CN107443823A - 一种用于水处理的农林剩余物基光热转化材料、制备方法及其应用 - Google Patents

一种用于水处理的农林剩余物基光热转化材料、制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于水处理的农林剩余物基光热转化材料、制备方法及其应用。本发明采用我国丰富的农林剩余物为原料，经粉碎、热压成型后，再将表面进行碳化或表面吸附石墨烯、碳纳米管或其他金属纳米粒子等材料，形成上层导热系数低、光热转化效能高、下层吸水性好的双层结构光热转化材料，合成步骤简单，反应装置简单，操作方便，所得材料对太阳能的利用率高、造价低廉、可多次重复使用，解决了现有的利用太阳能进行水处理光热转化材料存在造价高、放大化程度低、制备工艺复杂、光热转化效率低等问题，同时兼顾了环保安全的技术问题。

Description

一种用于水处理的农林剩余物基光热转化材料、制备方法及 其应用
技术领域
本发明涉及一种用于水处理的农林剩余物基光热转化材料、制备方法及其应用，属于光热转化材料领域。
背景技术
随着人们生活水平的稳步提高以及我国工业化和现代化程度的快速发展，水污染和水资源短缺是人类面临的最具挑战性问题之一。多年来常规的水处理技术，包括吸附、化学处理、膜分离以及生物处理等，上个世纪这些技术对水处理作出了重要贡献。但是，随着人们对安全和清洁用水的需求愈加严格，这些技术的发展也正在面临发展瓶颈，同时也对低能耗、清洁化水处理技术提出了更高的要求。
太阳能作为一种清洁及可再生能源，也逐渐受到青睐。其中，太阳能蒸汽发生技术逐渐成为主流的太阳能技术之一，可以应用于海水淡化和纯化、蒸馏、液-液相分离和灭菌等领域。太阳能蒸汽发生装置的效率在很大程度上取决于使用的光热转化材料，光热转化材料吸光后将能量转移至水体中并用于蒸汽发生。现有技术中太阳能蒸汽发生技术用于水处理>80％的效率，仅在高太阳能光辐射强度的条件下才可实现，且所使用光热转化材料成本相对较高、制备工艺相对复杂、尺寸相对较小(材料在制备上存在缺陷)，限制了太阳能蒸汽发生技术的发展。因此，寻求一种成本低廉、可放大化、光热转化效率高的材料成为太阳能蒸汽发生技术的热点。
发明内容
为了解决现有技术中利用太阳能进行水处理光热转化材料存在造价高、放大化程度低、制备工艺复杂、光热转化效率低等问题，本发明提供一种用于水处理的农林剩余物基光热转化材料、制备方法及其应用。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种用于水处理的农林剩余物基光热转化材料，包括亲水层设在亲水层上表面的疏水层，其中，亲水层为农林剩余物层，疏水层为碳化层、石墨烯层或碳纳米管层。
理想的光热转化材料应该具备宽带和高效的太阳能吸收率、较低的导热率以及可以快速供水和蒸汽的多孔网络结构。本申请采用木屑、秸秆、蔗渣等农林剩余物，其经热压成型后材料的表面通过简单碳化处理后或在直接在表面负载石墨烯、碳纳米管或其他金属纳米粒子吸附层，制得一种具有高太阳能吸收率、低导热率及快速传水的双层结构的光热转化材料，这种材料不仅具有碳化层或纳米金属粒子层对太阳光的高吸收率，同时具备农林剩余物本身所特有的快速传水性以及低热导率，可以得到更高的光热转化效率，将该种双层结构的光热转化材料用于水处理中，具有高效、低成本及可放大化等优势，同时也对我国农林废弃物的再利用提供了一条新思路。
为了进一步提高光热转化材料的效率，亲水层的厚度为0.5-3cm，碳化层的厚度为0.1-0.5cm，石墨烯层或碳纳米管层的厚度为0.01-0.2cm。
上述用于水处理的农林剩余物基光热转化材料的制备方法，将农林剩余物破碎后与胶黏剂经热压处理，使碎料成型；再将成型后材料的上表面进行碳化处理，或将成型后材料的上表面负载石墨烯或碳纳米管，形成表层疏水、底层亲水的双层结构。
上述方法，简单已操作，且可根据需要做成任意大小，克服了现有的光热转化材料尺寸不能做大的缺陷。
为了既保证效率，同时提高废物利用率，农林剩余物为木屑、稻草秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、蔗渣或竹屑中的至少一种。
为了进一步保证光热转化材料的吸水性等性能，农林剩余物破碎后的粒径为0.1-1cm。
为既保证光热转化材料的吸水性，又能兼顾材料的使用稳定性，胶黏剂为硅酸盐类胶黏剂、磷酸盐类胶黏剂、硫酸盐类胶黏剂或氧化镁类胶黏剂中的至少一种，胶黏剂的用量为农林剩余物质量的0.5-20％。
为了兼顾光热转化材料的吸光性和吸水性能，碎料成型后的材料厚度为0.5-3cm。
为了方便操作，碳化处理可采用明火加热或电热板加热使其表面形成0.1-0.5cm的碳化层。碳化处理温度因农林剩余物材料不同而不同，指表面完全碳化温度。
为了方便操作，同时确保材料的使用稳定性，成型后材料的上表面负载石墨烯或碳纳米管的方法为，通过物理吸附在材料表面形成0.01-0.2cm的吸附层，吸附层用量为农林剩余物质量的0.5-10％。
上述用于水处理的农林剩余物基光热转化材料可用作利用太阳能进行的海水淡化、水汽蒸馏或污水处理的光热转化材料。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明采用我国丰富的农林剩余物为原料，经粉碎、热压成型后，再将表面进行碳化或表面吸附石墨烯、碳纳米管或其他金属纳米粒子等材料，形成上层导热系数低、光热转化效能高、下层吸水性好的双层结构光热转化材料，合成步骤简单，反应装置简单，操作方便，所得材料对太阳能的利用率高、造价低廉、可多次重复使用，解决了现有的利用太阳能进行水处理光热转化材料存在造价高、放大化程度低、制备工艺复杂、光热转化效率低等问题，同时兼顾了环保安全的技术问题。
附图说明
图1是本发明农林剩余物基光热转化材料的制备流程图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
将30g木屑进行粉碎至粒径为0.1cm的颗粒，然后加入1g硅酸钠胶黏剂(生产厂家：盘锦圣鑫水基胶粘剂有限公司)后混合均匀后使用热压机将其压成厚3cm左右的木块。将加热板温度调至500℃，再将木块至于加热板上进行碳化，至碳化层厚度为0.3cm后停止。将压缩后的木块放置于刚好容下木块的容器中，加水使木块碳化层表面与水表面的距离为1cm，采用模拟太阳照明装置(Newport AM1.5)在535nm激光照射下模拟太阳光，将光线照射在碳化层表面，分别测量在1-10kW/cm2的太阳能功率密度下，这种光热转化材料对水蒸发的作用。通过使用精度为0.0001g的电子微量天平测定水分蒸发引起的重量损失。
利用红外吸收光谱测定样品在300-225nm的全波长范围的吸收率，其吸收率为95.4％；采用红外相机测定在1kW/cm2的太阳能强度照射下，木块碳化的表面温度可以达到30.5℃，水蒸发的平均速率为0.99kg m–2h–1，水蒸发的效率可以达到70％，在此条件下重复使用50h后，其水蒸发的平均速率仍可保持0.98kg m–2h–1，水蒸发的效率可以达到69.8％；在10kW/cm2的太阳能强度照射下，木块碳化的表面温度可以达到101℃，水蒸发的平均速率为11.9kg m–2h–1，水蒸发的效率可以达到87.8％，在此条件下重复使用50h后，其水蒸发的平均速率仍可保持11.7kg m–2h–1，水蒸发的效率可以达到87.5％。
实施例2
将25g玉米秸秆进行粉碎至粒径为0.2cm的颗粒，然后加入1.5g氧化镁胶黏剂(生产厂家：盘锦圣鑫水基胶粘剂有限公司)后混合均匀后使用热压机将其压成厚2cm左右的秸秆块。采用喷灯对秸秆块表面进行碳化处理，至碳化层厚度为0.3cm后停止。将压缩后的秸秆块放置于刚好容下秸秆块的容器中，在加水使秸秆块碳化层表面与水表面的距离为1cm，采用模拟太阳照明装置(Newport AM1.5)在535nm激光照射下模拟太阳光，将光线照射在碳化层表面，分别测量在1-10kW/cm2的太阳能功率密度下，这种光热转化材料对水蒸发的作用。通过使用精度为0.0001g的电子微量天平测定水分蒸发引起的重量损失。
利用红外吸收光谱测定样品在300-225nm的全波长范围的吸收率，其吸收率为96.1％；采用红外相机测定在1kW/cm2的太阳能强度照射下，秸秆块碳化的表面温度可以达到30.1℃，水蒸发的平均速率为0.89kg m–2h–1，水蒸发的效率可以达到65％，在此条件下重复使用50h后，其水蒸发的平均速率仍可保持0.87kg m–2h–1，水蒸发的效率可以达到64.8％；在10kW/cm2的太阳能强度照射下，秸秆块碳化的表面温度可以达到101.8℃，水蒸发的平均速率为11.3kg m–2h–1，水蒸发的效率可以达到83.4％，在此条件下重复使用50h后，其水蒸发的平均速率仍可保持11.0kg m–2h–1，水蒸发的效率可以达到83.2％。
实施例3
将30g木屑进行粉碎至粒径为0.1cm的颗粒，然后加入1g硅酸钠胶黏剂(生产厂家：盘锦圣鑫水基胶粘剂有限公司)后混合均匀后使用热压机将其压成厚3cm左右的木块。将0.5g石墨烯采用气相沉积法负载于木块表面，形成约0.05cm厚的石墨烯层。将处理后的木块放置于刚好容下木块的容器中，在加水使木块石墨烯层表面与水表面的距离为1cm，采用模拟太阳照明装置(Newport AM1.5)在535nm激光照射下模拟太阳光，将光线照射在碳化层表面，分别测量在1-10kW/cm2的太阳能功率密度下，这种光热转化材料对水蒸发的作用。通过使用精度为0.0001g的电子微量天平测定水分蒸发引起的重量损失。
利用红外吸收光谱测定样品在300-225nm的全波长范围的吸收率，其吸收率为98.2％；采用红外相机测定在1kW/cm2的太阳能强度照射下，木块石墨烯层的表面温度可以达到32.5℃，水蒸发的平均速率为1.04kg m–2h–1，水蒸发的效率可以达到72.3％，在此条件下重复使用50h后，其水蒸发的平均速率仍可保持1.02kg m–2h–1，水蒸发的效率可以达到71.8％；在10kW/cm2的太阳能强度照射下，木块石墨烯层的表面温度可以达到108.6℃，水蒸发的平均速率为12.2kg m–2h–1，水蒸发的效率可以达到88.5％，在此条件下重复使用50h后，其水蒸发的平均速率仍可保持12.0kg m–2h–1，水蒸发的效率可以达到88.1％。
实施例4
将30g蔗渣进行粉碎至粒径为0.1cm的颗粒，然后加入2g磷酸钠胶黏剂(生产厂家：盘锦圣鑫水基胶粘剂有限公司)后混合均匀后使用热压机将其压成厚2cm左右的蔗渣块。将1.0g碳纳米管采用气相沉积法负载于蔗渣块表面，形成约0.08cm厚的碳纳米管层。将压缩后的蔗渣块放置于刚好容下蔗渣块的容器中，在加水使蔗渣块碳纳米管层表面与水表面的距离为1cm，采用模拟太阳照明装置(Newport AM1.5)在535nm激光照射下模拟太阳光，将光线照射在碳化层表面，分别测量在1-10kW/cm2的太阳能功率密度下，这种光热转化材料对水蒸发的作用。通过使用精度为0.0001g的电子微量天平测定水分蒸发引起的重量损失。
利用红外吸收光谱测定样品在300-225nm的全波长范围的吸收率，其吸收率为97.9％；采用红外相机测定在1kW/cm2的太阳能强度照射下，蔗渣块碳纳米管层表面温度可以达到33.1℃，水蒸发的平均速率为1.05kg m–2h–1，水蒸发的效率可以达到73.1％，在此条件下重复使用50h后，其水蒸发的平均速率仍可保持1.02kg m–2h–1，水蒸发的效率可以达到72.4％；在1kW/cm2的太阳能强度照射下，木块碳化的表面温度可以达到110.7℃，水蒸发的平均速率为12.1kg m–2h–1，水蒸发的效率可以达到87.9％，在此条件下重复使用50h后，其水蒸发的平均速率仍可保持11.7kg m–2h–1，水蒸发的效率可以达到87.3％。

Claims (10)

1.一种用于水处理的农林剩余物基光热转化材料，其特征在于，包括亲水层设在亲水层上表面的疏水层，其中，亲水层为农林剩余物层，疏水层为碳化层、石墨烯层或碳纳米管层。
2.如权利要求1所述的用于水处理的农林剩余物基光热转化材料，其特征在于，亲水层的厚度为0.5-3cm，碳化层的厚度为0.1-0.5cm，石墨烯层或碳纳米管层的厚度为0.01-0.2cm。
3.权利要求1或2所述的用于水处理的农林剩余物基光热转化材料的制备方法，其特征在于，将农林剩余物破碎后与胶黏剂经热压处理，使碎料成型；再将成型后材料的上表面进行碳化处理，或将成型后材料的上表面负载石墨烯或碳纳米管，形成表层疏水、底层亲水的双层结构。
4.如权利要求3所述的用于水处理的农林剩余物基光热转化材料的制备方法，其特征在于，农林剩余物为木屑、稻草秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、蔗渣或竹屑中的至少一种。
5.如权利要求3或4所述的用于水处理的农林剩余物基光热转化材料的制备方法，其特征在于，农林剩余物破碎后的粒径为0.1-1cm。
6.如权利要求3或4所述的用于水处理的农林剩余物基光热转化材料的制备方法，其特征在于，胶黏剂为硅酸盐类胶黏剂、磷酸盐类胶黏剂、硫酸盐类胶黏剂或氧化镁类胶黏剂中的至少一种，胶黏剂的用量为农林剩余物质量的0.5-20％。
7.如权利要求3或4所述的用于水处理的农林剩余物基光热转化材料的制备方法，其特征在于，碎料成型后的材料厚度为0.5-3cm。
8.如权利要求3或4所述的用于水处理的农林剩余物基光热转化材料的制备方法，其特征在于，碳化处理可采用明火加热或电热板加热使其表面形成0.1-0.5cm的碳化层。
9.如权利要求3或4所述的用于水处理的农林剩余物基光热转化材料的制备方法，其特征在于，成型后材料的上表面负载石墨烯或碳纳米管的方法为，通过物理吸附在材料表面形成0.01-0.2cm的吸附层，吸附层用量为农林剩余物质量的0.5-10％。
10.权利要求1或2所述的用于水处理的农林剩余物基光热转化材料的应用，其特征在于，用作利用太阳能进行的海水淡化、水汽蒸馏或污水处理的光热转化材料。
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