳米结构的粒径为20~120 nm；间距为10~60 nm；深度为100~400 nm。

17、进一步地，化学氧化是指将样品两端分别置于蜡烛的外焰上快速均匀移动约0.5min(具体时间由样品面积决定)，随后将样品放于4 ml氨水和4 ml正硅酸四乙酯存在的真空室温环境中，20~24 h。最后，将样品转移到马弗炉中，以5 ℃/min的速率升温至550 ℃煅烧2 h后自然降至室温拿出。

18、进一步地，微纳复合结构的协调在于纳米结构的厚度在倾斜角度存在的一侧为5~20 μm，在平面的一侧的纳米结构的厚度为30 μm。

19、进一步地，步骤（4）中的清洁的方法具体为：将步骤（3）制备的表面置于等离子体清洁器中清洁10~15min。

20、进一步地，步骤（4）中全氟辛基三氯硅烷的用量为300~400 μl，温度为60 ℃，时间为2 h。

21、采用通过微纳结构之间的协同作用使冷凝水能够主动且及时排出的水下超疏水表面的制备方法得到通过微纳结构之间的协同作用使冷凝水能够主动且及时排出的水下超疏水表面。

22、综上所述，本发明具有以下优点：

23、微米结构的主要作用是提供稳定的气液界面和气层，同时适当尺寸的微米结构有利于合并后的冷凝液滴及时与气液界面接触并快速排出进入淡水区。

24、纳米结构的主要作用是控制冷凝液滴的成核生长过程，且使冷凝液滴长大后只停留在结构顶部而使其保持稳定的 cassie 态和低黏附特性。

25、微结构顶端的小孔的作用是提供海水区气体进去微结构的通道，保证在温差存在的环境下，海水区的液体通过气液相变由具有小孔通道的微纳复合结构变为淡水进入淡水区。

26、通过在微结构腔内和表面复合片形或分形纳米结构，降低微米结构内外冷凝液滴的黏附；利用单凹连续疏水微米结构提供稳定的气液界面及充足的气穴，防止因表面超疏水性的失效而导致海水区液体和淡水区液体混合；并利用与微纳复合结构的协同作用将气液相变生成的冷凝液滴快速排入淡水区，提出了一种通过微纳结构之间的协同作用主动运输冷凝水的海水淡化超疏水表面的制备方法。

27、图1为海水淡化微纳复合超疏水表面侧面结构示意图；

28、图2为海水淡化微纳复合超疏水表面的sem图；

29、图3为微结构和微纳复合超疏水表面结构内冷凝引起的气液界面变化及气层脱离的示意图；

30、图4为具有小孔的微结构硅基倒四方棱锥的金相显微镜图；

31、图5为海水淡化微纳复合结构超疏水表面两侧的接触角的示意图；

32、图6为海水淡化微纳复合结构内海水区的蒸汽变为冷凝液滴成核并排入淡水区的金相显微镜图。

33、实施方式

34、以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

35、实施例

36、一种海水淡化装置，包括基底、分形纳米结构和微米结构，基底一侧具有单凹结构，微米结构位于单凹结构内表面；分形纳米结构位于基底另一侧；分形纳米结构和微米结构之间具有供冷凝水通过的小孔。分形纳米结构一侧为海水区，微米结构一侧为淡水区。海水区与淡水区存在温差。

37、在一个实施例中，海水区温度为35℃，淡水区温度为25℃。冷凝水在蒸发作用下，由海水区通过小孔和微米结构被运输至淡水区，进而实现海水淡化。

38、实施例

39、本实施例提供了一种通过微纳结构之间的协同作用主动运输冷凝水的海水淡化超疏水表面的制备方法，包括以下步骤：

40、（1）微结构的制备

41、采用光刻工艺在不同硅片上制备具有小孔且有一定倾斜角度、深度、宽度的连续倒四棱锥结构、条状结构；

42、其中微结构的倾斜角度为40~80°；深度为80~300 μm；微结构的宽度为120~500 μm。小孔的直径为5-20 μm。

43、（2）微纳复合结构的制备

44、通过离子束刻蚀的方式在步骤（1）中的不同表面上制备出一定高度、粒径、间隔的圆锥形纳米结构；

45、其中，纳米结构的粒径为20~120 nm；间距为10~60 nm；深度为100~400 nm；纳米结构的厚度在倾斜角度存在的一侧为5~20 μm，在平面的一侧的纳米结构的厚度为30 μm。

46、（3）微纳复合超疏水结构的制备

47、将步骤（2）中制备的微纳复合表面进行清洁，放置于一定温度的全氟辛基三氯硅烷存在的真空环境中一段时间；

48、其中，清洁的方法具体为：将制备的表面置于等离子体清洁器中清洁10~15min；全氟辛基三氯硅烷的用量为300~400 μl，温度为60 ℃，时间为2 h。实施例3

49、本实施例提供了一种通过微纳结构之间的协同作用主动运输冷凝水的海水淡化超疏水表面的制备方法，包括以下步骤：

50、微结构的制备

51、将采用光刻工艺在不同硅片上制备具有小孔且有一定倾斜角度、深度、宽度的连续倒四棱锥结构、条状结构；

52、其中微结构的倾斜角度为40~80°；深度为80~300 μm；微结构的宽度为120~500 μm。小孔的直径为5-20 μm。

53、（2）微纳复合结构的制备

54、利用蜡烛灰纳米颗粒，通过化学气相沉积的方法在步骤（1）中不同的表面上制备出一定高度、粒径、间隔的圆锥形或者分形纳米结构；

55、其中，纳米结构的粒径为20~120 nm；间距为10~60 nm；深度为100~400 nm；纳米结构的厚度在倾斜角度存在的一侧为5~20 μm，在平面的一侧的纳米结构的厚度为30 μm。

56、（3）微纳复合超疏水结构的制备

57、将步骤（2）中制备的微纳复合表面进行清洁，放置于一定温度的全氟辛基三氯硅烷存在的真空环境中一段时间；

58、其中，清洁的方法具体为：将制备的表面置于等离子体清洁器中清洁10~15min；全氟辛基三氯硅烷的用量为300~400 μl，温度为60 ℃，时间为2 h。

59、实施例

60、本实施例提供了一种通过微纳结构之间的协同作用主动运输冷凝水的海水淡化超疏水表面的制备方法，包括以下步骤：

61、（1）微结构的制备

62、采用软材料复形，在聚合物su- 8光刻胶基底上制备上制备具有小孔且有一定倾斜角度、深度、宽度的连续倒四棱锥结构、条状结构；

63、其中微结构的倾斜角度为40~80°；深度为80~300 μm；微结构的宽度为120~500 μm。小孔的直径为5-20 μm。

64、（2）微纳复合结构的制备

65、利用不同尺寸的二氧化硅纳米颗粒，通过喷涂的方法在步骤（1）中不同的表面上制备出一定高度、粒径、间隔的分形纳米结构。

66、其中，纳米结构的粒径为20~120 nm；间距为10~60 nm；深度为100~400 nm；纳米结构的厚度在倾斜角度存在的一侧为5~20 μm，在平面的一侧的纳米结构的厚度为30 μm。

67、（3）微纳复合超疏水结构的制备

68、将步骤（2）中制备的微纳复合表面进行清洁，放置于一定温度的全氟辛基三氯硅烷存在的真空环境中一段时间；

69、其中，清洁的方法具体为：将制备的表面置于等离子体清洁器中清洁10~15min；全氟辛基三氯硅烷的用量为300~400 μl，温度为60 ℃，时间为2 h。