CN109092248A - 一种生物碳材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种生物碳材料及其制备方法与应用，其中，所述制备方法包括步骤：将胡萝卜切成胡萝卜圆片；将所述胡萝卜片圆片浸泡在溶剂中，并对浸泡后的胡萝卜圆片进行烘干处理；将烘干后的胡萝卜片放入管式炉中，在氩气氛围下，对所述胡萝卜片进行裂解处理，制得生物碳材料。本发明提供的生物碳材料制备方法成本低廉、技术简单可实现大规模生产，且制得的生物碳材料具有较高的光吸收能力、水输送能力、光热转换效率，将所述生物材料应用于光热海水淡化处理中，可有效提升海水淡化效率。

Description

一种生物碳材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及海水淡化材料领域，尤其涉及一种生物碳材料及其制备方法与应用。
背景技术
水是人们生活的必须之物，然而现在的水却早已附带有细菌、真菌、重金属、致命物质等的标签，并且还会随着时间的推移产生更多的问题。目前而言，全世界有约40%的人面临淡水不足问题，约3亿人生活在极度缺水状态中。到2025年，全世界将有35亿人口缺水，涉及的国家和地区区超过40个。目前传统的海水淡化法，如多效蒸馏、渗透膜、多级闪蒸等，都存在体积庞大、耗能高、碳排放量大、淡化效率低等问题（海水淡化成本：5元/吨）。利用太阳能光蒸馏的海水淡化技术低碳环保，但多年来一直受限于较低的光热转换效率与相对高的成本而无法大规模应用。界面光热海水淡化技术作为一种新型光热转化机制, 借助微纳结构材料设计及光学、热学有效调控, 将太阳能充分吸收并将能量转化局域到气-液界面,从而使得光-蒸汽能量转化效率有效提高, 并因此被认为是一种极具前景的高效太阳能光热转化途径。然而，目前开发的光热海水淡化材料，存在吸收体材料（以贵金属为主）价格昂贵，器件制备过程复杂、无法一体化等缺陷，无法实现此项技术的大规模应用。因此高效率、低成本的光热海水淡化材料的研发备受关注。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种生物碳材料及其制备方法与应用，旨在解决现有光热海水淡化材料制备复杂、成本高，以及光热转换效率低的问题。
本发明的技术方案如下：
一种生物碳材料的制备方法，其中，包括步骤：
将胡萝卜切成厚度为0.8-1.2cm的胡萝卜圆片；
将所述胡萝卜片圆片浸泡在溶剂中，并对浸泡后的胡萝卜圆片进行烘干处理；
将烘干后的胡萝卜片放入管式炉中，在氩气氛围下，对所述胡萝卜片进行裂解处理，制得生物碳材料。
所述生物碳材料的制备方法，其中，所述溶剂为无水乙醇。
所述生物碳材料的制备方法，其中，将所述胡萝卜圆片浸泡在溶剂中的时间为1-3天。
所述生物碳材料的制备方法，其中，烘干处理的温度为50-70℃，烘干处理的时间为10-15h。
所述生物碳材料的制备方法，其中，所述裂解处理的温度为500-600℃，裂解处理的时间为0.5-1h。
所述生物碳材料的制备方法，其中，对所述胡萝卜片进行裂解处理的步骤中，达到裂解温度的升温速率为5-10℃/min。
一种生物碳材料，其中，采用所述生物碳材料的制备方法制备而成。
一种生物碳材料的应用，其中，将所述的生物碳材料应用于光热海水淡化处理。
有益效果：本发明提供一种生物碳材料的制备方法，通过对厚度为0.8-1.2cm的胡萝卜圆片依次经过浸泡、烘干以及裂解处理制得生物碳材料。本发明提供的生物碳材料制备方法成本低廉、技术简单可实现大规模生产，且制得的生物碳材料具有较高的光吸收能力、水输送能力、光热转换效率，将所述生物材料应用于光热海水淡化处理中，可有效提升海水淡化效率。
附图说明
图1为本发明一种生物碳材料的制备方法较佳实施例的流程图。
图2为本发明生物碳材料的扫描电子显微镜图。
图3为本发明生物碳材料的光热转换效率与海水蒸发效率图。
图4为采用本发明生物碳材料光热淡化处理海水前后，水中主要金属离子浓度对比示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种生物碳材料及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
界面光热海水淡化技术作为一种新型光热转化机制, 借助微纳结构材料设计及光学、热学有效调控, 将太阳能充分吸收并将能量转化局域到气-液界面, 从而使得光-蒸汽能量转化效率有效提高, 并因此被认为是一种极具前景的高效太阳能光热转化途径。然而，目前开发的光热海水淡化材料，存在吸收体材料（以贵金属为主）价格昂贵，器件制备过程复杂、无法一体化等缺陷，无法实现此项技术的大规模应用。
基于现有技术存在的问题，本发明具体实施方式提供一种生物碳材料的制备方法，如图1所示，其包括步骤：
S10、将胡萝卜切成厚度为0.8-1.2cm的胡萝卜圆片；
S20、将所述胡萝卜片圆片浸泡在溶剂中，并对浸泡后的胡萝卜圆片进行烘干处理；
S30、将烘干后的胡萝卜片放入管式炉中，在氩气氛围下，对所述胡萝卜片进行裂解处理，制得生物碳材料。
本实施方式以资源丰富、价格低廉的胡萝卜作为原材料，通过对厚度为0.8-1.2cm的胡萝卜圆片依次经过浸泡、烘干以及裂解处理制得生物碳材料。本发明提供的生物碳材料制备方法成本低廉、技术简单可实现大规模生产。
采用本发明实施方式制备的生物碳材料具有以下特点，其一，所述生物碳材料具有很好的自漂浮能力，即不用任何疏水基团修饰就能够漂浮在水面上；其二，所述生物碳材料具有较高光吸收率，即对太阳能的利用率较高；其三，如图2所示，本实施方式制得的生物碳材料自身具有完整的孔道结构，使得所述生物碳材料具有较强的毛细传输能力。
本发明还提供一种生物碳材料的应用，将本发明制备的生物碳材料应用于光热海水淡化处理。具体地，将所述生物碳材料作为光热海水淡化材料，所述生物碳材料可通过其自身毛细传输能力将海水输送到气-固界面（生物碳材料与太阳光接触面），同时所述生物碳材料还具有较高的光吸收率，可将太阳能充分吸收并将能量转移到所述气-固-液界面，从而实现对海水进行高效淡化处理。
在一种优选的实施方式中，由于所述胡萝卜自身孔道结构对水的毛细传输能力有限，为使得海水能够通过胡萝卜圆片的毛细传输能力传输到其表面，本实施方式优选沿胡萝卜生长方向将所述胡萝卜切成厚度为0.8-1.2cm的胡萝卜圆片，在该厚度范围内，所述胡萝卜圆片能够将其底部接触的海水通过自身毛细现象将海水输送到其表面，从而便于对海水进行高效、持续的淡化处理。更优选的，将所述胡萝卜片切成厚度为1cm的胡萝卜圆片。
在一种优选的实施方式中，将所述胡萝卜圆片浸泡在无水乙醇中，其目的是为了去除胡萝卜圆片中的胡萝卜素，防止胡萝卜素在后期裂解处理过程中转化为生物油，导致阻塞胡萝卜圆片中的孔道结构，从而影响其海水毛细输送能力。优选的，为充分去除胡萝卜圆片中的胡萝卜素，将所述胡萝卜圆片浸泡在无水乙醇中1-3天。更优选的，将所述胡萝卜圆片浸泡在无水乙醇中2天。
在一种优选的实施方式中，在50-70℃的条件下对浸泡后的胡萝卜圆片进行烘干处理10-15h。对所述胡萝卜圆片进行烘干处理的目的在于防止后期高温裂解处理过程中，胡萝卜圆片内大量水分的存在会因蒸发速度过快而摧毁其毛细孔道结构，从而影响胡萝卜圆片的海水毛细输送能力。更优选的，在50℃的条件下对浸泡后的胡萝卜圆片进行烘干处理12h。
在一种优选的实施方式中，将烘干后的胡萝卜圆片放到管式炉中，在氩气氛围下，以5-10℃/min的速率升温至500-600℃，保温时间为0.5-1h，带自然降温到室温后，即制得所述生物碳材料。在该条件下，所述胡萝卜圆片快速高效裂解，生成所述生物碳材料。更优选的，所述胡萝卜圆片在管式炉中，通入氩气保护，以10℃/min的速率升温至550℃，保温30分钟后，自然降温到室温后，制得生物碳材料。
下面通过具体实施例对本发明一种生物碳材料的制备方法以及对本发明制备的生物碳材料性能测试做进一步的解释说明：
实施例1
一种生物碳材料的制备方法，其包括以下步骤：
1）、将胡萝卜切成厚度为1cm的胡萝卜圆片；
2）将所述胡萝卜片圆片浸泡在无水乙醇中2天，并对浸泡后的胡萝卜圆片进行烘干处理，烘干温度为50℃，时间为12小时；
3）、将烘干后的胡萝卜片放入管式炉中，在氩气氛围下，对所述胡萝卜片进行裂解处理，以10℃/min的速率升温至550℃，保温30分钟后，自然降温到室温后，制得生物碳材料。
对实施例1制得的生物碳材料进行性能测试，方法如下：
将实施例1制得的生物碳材料放入到盛有一定量海水的烧杯中，模拟太阳光条件对所述生物碳材料进行照射。
1）、利用红外热成像仪观测生物碳材料界面的温度变化，测得的结果为：在光照30-3600s时间范围内，所述生物碳材料界面的温度从25.1℃逐渐上升到50.2℃，说明所述生物碳材料能够有效吸收太阳光并转化为热能。
2）、利用电子天平，连接电脑，实时监测海水质量随着时间的变化，并利用公式计算其光热转换效率，以及水蒸发率，结果如图3所示，所述生物碳材料的光热转换效率约128%，水蒸发率2.04 千克/（平方米·小时），其海水光热转换效率远高于现有技术。
3）、通过实验室自制装置收集所述生物碳材料蒸发后的海水，并对其金属离子含量进行测试，初判其是否达到饮用水标准，结果如图4所示，经过生物碳材料光热海水淡化处理后的水中金属离子（钠离子、镁离子、钾离子、钙离子、以及镍离子等）含量大大降低，满足饮用水标准。
实施例2
一种生物碳材料的制备方法，其包括以下步骤：
1）、将胡萝卜切成厚度为0.8cm的胡萝卜圆片；
2）将所述胡萝卜片圆片浸泡在无水乙醇中1天，并对浸泡后的胡萝卜圆片进行烘干处理，烘干温度为50℃，时间为10小时；
3）、将烘干后的胡萝卜片放入管式炉中，在氩气氛围下，对所述胡萝卜片进行裂解处理，以5℃/min的速率升温至500℃，保温30分钟后，自然降温到室温后，制得生物碳材料。
对所述实施例2制备得到的生物碳材料进行性能测试，测得其光热转换效率约为110%，水蒸发率1.89 千克/（平方米·小时），其海水光热转换效率远高于现有技术。
实施例3
一种生物碳材料的制备方法，其包括以下步骤：
1）、将胡萝卜切成厚度为1.2cm的胡萝卜圆片；
2）将所述胡萝卜片圆片浸泡在无水乙醇3天，并对浸泡后的胡萝卜圆片进行烘干处理，烘干温度为70℃，时间为15小时；
3）、将烘干后的胡萝卜片放入管式炉中，在氩气氛围下，对所述胡萝卜片进行裂解处理，以10℃/min的速率升温至600℃，保温60分钟后，自然降温到室温后，制得生物碳材料。
对所述实施例3制备得到的生物碳材料进行性能测试，测得其光热转换效率约为132%，水蒸发率2.41 千克/（平方米·小时），其海水光热转换效率远高于现有技术。
综上所述，本发明提供一种生物碳材料的制备方法，通过对胡萝卜圆片依次经过浸泡、烘干以及裂解处理制得生物碳材料。本发明提供的生物碳材料制备方法成本低廉、技术简单可实现大规模生产，且制得的生物碳材料具有较高的光吸收能力、水输送能力、光热转换效率，将所述生物材料应用于光热海水淡化处理中，可有效提升海水淡化效率。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种生物碳材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：
将胡萝卜切成厚度为0.8-1.2cm的胡萝卜圆片；
将所述胡萝卜片圆片浸泡在溶剂中，并对浸泡后的胡萝卜圆片进行烘干处理；
将烘干后的胡萝卜片放入管式炉中，在氩气氛围下，对所述胡萝卜片进行裂解处理，制得生物碳材料。
2.根据权利要求1所述生物碳材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂为无水乙醇。
3.根据权利要求2所述生物碳材料的制备方法，其特征在于，将所述胡萝卜圆片浸泡在溶剂中的时间为1-3天。
4.根据权利要求1所述生物碳材料的制备方法，其特征在于，烘干处理的温度为50-70℃，烘干处理的时间为10-15h。
5.根据权利要求1所述生物碳材料的制备方法，其特征在于，所述裂解处理的温度为500-600℃，裂解处理的时间为0.5-1h。
6.根据权利要求5所述生物碳材料的制备方法，其特征在于，对所述胡萝卜片进行裂解处理的步骤中，达到裂解温度的升温速率为5-10℃/min。
7.一种生物碳材料，其特征在于，采用权利要求1-6任一所述生物碳材料的制备方法制备而成。
8.一种生物碳材料的应用，其特征在于，将权利要求7所述的生物碳材料应用于光热海水淡化处理。
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