CN109485115A - 一种基于玉米芯整体炭材料太阳能光热净化水的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于玉米芯整体炭材料太阳能光热净化水的方法，属于太阳能光热转化、海水淡化以及新材料领域。其原理是利用玉米芯的天然结构特征，对玉米芯在一定温度下进行碳化，不做粉化处理，制备整体型玉米芯基炭材料，并将其用于太阳能光热水蒸发；玉米芯整体炭材料一部分垂直浸泡于需要净化的水中，一部分垂直裸露于空气中，在太阳光照射下实现水蒸发制备洁净水。适用于净化的水包括海水、苦咸水、高氟水、工业污水和生活污水等。本方法利用农产品废弃物以及可再生洁净能源太阳能实现了洁净淡水的制备，方法简单可行高效，低碳绿色无污染，提供了一种净化水的方法。

Description

一种基于玉米芯整体炭材料太阳能光热净化水的方法

技术领域

本发明涉及一种基于玉米芯整体炭材料太阳能光热净化水的方法，属于太阳能光热转化、海水淡化以及新材料领域。

背景技术

随着社会的发展，人类工业化水平和生活水平不断提高，水资源成为制约人类发展的关键因素之一。世界范围内干旱和水体污染不断加重，淡水资源的严重匮乏直接威胁着人类的生存环境和身体健康。我国偏远地区数千万居民的居住地水质不达标，深受苦咸水、高氟水等之害，由此而导致身体健康的恶化，因此，亟需改善饮用水的质量。海水淡化、污水净化是解决当前水资源危机的主要途径。目前，海水淡化技术主要有多级闪蒸、多效蒸发和反渗透法，等等，以上技术存在能耗过高和组件昂贵等问题，直接限制了海水淡化技术的广泛推广使用。发展高效廉价的海水淡化和污水净化技术，为人类提供高质量和廉价的饮用水面临着巨大挑战。太阳能是一种取之不尽用之不竭的洁净可再生能源。在化石资源日趋枯竭和环境污染日益严重的今天，大力发展太阳能利用意义重大。现代的太阳能利用技术主要包括光电转化、光热转化等。其中光热转化由于能量转化效率高、易于实现等优点得到了广泛关注和发展。实现太阳能高效利用的关键在于开发新型结构和组成的材料，特别是材料必须易于实现廉价的大规模生产。

近年来，由于不消耗化石能源和得到的水纯度高等优点，太阳能光热转化水蒸发净化技术得到了研究者的广泛关注。最近的研究主要是面向提高太阳能光热转化效率而设计材料，包括提高材料对于太阳能的吸收能力，加热的区域控制、水的供给以及蒸发传输控制，存在材料的制备工艺复杂、造价昂贵等缺点，至今仍然没有提出合理科学的解决方案。炭材料作为黑体材料，对于太阳光的波段吸收范围广。而生物质炭材料能够继承天然材料的结构特征，具有独特的水传输供给和水蒸汽逃逸通道，可以实现水和热的有效管理，同时材料来源丰富廉价，有可能成为太阳能驱动水蒸发制备洁净水的理想材料。

发明内容

本发明针对以上问题，设计了玉米芯基整体炭材料，其含义是不对玉米芯进行粉化处理，只进行切段裁剪等简单处理，充分保持并发展了材料的天然结构特征。不仅能够实现太阳能高效吸收和热转化，同时实现了热、水和水蒸汽的合理传输，利用了环境能量的增益效应，因此实现了水高效蒸发，制备得到了洁净水。玉米芯作为大宗农产品玉米生产的废弃物，每年在中国的产量就高达数千万吨，目前主要用于燃烧，高附加值利用比例较低，合理利用玉米芯资源，变费为宝，对于资源的有效利用和提高农民收入均具有重要的现实意义。

本发明采用的技术方案是：一种基于玉米芯整体炭材料太阳能光热净化水的方法，包括如下步骤：

（a）将玉米穗脱皮、脱粒处理，得到玉米芯，进行切段裁剪；

（b）将以上(a)所述的产物分别浸泡在乙醇和蒸馏水中，并使其充分浸润，浸泡时间为6-12小时，然后将其在真空干燥箱中烘干，干燥温度为60-100℃；

（c）将以上(b)所述产物置于管式炉中，在惰性气氛下碳化处理，升温速率为5℃/min-10℃/min，碳化温度为300℃-600℃，碳化时间为4h-8h，得到碳化产物，所采用的保护气体为氮气、氩气或氦气中的一种或几种；

（d）将以上(c)所述碳化产物用乙醇充分浸泡，处理时间为5h-10h，处理温度为30℃-60℃，清除碳化产物孔道中杂质；再用去离子水充分洗涤、干燥，干燥的温度为60℃-150℃、干燥的时间为3h-10h，得到玉米芯基整体炭材料。制备得到的玉米芯基整体炭材料具有丰富的多孔结构，孔道有序，合理分配了水的供应、光热传递、蒸汽逃逸，可高效利用太阳能通过水蒸发得到净化水。

（e）将以上(d)得到的玉米芯整体炭材料通过平衡支架进行垂直排列，一部分浸泡于原料水中，一部分裸露于原料水上面的空气之中，水上裸露于空气部分占整体炭材料长度的20-90%，潜入水中部分占整体碳材料长度的10-80%；

（f）打开光源，对以上垂直排列的玉米芯基整体炭材料进行光照，原料水在毛细力作用下从下往上连续输运供给，充满整体炭材料的孔道结构，光照下水从整体炭的侧面孔道以及顶部孔道汽化蒸发，形成水蒸汽，经冷却得到净化水。

与现有的技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）材料的结构独特。利用天然生物质玉米芯的独特结构特征，避免粉化处理，只进行切段裁剪等简单处理，经过炭化转化为整体炭材料，充分保持并发展了天然材料的结构特征；

（2）廉价可大规模生产。玉米芯作为重要的大宗农产品玉米的副产物和农业废弃物，量大廉价，因此，使用玉米芯为原材料制备整体炭材料，原料来源十分丰富和有保障，完全适于规模化生产，制备的材料造价低廉。

（3）过程简单绿色无污染。材料制备主要是碳化过程，工艺简单可靠，制备过程可控无污染；水蒸发制备净化水过程，利用的是可再生洁净能源太阳能，不需要消耗化石能源。因此，整个过程低碳，对于环境冲击极小。

（4）制备的水纯度高且廉价。水蒸发过程可以有效去除水中的无机盐、有机质、细菌等各种杂质，得到的净化水纯度高，能够达到饮用水的要求；水处理量大，能耗低，制备的水廉价；

（5）适用于净化的水源种类多。既可以实现海水的淡化，又可以对苦咸水和高氟水进行净化，乃至工业污水、生活污水等的处理净化均可适用，适用于多种水源的净化。

（6）材料结构和组成可调。基于玉米芯的结构特征，可以对整体炭材料进行多种改性处理，对材料的结构、组成以及表面进行优化处理，进一步提升太阳能光热转化水蒸发的效率；更进一步的，还可以基于玉米芯整体炭材料的结构特征和工作原理，设计新型的光热驱动水蒸发仿生材料反应器，全面开发新型的水净化技术。

附图说明

图1 为实施例1玉米芯(左)及其碳化后得到的整体炭材料(右)数码照片；

图2为实施例1制备的玉米芯整体炭材料的横截面扫描电镜图。

图3为实施例1制备的玉米芯整体炭材料的纵截面扫描电镜图。

图4为实施例1制备的不同碳化温度得到的玉米芯基整体炭材料在1000kw/m²光照强度下的蒸馏水蒸发速率-时间变化曲线

图5为实施例1制备的玉米芯整体炭材料在不同光照强度下蒸馏水蒸发速率-时间变化曲线。

图6为实施例1制备的玉米芯整体炭材料在1000kw/m²光照强度下的不同浸入水中高度蒸馏水蒸发速率-时间变化曲线。

图7为实施例1制备的玉米芯整体炭材料在1000kw/m²光照强度下染料溶液蒸发速率-时间变化曲线。

图8为实施例1制备的玉米芯整体炭材料在1000kw/m²光照强度下的海水蒸发速率-时间变化曲线。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。

除有特别说明，本发明中所用到的各种试剂、原料均可以从市场上购买或者可以通过公知的方法制得的产品。

实施例1

一种基于玉米芯整体炭材料太阳能光热净化水的方法，包括以下步骤：

1）将一段玉米芯分别在乙醇和蒸馏水中浸泡6小时，然后，将其在60℃真空干燥烘箱中干燥24h，得到干燥的玉米芯。

2）将步骤1）中得到的干燥玉米芯置于管式炉中，在氮气气氛下以5℃/min的速率升温至400℃并恒温4h，自然冷却，得到整体炭材料。

3）将步骤2）中得到的热解产物用乙醇洗涤除去整体碳材料孔道中的杂质；

4）将步骤3）中得到的洗涤产物用去离子水洗涤三次，所得固体在60℃烘箱中干燥24h，得到玉米芯整体炭材料。

本实施例所用的玉米芯及其碳化所得整体炭材料的数码照片如图1所示。本实施例制备的玉米芯整体炭材料的扫描电镜照片分别如图2和图3所示，图2是横截面扫描电镜照片，显示制得的玉米芯整体炭材料的横截面是由碳片交联而成的三维整体材料；图3是纵向截面扫描电镜照片，显示玉米芯整体炭材料纵截面为有序的三维孔道结构，孔道之间相互贯通。

将本实施例制备玉米芯基整体碳材料用于水蒸发速率性能的测试。将玉米芯基整体炭材料固定于水面之上，部分浸入水中，部分裸露于水面之上，太阳模拟器的光束通过过滤片照射到该整体炭材料的顶端。按照以下公式对水蒸发速率进行计算：

蒸发速率=

我们研究了碳化温度对于所得玉米芯基整体炭材料光热转换水蒸发性能的影响，以及不同光照强度、整体炭材料不同浸入水比例对光热转换水蒸发性能的影响。玉米芯基整体炭材料在不同碳化温度下蒸馏水蒸发速率-时间变化曲线如附图4所示，显示蒸发器件在碳化温度400℃时水蒸发速率最高；玉米芯基整体炭材料在不同光照强度下蒸馏水蒸发速率-时间变化曲线如附图5所示；玉米芯基整体炭材料在1000kw/m²光照强度下的不同浸入水中比例蒸馏水蒸发速率-时间变化曲线如图6所示，当其浸入水中高度为整体玉米芯整体高度的1/2时，其蒸发效率最高；

实施例2

一种基于玉米芯整体炭材料太阳能光热净化染料水溶液的方法，包括以下步骤：

1）将一段玉米芯分别在乙醇和蒸馏水中浸泡6小时，然后，将其在60℃真空干燥烘箱中干燥24h，得到干燥的玉米芯。

2）将步骤1）中得到的干燥的玉米芯置于管式炉中，在氮气气氛下以5℃ /min的速率升温至400℃并恒温4h，自然冷却，得到碳化产物。

3）将步骤2）中得到的碳化产物用去乙醇洗涤去除其孔道中杂质；

4）将步骤3）中得到的洗涤产物用去离子水洗涤三次，所得固体在60℃烘箱中干燥24h，得到玉米芯整体炭材料。

将本实施例制备的玉米芯整体炭材料用于甲基橙水溶液蒸发速率的测试，在1000kw/m²的模拟光源强度照射下，其水蒸发速率为2.934kg m^-2 h^-1。对染料甲基橙水溶液蒸发性能如图7所示，玉米芯整体炭材料在对染料甲基橙水溶液进行水蒸发测试过程中蒸发速率相较于蒸馏水蒸发速率有所降低；

实施例3

一种基于玉米芯整体炭材料太阳能光热净化海水的方法，包括以下步骤：

1）将一段玉米芯分别在乙醇和蒸馏水中浸泡6小时，然后，将其在60℃真空干燥烘箱中干燥24h，得到干燥的玉米芯。

2）将步骤1）中得到的干燥的玉米芯置于管式炉中，在氮气气氛下以5℃ /min的速率升温至400℃并恒温4h，自然冷却，得到碳化产物。

3）将步骤2）中得到的碳化产物用乙醇去除其孔道中多余副产物；

4）将步骤3）中得到的洗涤产物用去离子水洗涤三次，然后将其在60℃烘箱中干燥24h，得到玉米芯整体炭材料。

将本实施例制备的玉米芯水蒸发器件用于海水蒸发速率的测试，在1000kw/m²的模拟光源强度照射下，其水蒸发速率为3.053kg m^-2 h^-1。对海水的蒸发性能如图8所示，显示玉米芯整体炭材料对海水也具有较高的蒸发速率。

Claims (1)

1.一种基于玉米芯整体炭材料太阳能光热净化水的方法，其特征是：包括如下步骤：

（a）将玉米穗脱皮、脱粒处理，得到玉米芯，进行切段裁剪；

（b）将以上(a)所述的产物分别浸泡在乙醇和蒸馏水中，并使其充分浸润，浸泡时间为6-12小时，然后将其在真空干燥箱中烘干，干燥温度为60-100℃；

（c）将以上(b)所述产物置于管式炉中，在惰性气氛下碳化处理，升温速率为5℃/min-10℃/min，碳化温度为300℃-500℃，碳化时间为4h-8h，得到碳化产物，所采用的保护气体为氮气、氩气或氦气中的一种或几种；

（d）将以上(c)所述碳化产物用乙醇浸泡处理，处理时间为5h-10h，处理温度为30℃-60℃，清除碳化产物孔道中杂质；再用去离子水充分洗涤、干燥，干燥的温度为60℃-150℃、干燥的时间为3h-10h，得到玉米芯基整体碳材料；

（e）将以上(d)得到的玉米芯整体炭材料通过平衡支架进行垂直排列，一部分浸泡于原料水中，一部分裸露于原料水上面的空气之中，水上裸露于空气部分占整体炭材料长度的20-90%，潜入水中部分占整体碳材料长度的10-80%；

（f）打开光源，对以上垂直排列的玉米芯基整体炭材料进行光照，原料水在毛细力作用下从下往上连续输运供给，充满整体炭材料的孔道结构，光照下水从整体炭的侧面孔道以及顶部孔道汽化蒸发，形成水蒸汽，经冷却得到净化水。