CN108483427B - 光热转换材料及其用途、水处理设备、太阳能热水器以及生态房系统 - Google Patents

光热转换材料及其用途、水处理设备、太阳能热水器以及生态房系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了光热转换材料及其用途、水处理设备、太阳能热水器以及生态房系统。其中，光热转换材料包括：基体；多个柱状结构，所述多个柱状结构间隔设置在所述基体的至少一个表面，其中，形成所述基体与所述多个柱状结构的材料包括石墨烯泡沫。发明人发现，该光热转换材料具有三维结构，比表面积较大，光吸收性能较佳，热导率较低，太阳能光热转换性能较佳，光热转换效率较高，其可以吸收太阳能进而将水汽化，并且水蒸汽的扩散空间较大。

Description

光热转换材料及其用途、水处理设备、太阳能热水器以及生态 房系统
技术领域
本发明涉及能量转换技术领域，具体的，涉及光热转换材料及其用途、水处理设备、太阳能热水器以及生态房系统，更具体的，涉及光热转换材料及其制备方法，光热转换材料在海水淡化、污水处理、制备太阳能热水器或者制备生态房系统中的用途、用于海水淡化或污水处理的水处理设备、太阳能热水器以及生态房系统。
背景技术
随着经济的发展、人口的增加以及人们对水资源的不合理开采和利用，很多国家和地区出现了不同程度的水资源短缺现象。目前，很多污水处理技术，例如吸附法、超过滤、膜蒸馏技术、反渗透、电渗析法和太阳能海水淡化等被广泛研究将不可用水变成可用水来解决水资源短缺问题。尤其是太阳能光热转换技术生产清洁水由于不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高等优点而具有很好的发展前景。因而，可以实现太阳能光热转换的光热转换材料近些年被广泛关注。
然而将光热转换材料应用于实现高产量、高效率的制备可饮用清洁水、生产家用热水以及生产清洁水以满足家用洗衣、洗澡和植物种植等水的供给等方面仍然面临挑战。
因而，目前的光热转换材料仍有待改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有较大的比表面积或者光热转换效率较高的光热转换材料。
在本发明的一个方面，本发明提供了一种光热转换材料。根据本发明的实施例，该光热转换材料包括：基体；多个柱状结构，所述多个柱状结构间隔设置在所述基体的至少一个表面，其中，形成所述基体与所述多个柱状结构的材料包括石墨烯泡沫。发明人发现，该光热转换材料具有三维结构，比表面积较大，光吸收性能较佳，热导率较低，太阳能光热转换性能较佳，光热转换效率较高，其可以吸收太阳能进而将水汽化，并且水蒸汽的扩散空间较大。
根据本发明的实施例，所述柱状结构的高度为0.5～3毫米，水平方向的尺寸为200～800微米。由此，上述尺寸的柱状结构增大光热转换材料的比表面积的效果较佳。
根据本发明的实施例，相邻两个所述柱状结构之间的间距为100～800微米。由此，水蒸汽的扩散空间较大，有利于水分子较快速的逃逸，加速水的蒸发，且柱状结构之间存在间距使得光热转换材料的导热率较低，能量损失较少，能量利用率较高。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种前面所述的光热转换材料在海水淡化、污水处理、制备太阳能热水器或者制备生态房系统中的用途。发明人发现，将上述光热转换材料应用于海水淡化、污水处理、制备太阳能热水器或者制备生态房系统中，可以有效获得清洁水或者家用热水，且操作简单方便，易于实现。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种制备前面所述的光热转换材料的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：提供石墨烯泡沫块体；对所述石墨烯泡沫块体进行加工以便得到所述光热转换材料。发明人发现，该方法操作简单、方便，易于实现，成本较低，并且能够获得比表面积较大或者光热转换效率较高的光热转换材料，有利于大规模生产。
根据本发明的实施例，所述石墨烯泡沫块体是通过以下步骤制备的：制备氧化石墨烯溶液；将所述氧化石墨烯溶液与乙醇混合，并将所得到的混合溶液进行冷冻干燥，以便得到氧化石墨烯泡沫块体；对所述氧化石墨烯泡沫块体进行还原处理，以得到所述石墨烯泡沫块体。由此，操作简单、方便，易于实现。
根据本发明的实施例，所述氧化石墨烯溶液的浓度为4～12mg mL-1。由此，氧化石墨烯溶液浓度合适，氧化石墨烯分散效果较佳，有效避免氧化石墨烯的堆积。
根据本发明的实施例，所述乙醇和氧化石墨烯溶液的体积比为1：(10～30)。由此，可制备大面积氧化石墨烯泡沫块体，在氧化石墨烯溶液中加入上述比例的乙醇可以降低溶液的表面张力，在冷冻干燥过程中氧化石墨烯块体不容易被破坏。
根据本发明的实施例，所述冷冻干燥步骤中利用液氮将所述混合溶液冷冻。由此，操作简单、方便，易于实现，且可以比较快速的将混合溶液冷冻，有效形成泡沫结构以增大比表面积。
根据本发明的实施例，所述还原处理为激光还原处理，采用的激光强度为0.5～5W，还原时间为0.5～2s。由此，操作简单、方便，易于实现，还原效果较佳。
根据本发明的实施例，对所述石墨烯泡沫块体进行加工包括：根据所述光热转换材料的预定形状，利用激光器对所述石墨烯泡沫块体进行激光处理。由此，可以加工得到比表面积较大、光热转换效率较高的光热转换材料，且操作简单、方便，成本较低，适于大规模生产。
根据本发明的实施例，所述激光器的扫描速率为6000～8000mm s-1，脉冲宽度为8～10ms，电流为0.02～0.1A，功率小于等于3W。由此，激光器的上述参数的设置可以使得对石墨烯泡沫块体进行激光处理更容易实现，且基本不会造成石墨烯泡沫块体的损毁或者打飞，并且可以制备出含有柱状结构的光热转换材料，其具有增大的可利用三维蒸发面积和有利于水蒸汽扩散的柱状结构之间的间隙，可以实现高速率太阳能水蒸汽产生。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种用于海水淡化或污水处理的水处理设备。根据本发明的实施例，该设备包括前面所述的光热转换材料。发明人发现，利用该设备进行海水淡化离子或者细菌去除率较高，得到可以饮用的盐度较低的清洁水；利用该设备进行污水处理的效率较高，处理后的水接近中性，有机溶剂或者细菌去除率较高，可以获得比较清洁的水以供使用。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种太阳能热水器。根据本发明的实施例，该太阳能热水器包括前面所述的光热转换材料。发明人发现，该太阳能热水器升温速率较快，比较适于生产家用热水，使用性能较佳。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种生态房系统。根据本发明的实施例，该生态房系统包括前面所述的光热转换材料。发明人发现，该生态房系统结构简单，易于搭建，可以有效实现对生活污水的再处理循环应用，进而实现自供给清洁水，适于家用。
附图说明
图1a是本发明一个实施例中的光热转换材料的结构示意图。
图1b是本发明另一个实施例中的光热转换材料的主视图。
图2是本发明一个实施例中的制备光热转换材料的方法流程示意图。
图3是本发明一个实施例中的制备石墨烯泡沫块体的方法流程示意图。
图4是本发明实施例1中的光热转换材料的上表面SEM图。
图5是本发明实施例1中的光热转换材料的侧面SEM图。
图6是本发明实施例1中的光热转换材料在太阳光全光谱的吸收光谱图。
图7是本发明实施例1中的光热转换材料在太阳光强度为1kW·m-2下的水蒸发速率曲线图。
图8是将本发明实施例1中的光热转换材料用于太阳能海水淡化前后海水中主要五种离子浓度图。
图9是将本发明实施例2中的光热转换材料用于太阳能净化制药行业废水处理前后溶液的紫外-可见光吸收光谱；
图10是将本发明实施例3中的光热转换材料用于太阳能净化结晶紫和水溶液前后溶液的紫外-可见光吸收光谱。
图11是将本发明实施例4中的光热转换材料用于太阳能净化亚甲基蓝和水溶液前后溶液的紫外-可见光吸收光谱。
图12是本发明实施例5中的光热转换材料在1kW m-2太阳光强度下产生蒸汽温度随时间的变化曲线。
图13是本发明实施例5中的太阳能热水器。
图14是本发明实施例5中在1kW m-2太阳光强度下太阳能热水器水槽内水温随时间的变化曲线。
图15是本发明实施例6中的生态房系统。
图16是实施例7中的光热转换材料的上表面SEM图。
图17是实施例7中的光热转换材料的截面SEM图。
图18是对比例1中的石墨烯泡沫块体的上表面SEM图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
在本发明的一个方面，本发明提供了一种光热转换材料。根据本发明的实施例，参照图1a或者图1b(其中，图1a中A1为光热转换材料的主视图，A2为光热转换材料的俯视图)，该光热转换材料包括：基体100；多个柱状结构200，所述多个柱状结构200间隔设置在所述基体100的至少一个表面，其中，形成所述基体100与所述多个柱状结构200的材料包括石墨烯泡沫。发明人发现，该光热转换材料具有三维结构，比表面积较大，光吸收性能较佳，热导率较低，水分传输速率较快，亲水性较佳，太阳能光热转换性能较佳，光热转换效率较高，其可以吸收太阳能进而将水汽化，并且水蒸汽的扩散空间较大。需要说明的是，图1a和图1b所示的结构仅仅用于说明本申请，而不能理解为对本申请的限制。
根据本发明的实施例，多个柱状结构可以为规则分布，也可以为随机分布，只要能够满足要求，本领域技术人员可以根据实际需要灵活选择。在本发明的一些具体实施例中，多个柱状结构呈阵列分布，由此，可以大量增加可利用的蒸发面积，并且阵列排布的柱状结构之间的间隙有利于蒸汽全方位快速蒸发，从而获得高产量的清洁水。
根据本发明的实施例，柱状结构可以为圆柱状，也可以为多边形柱状结构，只要能够满足要求，本领域技术人员可以根据实际需要灵活选择。
根据本发明的实施例，所述柱状结构的高度为0.5～3毫米，例如柱状结构的高度可以为0.5毫米、1毫米、1.5毫米、2毫米、2.5毫米、3毫米等，水平方向的尺寸为200～800微米，例如水平方向的尺寸可以为200微米、250微米、300微米、350微米、400微米、450微米、500微米、550微米、600微米、650微米、700微米、750微米、800微米等。由此，上述尺寸的柱状结构增大光热转换材料的比表面积的效果较佳，且柱状结构不容易粘连。当柱状结构的高度过高时，与柱状结构的高度为0.5～3毫米相比水传输距离相对较大，但是水传输距离小于不含柱状结构的光热转换材料，当柱状结构的高度过低时，与柱状结构的高度为0.5～3毫米相比增加的有效水蒸发面积和水蒸气扩散空间效果相对不明显，但是优于不含柱状结构的光热转换材料的效果；当柱状结构水平方向的尺寸过小时，与柱状结构水平方向的尺寸为200～800微米相比，在水的表面张力下柱状结构相对较容易粘连在一起，从而使柱状结构破坏，降低光热转换材料的光热转换效率，但是其光热转换效率仍高于不含柱状结构的光热转换材料；当柱状结构水平方向的尺寸过大时，与柱状结构水平方向的尺寸为200～800微米相比，可利用的有效水蒸发面积和水蒸气扩散空间相对较低，但是高于不含柱状结构的光热转换材料。
需要说明的是，当柱状结构为圆柱状时，柱状结构水平方向的尺寸为圆柱的底面圆形的直径，当柱状结构为多边形柱状时，柱状结构水平方向的尺寸为底面多边形的任意两点间连线的最大距离。
根据本发明的实施例，相邻两个所述柱状结构之间的间距为100～800微米，例如相邻两个柱状结构之间的间距可以为100微米、150微米、200微米、250微米、300微米、350微米、400微米、450微米、500微米、550微米、600微米、650微米、700微米、750微米、800微米等。由此，水蒸汽的扩散空间较大，有利于水分子较快速的逃逸，加速水的蒸发，且柱状结构之间存在间距使得光热转换材料的导热率较低，能量损失较少，能量利用率较高。当相邻两个柱状结构之间的间距过大时，与相邻两个柱状结构之间的间距为100～800微米相比较，可利用的有效水蒸发面积和水蒸气扩散空间相对较小，但是大于不含柱状结构的光热转换材料，当相邻两个柱状结构之间的间距过小时，与相邻两个柱状结构之间的间距为100～800微米相比较，在水的表面张力下柱状结构相对容易粘连在一起，从而使柱状结构破坏，降低光热转换材料的光热转换效率，但是其光热转换效率仍高于不含柱状结构的光热转换材料。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种前面所述的光热转换材料在海水淡化、污水处理、制备太阳能热水器或者制备生态房系统中的用途。发明人发现，将上述光热转换材料应用于海水淡化、污水处理、制备太阳能热水器或者制备生态房系统中，可以有效获得清洁水或者家用热水，且操作简单方便，易于实现。
需要说明的是，上述污水可以是工业废水，例如可以是制药废水、冶金废水、造纸废水、金属酸洗废水和染料(例如结晶紫、亚甲基蓝、罗丹明B和酸性品红等)废水等。
根据本发明的实施例，将光热转换材料应用于海水淡化或者污水处理时，光热转换材料可以吸收光的能量发热，从而将与其接触的水加热蒸发，将蒸发的水蒸汽收集起来即可获得比较清洁的可以用于饮用的水，进而达到海水淡化或者污水处理的目的，效率较高。根据本发明的具体示例，含有高度有序柱状结构的光热转换材料(即光热转换材料中的柱状结构为阵列排布)具有在太阳能全光谱(250～2500nm)范围的高的吸收率(98％～99.2％)，对太阳光具有很好的吸收；低的热导率(0.07～0.45W m-1K-1)，能够减少能量损失；很好的亲水性，有利于水的快速传输；蒸发面积较大，且柱状结构之间存在间隙利于水蒸汽扩散，可以实现高速率太阳能水蒸汽产生。在1kW m-2太阳光强度下，利用光热转换材料进行太阳能水蒸发速率可以为1.87～1.93kg m-2h-1，可以高效的用于太阳能水清洁，例如太阳能海水淡化，净化之后海水中离子去除率高达99.7％，盐度低于世界卫生组织和美国环境保护署规定的饮用水盐度标准；用于制药行业废水处理，处理之后溶液pH接近于7，酸碱离子被有效地去除，同时有机溶剂去除率高达99.8％；用于含高分子有机染料污水处理，净化之后高分子有机染料去除率可以为99.9％，并且海水或者污水中离子、细菌和有机溶剂的去除率可以达到99.7％。
根据本发明的实施例，将光热转换材料应用于制备太阳能热水器时，将光热转换材料放置在太阳能热水器集热槽内，光热转换材料吸收太阳能产生热能进行加热太阳能热水器中的水，且太阳能热水器中的水的靠近光热转换材料的一侧的液面与远离光热转换材料的一侧的液面之间存在温度梯度，利用热水上浮冷水下沉的原理实现水的微循环，使得整个太阳能热水器中的水温度较均一。根据本发明的具体示例，在1kW m-2太阳光强度下，具有高度有序柱状结构的光热转换材料产生的水蒸汽温度在8min内可以快速的上升到38.5℃，基于其具有很好太阳能光热转换效率可以利用其进行有效地加热水，具体的，在1kW m-2太阳光强度的照射下，上述太阳能热水器4h后可以将30kg水加热到48℃，从而生产家用热水。
根据本发明的实施例，将光热转换材料应用于搭建的可自供给清洁水的生态房系统，实现对生活污水(例如洗衣、洗菜和洗浴废水等)的再处理循环利用。净化之后的水收集之后可以再次用于家用洗衣、洗澡和植物种植等水的供给。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种制备前面所述的光热转换材料的方法。根据本发明的实施例，参照图2，该方法包括：
S100：提供石墨烯泡沫块体。
根据本发明的实施例，石墨烯泡沫块体的厚度可以为1-6毫米，石墨烯泡沫块体的形状没有特别限制，只要能够满足要求，本领域技术人员可以根据实际需要灵活选择。
根据本发明的实施例，参照图3，所述石墨烯泡沫块体是通过以下步骤制备的：
S110：制备氧化石墨烯溶液。
根据本发明的实施例，可以利用改进的Huumers法制备氧化石墨烯溶液，具体的，利用Hummers法制备氧化石墨烯溶液的步骤可以为如下：在冰水浴中将240mL浓硫酸(98wt％)置于2000mL烧杯里，搅拌的过程中分别加入9g石墨粉和9g硝酸钠，继续搅拌2h后，再加入24g高锰酸钾，然后将烧杯置于36℃的水浴锅中搅拌1.5h，烧杯中形成粘稠的浆液，随后向烧杯中加入400mL的去离子水，搅拌20min，再将温度升高到85℃并继续搅拌30min，最后加入1000mL的去离子水，冷却至室温后缓慢加入60mL双氧水(30wt％)，溶液由深棕色变成了金黄色，将溶液进行抽滤，先采用200mL盐酸(37wt％)和200mL水的混合溶液进行洗涤，之后用100mL盐酸和900mL水的混合溶液洗涤，最后用去离子水洗涤，直到滤纸上的沉淀物颜色变成黑色；然后将黑色的产物重新分散到600mL的去离子水中，并在4000rpm min-1的转速下保持30min，将下层可见的杂质除去，再将上层产物在10000rpm min-1的转速下保持30min，去除上层清液；最后，将得到的氧化石墨烯溶液放入透析袋中进行透析大约两周，直至溶液pH＝7，得到浓度为12～15mg mL-1的氧化石墨烯溶液；通过加水稀释得到浓度较低的氧化石墨烯溶液。根据本发明的实施例，所述氧化石墨烯溶液的浓度为4～12mg mL-1。由此，氧化石墨烯溶液浓度合适，氧化石墨烯分散效果较佳，有效避免氧化石墨烯的堆积。
S120：将所述氧化石墨烯溶液与乙醇混合。
根据本发明的实施例，所述乙醇和氧化石墨烯溶液的体积比为1：(10～30)。由此，得到大面积氧化石墨烯泡沫块体，在氧化石墨烯溶液中加入上述比例的乙醇可以降低溶液的表面张力。当乙醇和氧化石墨烯溶液的体积比过大时则得到的氧化石墨烯泡沫块体微结构容易得到破坏，过小时则氧化石墨烯泡沫块体在冻干过程中容易裂开。
根据本发明的实施例，可以在搅拌的情况下将氧化石墨烯溶液与乙醇混合，所述搅拌可以为机械搅拌，且搅拌的速率可以为1000～4000r min-1，由此，操作简单、方便，易于实现，且可以将氧化石墨烯溶液与乙醇混合的比较均匀，有利于后续步骤的进行。
S130：将所得到的混合溶液进行冷冻干燥，以便得到氧化石墨烯泡沫块体。
根据本发明的实施例，所述冷冻干燥步骤中利用液氮将所述混合溶液冷冻，之后放入冷冻干燥机中进行干燥。根据本发明的实施例，利用液氮进行冷冻的时间可以为10分钟，放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥的时间可以为24-48小时。由此，操作简单、方便，易于实现，且可以比较快速的将混合溶液冷冻，有效形成氧化石墨烯泡沫结构以增大比表面积。
S140：对所述氧化石墨烯泡沫块体进行还原处理，以得到所述石墨烯泡沫块体。
根据本发明的实施例，所述还原处理为激光还原处理，采用的激光强度为0.5～5W，例如激光强度可以为0.5W、1W、1.5W、2W、2.5W、3W、3.5W、4W、4.5W、5W等，还原时间为0.5～2s，例如还原时间可以为0.5s、1s、1.5s、2s等。由此，操作简单、方便，易于实现，还原效果较佳。当还原处理时激光强度过强时则氧化石墨烯泡沫块体容易损毁，过弱时则氧化石墨烯泡沫块体还原不彻底；当还原时间过长时则氧化石墨烯泡沫块体结构容易破坏，当还原时间过短时则氧化石墨烯泡沫块体还原程度不足。
S200：对所述石墨烯泡沫块体进行加工以便得到所述光热转换材料。
根据本发明的实施例，对所述石墨烯泡沫块体进行加工包括：根据所述光热转换材料的预定形状，利用激光器对所述石墨烯泡沫块体进行激光处理。根据本发明的具体示例，可以先在电脑上绘制上述预定形状的CAD图，然后利用电脑控制激光器按照预定形状对石墨烯泡沫块体进行加工，并且通过CAD绘图可将石墨烯泡沫块体加工成具有不同高度、直径和柱间距的结构。由此，可以加工得到比表面积较大，光热转换效率较高的光热转换材料，且操作简单、方便，成本较低，适于大规模生产。
发明人发现，该方法操作简单、方便，易于实现，成本较低，并且能够获得比表面积较大或者光热转换效率较高的光热转换材料，有利于大规模生产。
根据本发明的实施例，所述激光器的扫描速率为6000～8000mm s-1，例如激光器的扫描速率可以为6000mm s-1、6500mm s-1、7000mm s-1、7500mm s-1、8000mm s-1等；脉冲宽度为8～10ms，例如脉冲宽度可以为8ms、8.5ms、9ms、9.5ms、10ms等；电流为0.02～0.1A，例如电流可以为0.02A、0.04A、0.06A、0.08A、0.1A等，功率小于等于3W，例如功率可以为0.1W、0.5W、1W、1.5W、2W、2.5W、3W等。由此，激光器的上述参数的设置可以使得对石墨烯泡沫块体进行激光处理更容易实现，且基本不会造成石墨烯泡沫块体的损毁或者打飞，并且可以制备出含有柱状结构的光热转换材料，其具有增大的可利用三维蒸发面积和有利于水蒸汽扩散的柱状结构之间的间隙，可以实现高速率太阳能水蒸汽产生。当激光器的扫描速率过大、脉冲过小或者电流过大时则石墨烯泡沫块体容易损毁；当激光器的扫描速率过小、脉冲过大或者电流过小时则制备的石墨烯柱状结构不规则。
根据本发明的实施例，通过精确调控激光器加工过程中的扫描速率、脉冲宽度、电流和功率等参数在合适的范围，可以制备出含有柱状结构的光热转换材料，其具有增大的可利用三维蒸发面积和有利于水蒸汽扩散的柱状结构之间的间隙，可以实现高速率太阳能水蒸汽产生。在1kW m-2太阳光强度下，太阳能水蒸发速率可达1.93kg m-2h-1，可以高效的用于太阳能水清洁或者用于生产家用热水。可以理解的是，当激光器的扫描速率、脉冲宽度、电流和功率等参数在上述范围之外时，加工得到的光热转换材料较上述参数在上述范围之内时加工得到的光热转换材料的光热转换效率相对较低，但是高于没有进行激光器加工的石墨烯泡沫块体的光热转换效率。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种用于海水淡化或污水处理的水处理设备。根据本发明的实施例，该设备包括前面所述的光热转换材料。发明人发现，利用该设备进行海水淡化离子或者细菌去除率较高，得到可以饮用的盐度较低的清洁水；利用该设备进行污水处理的效率较高，处理后的水接近中性，有机溶剂或者细菌去除率较高，可以获得比较清洁的水以供使用。
根据本发明的实施例，上述用于海水淡化或污水处理的水处理设备除了包括前面所述的光热转换材料之外，还包括常规水处理设备应该具备的结构，例如水泵、清洗装置等，在此不再过多赘述。
根据本发明的实施例，上述污水与前面的描述一致，在此不再过多赘述。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种太阳能热水器。根据本发明的实施例，该太阳能热水器包括前面所述的光热转换材料。发明人发现，该太阳能热水器升温速率较快，比较适于生产家用热水，使用性能较佳。
根据本发明的实施例，上述太阳能热水器除了包括前面所述的光热转换材料之外，还包括常规太阳能热水器应该具备的结构，例如保温水箱、支架、连接管道或者控制部件等，在此不再过多赘述。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种生态房系统。根据本发明的实施例，该生态房系统包括前面所述的光热转换材料。发明人发现，该生态房系统结构简单，易于搭建，可以有效实现对生活污水的再处理循环应用，进而实现自供给清洁水，适于家用。
根据本发明的实施例，上述生态房系统除了包括前面所述的光热转换材料之外，还包括常规生态房系统应该具备的结构，例如水收集槽、进水口、出水口等，在此不再过多赘述。
根据本发明的实施例，一般的石墨烯泡沫均为块状结构，将其用于太阳能光热转换时能量利用率较低，进而将其应用于蒸发水时水的蒸发速率较慢，水温较低，使用性能不佳。而在发明中，将石墨烯泡沫块体加工成具有间隔设置的多个柱状结构的三维结构的光热转换材料，其具有较高的光吸收率，较佳的亲水性，水分传输速率较快，热导率较低，光热转换性能较佳，有效增加水的蒸发面积，柱状结构之间的间隙有利于水分子扩散，进而可以有效的加快太阳能水蒸发速度，有利于充分利用太阳能较快速产生大量的水蒸汽。并且制备本申请的光热转换材料的方法简单、方便，对环境友好，成本较低，适于大规模生产，制备得到的光热转换材料用途较广，使用性能较佳。
实施例
需要说明的是，以下实施例仅用于说明本申请，而不能理解为对本申请的限制。
激光笔的型号为JX-08。
激光器的型号为武汉华工LSU3EA。
实施例中制得的光热转换材料的表征如下：
(1)扫描电子显微镜(SEM)测试：利用扫描电子显微镜(JSM-7500F，日本岛津公司)对光热转换材料进行SEM形貌表征；
(2)太阳光全光谱吸收率测试：使用紫外近红外可见光谱分光光度计积分球(Cary5000，美国瓦里安)对光热转换材料在太阳光全光谱范围内吸收率进行测试；
(3)样品表面温度测试：采用热红外成像仪(Fluke，美国福禄克公司)对光热转换材料在太阳能水蒸发测试中表面温度进行实时监测；
(4)太阳能水蒸发速率测试：将光热转换材料置于盛有水的玻璃烧杯中，置于太阳光模拟器(CEL-HXF300，北京中教金源)下，测试在1kW m-2太阳光强度下水蒸发速率，用精确度为0.0001g的电子天平对水的损失进行测量；
(5)溶液中离子浓度测试：利用电感耦合等离子体光谱仪(ICPE-9820,日本岛津公司)对海水淡化、工业废水处理前后溶液中离子浓度进行测定。
(6)紫外-可见光吸收测试：采用紫外-可见分光光度计(PerkinElmer，美国)对太阳能水净化前后在紫外-可见光区域吸光度进行测试。
实施例1
光热转换材料的制备：
1.利用改进的Hummers法制备浓度为5mg mL-1氧化石墨烯溶液；
2.在转速为3000r min-1机械搅拌的情况下将乙醇和制备的5mg mL-1氧化石墨烯溶液以体积比为1:30均匀混合；
3.将混合溶液倒入模具后放入液氮中快速冷冻10min，之后放入冷冻干燥机进行干燥36h，得到氧化石墨烯泡沫块体；
4.利用功率为5W的激光笔快速还原氧化石墨烯泡沫块体，得到还原的氧化石墨烯泡沫块体；
5.使用激光器(扫描速率7000mm s-1、脉冲宽度9ms、电流0.1A、功率2W)对石墨烯泡沫块体进行加工处理得到高度H＝1mm、直径D＝300μm和间距(相邻两个柱状结构之间的间距)S＝100μm的具有高度有序柱状结构的光热转换材料。
光热转换材料的表征：
将光热转换材料进行扫描电镜(SEM)表征，从上表面的SEM图(具体参照图4)和截面的SEM图(具体参照图5)可以看出该光热转换材料具有高度规整有序的柱状结构，并且柱状结构有相对光滑的表面。光热转换材料在太阳光全光谱范围(250～2500nm)的吸收率为99％(具体参照图6)，对太阳光具有很好的吸收；低的热导率(0.45W m-1K-1)，能够减少能量损失；很好的亲水性，有利于水的快速传输；增大的蒸发面积和有利于水蒸汽扩散的柱状结构之间的间隙，可以实现高速率太阳能水蒸汽产生。在1kW m-2太阳光强度下，太阳能水蒸发速率为1.93kg m-2h-1(具体参照图7)，可以高效的用于太阳能水清洁。将光热转换材料应用于太阳能海水(取自南海的海水)淡化，净化前后海水中五种主要离子(Na+、Mg2+、Ca2+、K+和B3+)相应的浓度从4800mg L-1、260mg L-1、21mg L-1、55mg L-1和0.75mg L-1分别降低到0.62mg L-1、0.38mg L-1、0.046mg L-1、0.042mg L-1和0.012mg L-1(具体参照图8，其中原始表示净化之前的海水)，离子去除率高达99.7％，盐度低于世界卫生组织和美国环境保护署规定的饮用水盐度标准。
实施例2
光热转换材料的制备：
1.利用改进的Hummers法制备浓度为7mg mL-1氧化石墨烯溶液；
2.在转速为3000r min-1机械搅拌的情况下将乙醇和制备的7mg mL-1氧化石墨烯溶液以体积比为1:15均匀混合；
3.将混合溶液倒入模具后放入液氮中快速冷冻10min，之后放入冷冻干燥机进行干燥36h，得到氧化石墨烯泡沫块体；
4.利用功率为3W的激光笔快速还原氧化石墨烯泡沫块体，得到还原的氧化石墨烯泡沫块体；
5.使用激光器(扫描速率6000mm s-1、脉冲宽度10ms、电流0.1A、功率0.5W)对石墨烯泡沫块体进行加工处理得到高度H＝2mm、直径D＝400μm和间距S＝200μm的含有高度有序柱状结构的光热转换材料。
光热转换材料的表征：
将该光热转换材料进行形貌表征，发现光热转换材料具有高度规整有序的柱状结构，并且柱状结构有相对光滑的表面。光热转换材料在太阳光全光谱范围(250～2500nm)的吸收率为98.5％，对太阳光具有很好的吸收；低的热导率(0.07W m-1K-1)，能够减少能量损失；很好的亲水性，有利于水的快速传输；增大的蒸发面积和有利于水蒸汽扩散的柱状结构之间的间隙，可以实现高速率太阳能水蒸汽产生，在1kW m-2太阳光强度下，太阳能水蒸发速率为1.87kg m-2h-1，可以高效的用于太阳能水清洁。将光热转换材料应用于制药废水(PH为13.9)太阳能净化，净化之后溶液pH接近于7，酸碱离子被有效地去除。净化之后溶液在紫外-可见光区域吸光度接近于0(具体参照图9，其中原始表示净化之前的制药废水)，净化之前和净化之后溶液的浓度分别为50mg L-1和0.1mg L-1，去除率高达99.8％。
实施例3
光热转换材料的制备：
1.利用改进的Hummers法制备浓度为10mg mL-1氧化石墨烯溶液；
2.在转速为3000r min-1机械搅拌的情况下将乙醇和制备的10mg mL-1氧化石墨烯溶液以体积比为1:20均匀混合；
3.将混合溶液倒入模具后放入液氮中快速冷冻10min，之后放入冷冻干燥机进行干燥48h，得到氧化石墨烯泡沫块体；
4.利用功率为1W的激光笔快速还原氧化石墨烯泡沫块体，得到还原的氧化石墨烯泡沫块体；
5.使用激光器(扫描速率7000mm s-1、脉冲宽度8ms、电流0.08A、功率0.4W)对石墨烯泡沫块体进行加工处理得到高度H＝2mm、直径D＝500μm和间距S＝200μm的含有高度有序柱状结构的光热转换材料。
光热转换材料的表征：
将该光热转换材料进行形貌表征，发现其具有高度规整有序的柱状结构，并且柱状结构有相对光滑的表面。光热转换材料在太阳光全光谱范围(250～2500nm)的吸收率为99.2％，对太阳光具有很好的吸收；低的热导率(0.32W m-1K-1)，能够减少能量损失；很好的亲水性，有利于水的快速传输；增大的蒸发面积和有利于水蒸汽扩散的柱状结构之间的间隙，可以实现高速率太阳能水蒸汽产生，在1kW m-2太阳光强度下，太阳能水蒸发速率为1.90kg m-2h-1，可以高效的用于太阳能水清洁。将光热转换材料应用于含有高分子染料结晶紫的水溶液太阳能水清洁处理，净化之后溶液在紫外-可见光区域吸光度明显降低到接近于0(具体参照图10，其中原始表示净化之前的含有高分子染料结晶紫的水溶液)，有机高分子染料结晶紫去除前后溶液的浓度分别为5mg L-1和0.005mg L-1，去除率高达99.9％。
实施例4
光热转换材料的制备：
1.利用改进的Hummers法制备浓度为6mg mL-1氧化石墨烯溶液；
2.在转速为3000r min-1机械搅拌的情况下将乙醇和制备的6mg mL-1氧化石墨烯溶液以体积比为1:30均匀混合；
3.将混合溶液倒入模具后放入液氮中快速冷冻10min，之后放入冷冻干燥机进行干燥24h，得到氧化石墨烯泡沫块体；
4.利用功率为4W的激光笔快速还原氧化石墨烯泡沫块体，得到还原的氧化石墨烯泡沫块体；
5.使用激光器(扫描速率8000mm s-1、脉冲宽度9ms、电流0.1A、功率2W)对石墨烯泡沫块体进行加工处理得到高度H＝2mm、直径D＝600μm和间距S＝300μm的含有高度有序柱状结构的光热转换材料。
光热转换材料的表征：
将该光热转换材料进行形貌表征，发现其具有高度规整有序的柱状结构，并且柱状结构有相对光滑的表面。光热转换材料在太阳光全光谱范围(250～2500nm)的吸收率为99％，对太阳光具有很好的吸收；低的热导率(0.30W m-1K-1)，能够减少能量损失；很好的亲水性，有利于水的快速传输；增大的蒸发面积和有利于水蒸汽扩散的柱状结构之间的间隙，可以实现高速率太阳能水蒸汽产生，在1kW m-2太阳光强度下，太阳能水蒸发速率为1.88kgm-2h-1，可以高效的用于太阳能水清洁。将光热转换材料应用于含有高分子染料亚甲基蓝的水溶液太阳能水清洁处理，净化之后溶液在紫外-可见光区域吸光度明显降低到接近于0(具体参照图11其中原始表示净化之前的含有高分子染料亚甲基蓝的水溶液)，有机高分子染料亚甲基蓝去除前后溶液的浓度分别为5mg L-1和0.1mg L-1，去除率高达99.8％。
实施例5
光热转换材料的制备：
1.利用改进的Hummers法制备浓度为8mg mL-1氧化石墨烯溶液；
2.在转速为3000r min-1机械搅拌的情况下将乙醇和制备的8mg mL-1氧化石墨烯溶液以体积比为1:30均匀混合；
3.将混合溶液倒入模具后放入液氮中快速冷冻10min，之后放入冷冻干燥机进行干燥36h，得到氧化石墨烯泡沫块体；
4.利用功率为3W的激光笔快速还原氧化石墨烯泡沫块体，得到还原的氧化石墨烯泡沫块体；
5.使用激光器(扫描速率6000mm s-1、脉冲宽度8ms、电流0.02A、功率1W)对石墨烯泡沫块体进行加工处理得到高度H＝2mm、直径D＝400μm和间距S＝300μm的含有高度有序柱状结构的光热转换材料。
光热转换材料的表征：
将该光热转换材料进行形貌表征，发现其具有高度规整有序的柱状结构，并且柱状结构有相对光滑的表面。光热转换材料在太阳光全光谱范围(250～2500nm)的吸收率为98.7％，对太阳光具有很好的吸收；低的热导率(0.18W m-1K-1)，能够减少能量损失；很好的亲水性，有利于水的快速传输；增大的蒸发面积和有利于水蒸汽扩散的柱状结构之间的间隙，可以实现高速率太阳能水蒸汽产生，在1kW m-2太阳光强度下，太阳能水蒸发速率为1.92kg m-2h-1，产生的水蒸汽温度在8min内可以快速的上升到38.5℃(具体参照图12)。基于具有很好太阳能光热转换效率的光热转换材料设计的太阳能热水器系统(具体参照图13)可以有效地加热水。在1kW m-2太阳光强度，4h后可以将30kg水从20℃加热到48℃(具体参照图14，其中上液面温度是指太阳能热水器水箱上侧的液面的温度，下液面温度是指太阳能热水器水箱下侧的液面的温度)，从而生产家用热水。
实施例6
光热转换材料的制备：
1.利用改进的Hummers法制备浓度为12mg mL-1氧化石墨烯溶液；
2.在转速为3000r min-1机械搅拌的情况下将乙醇和制备的12mg mL-1氧化石墨烯溶液以体积比为1:10均匀混合；
3.将混合溶液倒入模具后放入液氮中快速冷冻10min，之后放入冷冻干燥机进行干燥48h，得到氧化石墨烯泡沫块体；
4.利用功率为0.5W的激光笔快速还原氧化石墨烯泡沫块体，得到还原的氧化石墨烯泡沫块体；
5.使用激光器(扫描速率8000mm s-1、脉冲宽度9ms、电流0.05A、功率2W)对石墨烯泡沫进行加工处理得到高度H＝2mm、直径D＝800μm和间距S＝400μm的含有高度有序柱状结构的光热转换材料。
光热转换材料的表征：
将该光热转换材料进行形貌表征，发现其具有高度规整有序的柱状结构，并且柱状结构有相对光滑的表面。光热转换材料在太阳光全光谱范围(250～2500nm)的吸收率为99.1％，对太阳光具有很好的吸收；低的热导率(0.31W m-1K-1)，能够减少能量损失；很好的亲水性，有利于水的快速传输；增大的蒸发面积和有利于水蒸汽扩散的柱状结构之间的间隙，可以实现高速率太阳能水蒸汽产生。在1kW m-2太阳光强度下，太阳能水蒸发速率为1.93kg m-2h-1。将制备的光热转换材料应用于搭建的可自供给清洁水的生态房系统(具体参照图15)，实现对生活污水的再处理循环利用。净化之后的水收集之后可以再次用于家用洗衣、洗澡和植物种植等水的供给。
实施例7
光热转换材料的制备：
光热转换材料的制备方法同实施例1，区别在于激光器的扫描速率2000mm s-1、脉冲宽度为7ms、电流为0.5A、功率为4W。
光热转换材料的表征：
从上表面的SEM图(具体参照图16)和截面的SEM图(具体参照图17)可以看出，随着激光强度的增加，加工之后的得到的光热转换材料结构无序，且柱状结构的阵列结构不明显。由于较高能量的激光器对石墨烯泡沫块体进行加工时能量太强使石墨烯泡沫烧灼，柱状阵列结构遭到破坏，导致可利用的有效三维蒸发面积和水蒸汽扩散空间减小，热导率为0.75W m-1K-1。在1kW m-2太阳光强度下，太阳能水蒸发速率为1.63kg m-2h-1。
对比例1
光热转换材料的制备：
1.利用改进的Hummers法制备浓度为5mg mL-1氧化石墨烯溶液；
2.在转速为3000r min-1机械搅拌的情况下将乙醇和制备的5mg mL-1氧化石墨烯溶液以体积比为1:30均匀混合；
3.将混合溶液倒入模具后放入液氮中快速冷冻10min，之后放入冷冻干燥机进行干燥36h，得到氧化石墨烯泡沫块体；
4.利用功率为5W的激光笔快速还原氧化石墨烯泡沫块体，得到还原的氧化石墨烯泡沫块体。
光热转换材料的表征：
通过SEM表征可以看出，其表面没有可利用的增加的三维蒸发面积和水蒸汽扩散层(具体参照图18)。石墨烯泡沫块体的热导率为1.2W m-1K-1，在1kW m-2太阳光强度下，太阳能水蒸发速率为1.57kg m-2h-1，其水蒸发产量远远低于含有柱状结构的光热转换材料。
以上实验结果表明，本申请的光热转换材料的各项性能均优于不采用激光器对石墨烯块体进行加工或者采用激光器参数在参数范围(如扫描速率6000～8000mm s-1、脉冲宽度8～10ms、电流0.02～0.1A、功率小于等于3W)之外的产品，而且利用激光器进行处理得到的产品，无论激光器参数范围在上述范围之内还是范围之外，其性能均优于未进行激光器处理得到的产品。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种光热转换材料，其特征在于，包括：
基体；
多个柱状结构，所述多个柱状结构间隔设置在所述基体的至少一个表面，
其中，形成所述基体与所述多个柱状结构的材料包括石墨烯泡沫，
所述柱状结构的高度为0.5～3毫米，水平方向的尺寸为200～800微米，相邻两个所述柱状结构之间的间距为100～800微米。
2.一种权利要求1所述的光热转换材料在海水淡化、污水处理、制备太阳能热水器或者制备生态房系统中的用途。
3.一种制备权利要求1所述的光热转换材料的方法，其特征在于，包括：
提供石墨烯泡沫块体；
对所述石墨烯泡沫块体进行加工以便得到所述光热转换材料。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述石墨烯泡沫块体是通过以下步骤制备的：
制备氧化石墨烯溶液；
将所述氧化石墨烯溶液与乙醇混合，并将所得到的混合溶液进行冷冻干燥，以便得到氧化石墨烯泡沫块体；
对所述氧化石墨烯泡沫块体进行还原处理，以得到所述石墨烯泡沫块体，
任选的，所述氧化石墨烯溶液的浓度为4～12mg mL-1，
任选的，所述乙醇和氧化石墨烯溶液的体积比为1：(10～30)，
任选的，所述冷冻干燥步骤中利用液氮将所述混合溶液冷冻，
任选的，所述还原处理为激光还原处理，采用的激光强度为0.5～5W，还原时间为0.5～2s。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对所述石墨烯泡沫块体进行加工包括：
根据所述光热转换材料的预定形状，利用激光器对所述石墨烯泡沫块体进行激光处理。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述激光器的扫描速率为6000～8000mm s-1，脉冲宽度为8～10ms，电流为0.02～0.1A，功率小于等于3W。
7.一种用于海水淡化或污水处理的水处理设备，其特征在于，包括权利要求1所述的光热转换材料。
8.一种太阳能热水器，其特征在于，包括权利要求1所述的光热转换材料。
9.一种生态房系统，其特征在于，包括权利要求1所述的光热转换材料。
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