CN109232968A

CN109232968A - 一种三维海绵基光热转化材料的制备方法及其应用

Info

Publication number: CN109232968A
Application number: CN201810813594.6A
Authority: CN
Inventors: 苗蕾; 邓梓阳; 周建华; 刘朋飞; 王潇漾
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2018-07-23
Filing date: 2018-07-23
Publication date: 2019-01-18

Abstract

本发明公开了一种三维海绵基光热转化材料的制备方法，该材料将商业化碳素墨水中碳黑颗粒通过超声负载沉积在海绵骨架表面，制备方法简单、成本价格低廉、获得了一种光谱响应范围广、光热转换效率高、亲水性强的光热转化材料，易于大规模生产及广泛应用，丰富了现有光热材料的领域，填补了该技术领域的空白；同时，利用这种海绵基复合材料制成简单高效的蒸汽发生及污水处理装置，可满足边远地区或者贫困地区对于快速获得纯净水的要求，为太阳能光热利用提供一种新的应用方式。

Description

一种三维海绵基光热转化材料的制备方法及其应用

技术领域：

本发明涉及光热转化材料技术领域，具体涉及一种三维海绵基光热转化材料的制备方法及其应用。

背景技术：

近年来，科学家们提出了太阳能水蒸发的新型太阳能热利用技术，通过各种途径以提高太阳能水蒸发系统的光热转化效率：(1)利用具有优异的太阳光吸收能力及光热转化能力的光热转化材料；(2)通过材料结构设计，减少光热转化材料自身的漫反射；(3)通过设计系统的热管理，减少光热转化材料与环境间的热损失。经过科学家的不断努力，太阳能水蒸发系统的光热转化效率已接近二维光热材料的蒸汽产生速率的理论上限。最近，一些研究小组提出通过维持光热转化材料在较低温度，使其从具有较高温度的环境中获得能量，可得到接近100％的光热转化效率。虽然，目前在该领域中，光热转化效率方面得到很大的提升，但在实际的太阳能水蒸发应用中，在单位受光面积下，蒸汽产生速率比系统的光热转化效率具有更重要的意义。根据经典的液体蒸发理论，液体蒸发速率与液体的温度、环境的风速及液体的蒸发面积有关。然而，利用三维立体多面蒸发方法以加快液体蒸发的方法却鲜有报道。

常见的光热转化材料有四种，即贵金属纳米粒子、半导体纳米材料、导电有机材料和碳基材料。同时，研究人员提出了几种光热转化材料的先进制备方法，如3D打印、化学气相沉积、冷冻干燥、脉冲激光沉积等，然而由于这些方法昂贵且复杂，阻碍了其在实际应用中的使用。

发明内容：

本发明的目的是提供一种三维海绵基光热转化材料的制备方法及其应用，将商业化碳素墨水中碳黑颗粒通过超声负载沉积在海绵骨架表面，制备方法简单、成本价格低廉、获得了一种光谱响应范围广、光热转换效率高、亲水性强的光热转化材料，易于大规模生产及广泛应用，丰富了现有光热材料的领域，填补了该技术领域的空白；同时，利用这种海绵基复合材料制成简单高效的蒸汽发生及污水处理装置，可满足边远地区或者贫困地区对于快速获得纯净水的要求，为太阳能光热利用提供一种新的应用方式。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种三维海绵基光热转化材料的制备方法，该材料以海绵为载体，添加物为碳素墨水中的碳黑颗粒，该材料的制备方法包括以下步骤：

1)将海绵放进碳素墨水中，然后进行超声沉积3–5min得到负载了碳黑颗粒的海绵；超声功率为60％–100％；

2)步骤1)得到的负载了碳黑颗粒的海绵60–80℃真空烘干得到烘干后的材料；

3)步骤2)得到的烘干后的材料，放进去离子水中，利用镊子对其进行挤压，除去过量的碳黑颗粒；然后放进去离子水中进行超声脱除1–2min，超声功率为60％–100％，再次60–80℃真空烘干，得到目标三维海绵基光热转化材料。

本发明还保护所述三维海绵基光热转化材料的应用，用于太阳能光热蒸汽转化，用于污水处理、海水淡化。

所述三维海绵基光热转化材料的应用，用于太阳能光热蒸汽转化，包括以下步骤：所述三维海绵基光热转化材料，放置于基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置中进行太阳能光热蒸汽转化；所述基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置由下而上包括盛水容器和固定在盛水容器上方的泡沫隔热层，泡沫隔热层内部挖有一上下贯通的孔洞，泡沫隔热层上方为光热转化材料层；此外，还包括输水通道，所述输水通道下端浸没在盛水容器液面以下且输水通道上端贯穿泡沫隔热层连通光热转化材料层，为光热转化材料层提供水分；盛水容器中盛有蒸馏水；所述光热转化材料层的光热转化材料为本发明三维海绵基光热转化材料。

所述三维海绵基光热转化材料的应用，用于污水处理，包括以下步骤：所述三维海绵基光热转化材料，放置于基于表面局域光热转换的蒸发-冷凝装置系统中进行污水处理，该基于表面局域光热转换的蒸发-冷凝装置系统由内而外包括盛水容器、倒扣在盛水容器上方的冷凝罩和承载着盛水容器与冷凝罩的收集容器，所述盛水容器中盛有污水，放有光热转化材料层；所述光热转化材料层的光热转化材料为本发明三维海绵基光热转化材料。

本发明的有益效果如下：

1)本发明成本低，操作简单，绿色环保，可大规模制备。

2)本发明获得的三维海绵基光热转化材料，其三维立体且内部具有多孔结构，可以有效地增加单位受光面积下的液体蒸发量。

3)本发明获得的三维海绵基光热转化材料，由于墨水颗粒的沉积附着，使得其在250～2500nm范围内对太阳光的吸收率达96.5％。

4)本发明获得的三维海绵基光热转化材料，由于其骨架表面具有羟基作为亲水官能团，使得有益于液体输运。

5)本发明获得的三维海绵基光热转化材料，在1kW m^-2的光照强度下，一层样品的蒸汽产生速率为1.69kg m^-2h^-1，可用于混合有机染料、混合无机-有机溶液及生活废水的处理。

总之，本发明成本低，操作简单，绿色环保，获得的三维海绵基光热转化材料，由于其三维立体且内部具有多孔结构，可以有效地增加单位受光面积下的液体蒸发量。其骨架表面具有羟基作为亲水官能团，有益于液体传输，同时，在250～2500nm范围内太阳光的吸收率达96.5％。在1kW m^-2的光照强度下，一层样品的蒸汽产生速率为1.69kg m^-2h^-1。同时，可用于混合有机染料、混合无机-有机溶液及生活废水的处理，在产生纯水的同时，实现低碳环保。

附图说明：

图1是实施例1得到的三维聚乙烯醇海绵基光热转化材料的微观结构扫描电子显微图；

图2是实施例1得到的三维聚乙烯醇海绵基光热转化材料的紫外-可见光-近红外吸收光谱图；

图3是实施例2基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置的结构示意图；

其中1、盛水容器，2、泡沫隔热层，3、光热转化材料层；

图4是实施例2得到的不同层数的三维聚乙烯醇海绵基光热转化材料的蒸汽产生速率-时间关系图；

图5是实施例3的污水处理实验装置正视图；

其中，1、盛水容器，2、冷凝罩，3、收集容器，4、光热转化材料层；

图6是实施例3实验条件1中冷凝液的紫外-可见光吸收光谱图；

图7是实施例3实验条件3中肉汤与冷凝液的光学图与金相显微镜图；

(A)是肉汤的光学照片，(B)是是肉汤的金相显微镜图，(C)是冷凝液的光学照片，(D)是冷凝液的金相显微镜图。

具体实施方式：

以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

实施例1：一种三维海绵基光热转化材料的制备方法

该材料以聚乙烯醇海绵为载体，添加物为碳素墨水中的碳黑颗粒，包括以下步骤：

1)将20×20×10mm³的聚乙烯醇海绵放置在50mL黑色碳素墨水溶液里面，然后放置在超声清洗机中，在功率为60％超声作用下，超声5min，超声一次，将碳素墨水中碳黑颗粒沉积在聚乙烯醇海绵骨架上；

2)将步骤1)获得的负载有碳黑纳米颗粒的三维聚乙烯醇海绵在80℃进行真空干燥，使得碳黑纳米颗粒牢固地附着在聚乙烯醇海绵骨架表面，得到烘干后的材料；

3)将步骤2)得到的烘干后的材料放进烧杯中，加入50mL去离子水，用镊子对其进行挤压，重复多次，直至去离子水颜色无任何变化；然后放进烧杯中，加入50mL去离子水，在功率为70％超声作用下，超声2min，直至去离子水颜色无任何变化，将过量的碳黑纳米颗粒沉脱除；然后在80℃进行干燥得到三维聚乙烯醇海绵基光热转化材料，具有三维结构且内部为开孔结构，可以看到墨水颗粒附着在聚乙烯醇海绵的骨架上(扫描电子显微图如图1所示)。该材料对250-2500nm范围内太阳光的吸收率为96.5％(如图2所示)，同时，样品具有较好的亲水性：在9cm²的培养皿中加入一定量的红色墨水，将2×2×2cm³三维聚乙烯醇海绵基光热转化材料放置于上述培养皿中，在其顶部放置一张2.5×2.5cm²无尘纸。将仅需10s，红色墨水便可以将无尘纸染色变红。

实施例2：蒸汽产生实验

本发明实施例1所述三维聚乙烯醇海绵基光热转化材料，在下列所述的实验条件下，光照一定时间后，可以产生一定的蒸汽。

如图3所示，该基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置由下而上包括盛水容器1和固定在盛水容器上方的泡沫隔热层2，泡沫隔热层2内部挖有一上下贯通的孔洞，泡沫隔热层2上方为光热转化材料层3，此外还包括输水通道，所述输水通道下端浸没在盛水容器1液面以下且输水通道上端贯穿泡沫隔热层2连通光热转化材料层3，为光热转化材料层3提供水分；盛水容器1中盛有蒸馏水；所述光热转化材料层3的光热转化材料为三维聚乙烯醇海绵基光热转化材料。所述的泡沫隔热层2的材料为6×6×4cm³聚苯乙烯泡沫。所述的输水通道为1×1×6cm³条形聚乙烯醇海绵。

具体实验条件如下：

实验条件1：模拟太阳光的光照强度为1kW m^-2，待蒸发液体为50mL去离子水，光照时间为60min，光热转化材料层层数为一层。置于自制的光热转化实验装置上(如图3所示)。

实验条件2：模拟太阳光的光照强度为1kW m^-2，待蒸发液体为50mL去离子水，光照时间为60min，光热转化材料层层数为两层。置于自制的光热转化实验装置上(如图3)。

实验条件3：模拟太阳光的光照强度为1kW m^-2，待蒸发液体为50mL去离子水，光照时间为60min，光热转化材料层层数为三层。置于自制的光热转化实验装置上(如图3)。

太阳能水蒸发实验条件及蒸汽产生速率结果见表1：

表1

光热转化材料层层数	光照强度(kW m<sup>-2</sup>)	蒸汽产生速率(kgm<sup>-2</sup>h<sup>-1</sup>)
			一层	1	1.69
两层	1	1.97
			三层	1	2.15

不同层数的三维聚乙烯醇海绵基光热转化材料的蒸汽产生速率-时间关系图如图4所示。

实施例3：污水处理实验

实施例1所述三维聚乙烯醇海绵基光热转化材料，在下列所述的实验条件下，在光照一定时间后，可以产生一定的蒸汽，并将其冷凝后收集。

如图5所示，该基于表面局域光热转换的蒸发-冷凝装置系统由内而外包括盛水容器1、倒扣在盛水容器上方的冷凝罩2和承载着盛水容器与冷凝罩的的收集容器3，所述盛水容器为直径6cm培养皿，盛有污水，放有光热转化材料层4，所述冷凝罩为倒扣在培养皿上方的直径为9cm烧杯，承载着盛水容器与冷凝罩的收集容器为直径为10cm培养皿；所述光热转化材料层的光热转化材料为三维聚乙烯醇海绵基光热转化材料。

具体实验条件如下：

实验条件1：模拟太阳光的光照强度为5kW m^-2，待蒸发液体为30mL的浓度为50mgL^-1的均匀混合有机染料，光照时间为360min，光热转化材料样品层数为一层。置于自制的蒸发-冷凝实验装置(如图5)内。利用紫外-可见光分光光度计对冷凝液进行分析，结果如图6所示。

实验条件2：模拟太阳光的光照强度为5kW m^-2，待蒸发液体为30mL的由浓度为5gL^-1的铜离子溶液及50mg L^-1的亚甲基蓝溶液所组成的混合无机-有机溶液，光照时间为360min，样品层数为一层。置于自制的蒸发-冷凝实验装置内。利用紫外-可见光分光光度计和电感耦合等离子体对冷凝液中铜离子浓度进行分析。结果如表2所示。

表2混合无机-有机溶液冷凝液中铜离子浓度

污染物	冷凝液中浓度(mgL<sup>-1</sup>)
		铜离子	0.059

实验条件3：模拟太阳光的光照强度为5kW m^-2，待蒸发液体为30mL的一定浓度的肉汤，光照时间为360min，样品层数为一层。置于自制的蒸发-冷凝实验装置内。利用金相显微镜对冷凝液进行分析，结果如图7所示。

以上实验得知本发明可用于混合有机染料、混合无机-有机溶液及生活废水的处理，冷凝水中不含污染物。

Claims

1.一种三维海绵基光热转化材料的制备方法，其特征在于，该材料以海绵为载体，添加物为碳素墨水中的碳黑颗粒，该材料的制备方法包括以下步骤：

2.权利要求1所述三维海绵基光热转化材料的应用，其特征在于，用于太阳能光热蒸汽转化，用于污水处理、海水淡化。

3.根据权利要求2所述三维海绵基光热转化材料的应用，其特征在于，用于太阳能光热蒸汽转化，包括以下步骤：所述三维海绵基光热转化材料，放置于基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置中进行太阳能光热蒸汽转化；所述基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置由下而上包括盛水容器和固定在盛水容器上方的泡沫隔热层，泡沫隔热层内部挖有一上下贯通的孔洞，泡沫隔热层上方为光热转化材料层；此外，还包括输水通道，所述输水通道下端浸没在盛水容器液面以下且输水通道上端贯穿泡沫隔热层连通光热转化材料层，为光热转化材料层提供水分；盛水容器中盛有蒸馏水；所述光热转化材料层的光热转化材料为权利要求1得到的三维海绵基光热转化材料。

4.根据权利要求2所述三维海绵基光热转化材料的应用，其特征在于，用于污水处理，包括以下步骤：所述三维海绵基光热转化材料，放置于基于表面局域光热转换的蒸发-冷凝装置系统中进行污水处理，该基于表面局域光热转换的蒸发-冷凝装置系统由内而外包括盛水容器、倒扣在盛水容器上方的冷凝罩和承载着盛水容器与冷凝罩的收集容器，所述盛水容器中盛有污水，放有光热转化材料层；所述光热转化材料层的光热转化材料为权利要求1得到的三维海绵基光热转化材料。