CN107828385A - 一种太阳能蓄热复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能蓄热复合材料，属于新能源技术领域。本发明利用膨润土颗粒的单位晶层中存在极弱的键的特点，通过羧甲基纤维素钠与碳酸钠与膨润土交换阳离子，因阳离子本身半径小，离子价低，水很容易进人单位晶层间，引起晶格膨胀，增大了膨润土的纳米层间距离，方便后续的葡萄糖渗入，并通过水热反应在其间隙壁上覆盖一层无定形碳层形成导热网络，能够将相变材料储存的能量更快地传递，强化传热效果，同时制成的导热碳层进一步增大了膨润土的纳米层间距离，与导热碳层的多孔吸附性能协同作用，强化了对于具有较大相变潜热的氢氧化钡的吸附性能，强化吸附蓄热系统的储能效率。

Description

一种太阳能蓄热复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能蓄热复合材料及其制备方法，属于新能源技术领域。

背景技术

能源是社会进步的重要物质基础，也是经济发展的标志之一，随着全球各个国家与地区经济的飞速发展，人们的生活水平也得到了显著地提高。与此同时，人们对能源的使用量不断增加，造成对能源的消耗量的迅速增长，人们对能源的需求量也日益增大。但是目前为止，人们对能源的使用还是多以煤炭、石油等不可再生能源为主。不可再生能源形成时间需要几亿年甚至几十亿年的时间，同时煤炭等能源的燃烧也会对环境造成污染。大量的开发利用这些不可再生能源，不仅会对大气、水、土壤等人类生活环境造成不可避免的污染，还会破坏生态平衡，同时我们也必须面对不可再生能源即将枯竭的残酷现实。因此，为了人类未来的可持续发展，我们不得不开始关注可再生能源的开发和应用。

可再生能源的种类有很多，例如太阳能、风能、潮汝能、生物质能等，都具有使用清洁无污染的优点，因此也都得到了各国学者和科学家的广泛关注。在这些可再生的能源中，太阳能因其储量巨大、分布广泛，釆用方便，价格低廉等优点，而成为了可再生能源中的研究重点。如何合理的开发和利用太阳能，更大效率地将太阳能转化为我们需要的能量，也成为各国学者研究的一大方向。太阳能的合理利用，对全球的经济发展和社会进步都有着着重要的影响。太阳能因为其自身的独特优点，具有良好的发展前景和趋势。但是，太阳能的使用时间和供给时间却常常存在着不匹配的现象。一方面，是由于受到季节以及白日夜晚等因素呈现的周期性变化的影响，太阳能的辖射强度也会呈现周期性的变化，这说明太阳能的供应不是连续的，而是呈现周期性的变化；同时，由于受到地理不同位置因素的影响，不同地区所能够接收到的太阳能的福射强度也会有较为明显的差别，即太阳能的供给存在着地域的差别性；另一方面，太阳能的辖射强度也会受到天气阴晴雨雪等自然天气环境变化的随机影响，即太阳能的供应强度并不稳定，而是呈现随机性的变化。因此，需要在太阳能辖射强度大的时候，将能量储存起来，以便需求的时候使用。如何将太阳能有效地储存起来，并在需要的时候能够重新将其释放，已经成为了太阳能应用领域的一大热点因此，蓄热技术应运而生，蓄热技术就是将热能转化为其他形式的能量储存起来，而在需要的时候，又可以方便地将其他形式的能量再转化为热能以供人类使用。采用太阳能蓄热技术，可以将充足的太阳能以热能或是其他形式的能暂时的储存起来，以供日后生活生产等过程需要的时候使用，太阳能蓄热跨季供暖可以实现对太阳能的充分利用，并且可以有效地减少煤炭等不可再生能源的消耗量，有利于人类的可持续发展和社会经济的不断进步，但是吸附蓄热材料通常为多孔的固体材料，其传热传质的性能相对较差，导致吸附蓄热系统的储能效率降低。随着人们对环境保护和生态平衡越来越关注，以及对新能源的开发利用等方面的研究越来越深入，人们对蓄热技术的发展的重视程度也越来越高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对吸附蓄热材料通常为多孔的固体材料，其传热传质的性能相对较差，吸附蓄热系统的储能效率降低的问题，提供了一种太阳能蓄热复合材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种太阳能蓄热复合材料，其特征在于，所述太阳能蓄热复合材料为改性膨润土表面包覆一层导热碳层的碳包覆改性膨润土，吸附氢氧化钡作为低温水合盐相变材料制成，由下述重量份原料组成：1～2份碳包覆改性膨润土，8～16份氢氧化钡，0.08～0.16份碳酸钡。

所述改性过程具体为将羧甲基纤维素钠、碳酸钠溶液、膨润土，混合均匀后装入旋转挤压机中挤压30～40min，陈化2～3天后干燥球磨，过200目筛。

所述羧甲基纤维素钠、碳酸钠溶液、膨润土的重量份为2～3份羧甲基纤维素钠，15～20份质量分数为15%碳酸钠溶液，20～30份膨润土。

所述导热碳层为水热碳层，由葡萄糖发生水热反应制得。

所述葡萄糖用量为改性膨润土质量的10%，水热反应为加热至160～180℃反应6～10h。

所述吸附过程为以5℃/min加热至80～85℃，并在真空度为10～80kPa下，以150W超声功率，40kHz频率协同吸附20～30min，继续以5℃/min加热至85～90℃，继续吸附20～30min。

所述的一种太阳能蓄热复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

（1）将羧甲基纤维素钠加入碳酸钠溶液中配置改性液；

（2）将膨润土加入改性液中混合均匀后装入旋转挤压机中挤压30～40min，陈化2～3天后干燥球磨，过200目筛，得改性膨润土；

（3）将改性膨润土分散在去离子水中，再加入葡萄糖，在60～80℃下搅拌20～30min后装入水热反应釜中，加热至160～180℃反应6～10h，冷却、过滤、干燥，得碳包覆改性膨润土；

（4）取碳包覆改性膨润土、氢氧化钡、碳酸钡装入反应釜中，以5℃/min加热至80～85℃，并在真空度为10～80kPa下，以150W超声功率，40kHz频率协同吸附20～30min，继续以5℃/min加热至85～90℃，继续吸附20～30min，冷却至室温后得太阳能蓄热复合材料。

本发明与其他方法相比，有益技术效果是：

本发明利用膨润土颗粒的单位晶层中存在极弱的键的特点，通过羧甲基纤维素钠与碳酸钠与膨润土交换阳离子，因阳离子本身半径小，离子价低，水很容易进人单位晶层间，引起晶格膨胀，增大了膨润土的纳米层间距离，方便后续的葡萄糖渗入，并通过水热反应在其间隙壁上覆盖一层无定形碳层形成导热网络，能够将相变材料储存的能量更快地传递，强化传热效果，同时制成的导热碳层进一步增大了膨润土的纳米层间距离，与导热碳层的多孔吸附性能协同作用，强化了对于具有较大相变潜热的氢氧化钡的吸附性能，强化吸附蓄热系统的储能效率。

具体实施方式

取20～30g羧甲基纤维素钠，加入150～200g质量分数为15%碳酸钠溶液中，以300～400r/min搅拌混合20～30min，再加入200～300g膨润土，混合均匀后装入旋转挤压机中挤压30～40min，陈化2～3天后转入干燥箱中，在105～110℃下干燥至恒重，再转入球磨机中球磨，过200目筛，得改性膨润土，取30～50g改性膨润土，加入300～500mL去离子水中，以300～400r/min搅拌30～40min，再加入3～5g葡萄糖，在60～80℃下搅拌20～30min后装入水热反应釜中，加热至160～180℃反应6～10h，冷却至室温后过滤得滤渣，将滤渣置于干燥箱中，在105～110℃下干燥3～5h，得碳包覆改性膨润土，取1～2g碳包覆改性膨润土，8～16g氢氧化钡，0.08～0.16g碳酸钡装入反应釜中，以5℃/min加热至80～85℃，并在真空度为10～80kPa下，以150W超声功率，40kHz频率协同吸附20～30min，继续以5℃/min加热至85～90℃，继续吸附20～30min，冷却至室温后得太阳能蓄热复合材料。

实例1

取20g羧甲基纤维素钠，加入150g质量分数为15%碳酸钠溶液中，以300r/min搅拌混合20min，再加入200g膨润土，混合均匀后装入旋转挤压机中挤压30min，陈化2天后转入干燥箱中，在105℃下干燥至恒重，再转入球磨机中球磨，过200目筛，得改性膨润土，取30g改性膨润土，加入300mL去离子水中，以300r/min搅拌30min，再加入3g葡萄糖，在60℃下搅拌20min后装入水热反应釜中，加热至160℃反应6h，冷却至室温后过滤得滤渣，将滤渣置于干燥箱中，在105℃下干燥3h，得碳包覆改性膨润土，取1g碳包覆改性膨润土，8g氢氧化钡，0.08g碳酸钡装入反应釜中，以5℃/min加热至80℃，并在真空度为10kPa下，以150W超声功率，40kHz频率协同吸附20min，继续以5℃/min加热至85℃，继续吸附20min，冷却至室温后得太阳能蓄热复合材料。

实例2

取25g羧甲基纤维素钠，加入175g质量分数为15%碳酸钠溶液中，以350r/min搅拌混合25min，再加入250g膨润土，混合均匀后装入旋转挤压机中挤压35min，陈化2天后转入干燥箱中，在107℃下干燥至恒重，再转入球磨机中球磨，过200目筛，得改性膨润土，取40g改性膨润土，加入400mL去离子水中，以350r/min搅拌35min，再加入4g葡萄糖，在70℃下搅拌25min后装入水热反应釜中，加热至170℃反应8h，冷却至室温后过滤得滤渣，将滤渣置于干燥箱中，在107℃下干燥4h，得碳包覆改性膨润土，取1g碳包覆改性膨润土，12g氢氧化钡，0.12g碳酸钡装入反应釜中，以5℃/min加热至82℃，并在真空度为45kPa下，以150W超声功率，40kHz频率协同吸附25min，继续以5℃/min加热至87℃，继续吸附25min，冷却至室温后得太阳能蓄热复合材料。

实例3

取30g羧甲基纤维素钠，加入200g质量分数为15%碳酸钠溶液中，以400r/min搅拌混合30min，再加入300g膨润土，混合均匀后装入旋转挤压机中挤压40min，陈化3天后转入干燥箱中，在110℃下干燥至恒重，再转入球磨机中球磨，过200目筛，得改性膨润土，取50g改性膨润土，加入500mL去离子水中，以400r/min搅拌40min，再加入5g葡萄糖，在80℃下搅拌30min后装入水热反应釜中，加热至180℃反应10h，冷却至室温后过滤得滤渣，将滤渣置于干燥箱中，在110℃下干燥5h，得碳包覆改性膨润土，取2g碳包覆改性膨润土，16g氢氧化钡，0.16g碳酸钡装入反应釜中，以5℃/min加热至85℃，并在真空度为80kPa下，以150W超声功率，40kHz频率协同吸附30min，继续以5℃/min加热至90℃，继续吸附30min，冷却至室温后得太阳能蓄热复合材料。

将本发明制备的太阳能蓄热复合材料及广东某公司生产的蓄热复合材料进行检测，具体检测结果如下表表1：

表1太阳能蓄热复合材料性能表征

由表1可知本发明制备的太阳能蓄热复合材料，热导率高，表面没发生泄露、渗

出、挥发等现象，复合稳定性良好。

Claims (7)

1.一种太阳能蓄热复合材料，其特征在于，所述太阳能蓄热复合材料为改性膨润土表面包覆一层导热碳层的碳包覆改性膨润土，吸附氢氧化钡作为低温水合盐相变材料制成，由下述重量份原料组成：1～2份碳包覆改性膨润土，8～16份氢氧化钡，0.08～0.16份碳酸钡。

2.如权利要求1所述的一种太阳能蓄热复合材料，其特征在于，所述改性过程具体为将羧甲基纤维素钠、碳酸钠溶液、膨润土，混合均匀后装入旋转挤压机中挤压30～40min，陈化2～3天后干燥球磨，过200目筛。

3.如权利要求2所述的一种太阳能蓄热复合材料，其特征在于，所述羧甲基纤维素钠、碳酸钠溶液、膨润土的重量份为2～3份羧甲基纤维素钠，15～20份质量分数为15%碳酸钠溶液，20～30份膨润土。

4.如权利要求1所述的一种太阳能蓄热复合材料，其特征在于，所述导热碳层为水热碳层，由葡萄糖发生水热反应制得。

5.如权利要求4所述的一种太阳能蓄热复合材料，其特征在于，所述葡萄糖用量为改性膨润土质量的10%，水热反应为加热至160～180℃反应6～10h。

6.如权利要求1所述的一种太阳能蓄热复合材料，其特征在于，所述吸附过程为以5℃/min加热至80～85℃，并在真空度为10～80kPa下，以150W超声功率，40kHz频率协同吸附20～30min，继续以5℃/min加热至85～90℃，继续吸附20～30min。

7.如权利要求1～6任意一项所述的一种太阳能蓄热复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

（1）将羧甲基纤维素钠加入碳酸钠溶液中配置改性液；

（2）将膨润土加入改性液中混合均匀后装入旋转挤压机中挤压30～40min，陈化2～3天后干燥球磨，过200目筛，得改性膨润土；

（3）将改性膨润土分散在去离子水中，再加入葡萄糖，在60～80℃下搅拌20～30min后装入水热反应釜中，加热至160～180℃反应6～10h，冷却、过滤、干燥，得碳包覆改性膨润土；

（4）取碳包覆改性膨润土、氢氧化钡、碳酸钡装入反应釜中，以5℃/min加热至80～85℃，并在真空度为10～80kPa下，以150W超声功率，40kHz频率协同吸附20～30min，继续以5℃/min加热至85～90℃，继续吸附20～30min，冷却至室温后得太阳能蓄热复合材料。