CN109734148A - 一种用于太阳能蒸发水的生物质碳材料的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于太阳能蒸发水的生物质碳材料的制备方法及其应用。本发明以农业废弃物为原料，经粉碎、筛分、高温碳化法制备生物质碳材料；将生物质碳超声分散在蒸馏水或乙醇‑水溶液，得到生物质碳悬浊液，经真空抽滤、干燥处理得到负载生物质碳的滤纸；将其置于包裹聚合物泡沫的海绵之上，得到浮于水表面的太阳能集热器，然后进行太阳能水蒸发。该方法以廉价易得的生物质碳材料为光热转换材料，聚合物泡沫作为绝热材料，中间用海绵输送水，可简单快速重复获取太阳能蒸馏水，解决了目前利用太阳能蒸发净化水成本高、制备条件复杂、光热转换率低等问题，同时还能缓解废弃农作物污染问题。

Description

一种用于太阳能蒸发水的生物质碳材料的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及太阳能蒸发水处理领域，特别是涉及种用于太阳能蒸发水的生物质碳材料的制备方法及其应用。
背景技术
地球水资源丰富，然而供人类直接利用的淡水资源却极其有限。近来，随着人口增加、工业发展以及环境污染的日益加剧，淡水资源的短缺成为阻碍人类可持续发展的重要因素。从占地球总储水量96％的海水中获取淡水，是解决淡水资源匮乏的主要途径之一。目前获取淡水的最常用的两种方法是通过反渗透膜和热蒸馏法。然而，反渗透膜法所使用的渗透膜在清洗和更换方面需要高成本维护。热蒸馏法依赖化石能源所引起的环境问题，都是目前获取淡水工艺所面临的窘境。因此，需寻找一种低成本且环保的途径解决淡水资源短缺的问题。
太阳能作为地球上最丰富的可再生清洁资源，可以转化为热能，是近年来研究海水淡化关注的焦点。传统的太阳能水蒸发技术，通常是利用吸收光能的材料对水整体加热，热损失较大，光热转换效率不高。目前，等离子体纳米材料、氧化石墨烯、碳纳米管基材料、仿生材料以及聚合物水凝胶材料等用作新型光热蒸发材料，致力于仅在水与蒸发器界面集中吸收太阳能转化为热能进行水蒸发，能有效避免热损失，进一步提高蒸汽产生的效率。然而这些技术的光热转换效率与成本效益不能兼顾。因此,以廉价易得的生物质碳材料为光热转换材料，聚合物泡沫作为绝热材料，中间用海绵输送水，可简单快速重复获取太阳能蒸馏水，解决了目前利用太阳能蒸发净化水成本高、制备条件复杂、光热转换率低等问题，同时还能缓解废弃农作物污染问题,可以作为太阳能水蒸发的一种先进策略。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于太阳能蒸发水的生物质碳材料的制备方法及其应用，以负载生物质碳的滤纸和聚合物泡沫为集热材料，漂浮在水的表面并置于模拟太阳光下照射，以海绵为输水材料，充分利用热能，减少热量损失，加速水蒸发。
本发明的技术方案：
一种用于太阳能蒸发水的生物质碳材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)以废弃农作物为原料，进行洗涤、干燥、粉碎、筛分，得到生物质粉末，将其在N2气氛内进行高温碳化，制备生物质碳材料；
(2)将生物质碳经研磨后，超声分散在水或乙醇-水中，得到生物质碳悬浊液，对其进行真空抽滤，干燥处理后，得到隋性支持物负载生物质碳材料。
优选地，步骤(1)中，废弃农作物包括玉米芯、玉米秸秆、玉米棒薄皮、大豆秸秆、花生壳、莲藕蓬等,利用蒸馏水洗涤除去灰尘，用鼓风干燥箱对其干燥处理，并将其粉碎，对其进行筛分处理获得小于100微米的生物质粉末。
优选地，步骤(1)中，生物质碳材料的高温碳化温度为400℃～1000℃,时间为1h～2h。
优选地，步骤(2)中，超声波频率为100w，时间为30min～120min，干燥处理温度为60℃～100℃，时间为1h～2h。
优选地，步骤(2)中，隋性支持物包括牛奶纤维、大豆纤维、芦荟纤维、蚕丝纤维、竹碳纤维、竹纤维、天丝纤维等滤纸。
优选地，步骤(1)中，将玉米秸秆等废弃农作物去表皮，连接处也去掉，并将其截成3～4cm的长度，经干燥去除水分后，装入瓷舟内置于管式炉中，在N2气氛下，以5℃min-1的升温速率升至800℃，保温2h将至室温，干燥后得到玉米秸秆基碳材料，并研磨成粉末状。
优选地，步骤(2)中，取8mg玉米秸秆碳材料，分散在蒸馏水中，超声30min使其均匀分散，得到废弃农作物基碳悬浊液，将碳材料悬浊液于置于直径为4cm圆形滤纸上进行真空抽滤，60℃干燥2h后得到负载玉米秸秆基碳材料的滤纸。
本方案还提供一种用于太阳能蒸发水的生物质碳材料的制备方法制备出的材料在太阳能集热器上的应用，以聚合物泡沫作为防水隔热边界材料，中间为海绵，将隋性支持物负载生物质碳材料置于聚合物泡沫和海绵上层，制成浮于水面的太阳能集热器。
本方案还提供一种基于生物质碳材料太阳能驱动水蒸发的方法，具体为：将直径为3cm厚度为2cm的圆柱形海绵置于厚度为0.5cm高为2cm的聚苯乙烯圆形泡沫圈中间，漂浮于装有自来水的50ml的容器水面上，将负载20mg玉米芯基生物质碳的滤纸紧贴于上，容器放在与电脑连接可实时记录数据的电子天平上，用光照射在碳材料和水面上，时间为1h，环境温度为25℃,湿度为40％，自来水温度为25℃，水蒸发速率为3.8253kg·m-2·h-1。
优选地，用氙灯模拟太阳光，1kW/m2-5kW/m2的光强度垂直照射在碳材料和水面上。
本发明包括以下有益效果：
1、本发明以来源广泛价格低廉的生物质为前驱体，通过高温碳化法制备生物质碳材料。
2、本发明以碳材料为光热转换材料，滤纸为载体，聚合物为隔热材料，海绵输送水，这一设计使得光热转换材料能够浮于水面之上，并能充分利用热能，减少热量损失，提高太阳能利用率，加快蒸发速率，水蒸发速率为3.8253kg·m-2·h-1。
附图说明
图1为太阳能集热器俯视图；
图2为玉米芯基碳材料的SEM图；
图3为水蒸发量随时间的变化曲线；
图4为玉米秸秆基碳材料在不同光照强度下的水蒸发速率。
具体实施方式
实施例1
(1)将玉米芯用蒸馏水洗涤去除杂质，经干燥、粉碎、过筛后，装入瓷舟内置于管式炉中，在N2气氛下，以5℃ min-1的升温速率升至750℃,保温2h将至室温，干燥后得到玉米芯基碳材料(材料的SEM图如图2)。
(2)将20mg玉米芯基碳材料研磨半小时后，分散在蒸馏水中，超声30min使其均匀分散，得到玉米芯基碳悬浊液。将玉米芯基碳材料悬浊液于置于直径为4cm圆形滤纸上进行真空抽滤，60℃干燥2h后得到负载玉米芯基碳材料的滤纸，弯曲滤纸并无粉末散落。
(3)将直径为3cm厚度为2cm的圆柱形海绵置于厚度为0.5cm高为2cm的聚苯乙烯圆形泡沫圈中间，漂浮于装有自来水的50ml的烧杯水面上，将负载20mg玉米芯基生物质碳的滤纸紧贴于上，烧杯放在与电脑连接可实时记录数据的电子天平上，用氙灯模拟太阳光，1kW/m2的光强度垂直照射在碳材料和水面上，时间为1h。环境温度为25℃,湿度为40％，自来水温度为25℃。
对比例1
将装有自来水的50ml的烧杯(直径4cm)置于电子天平之上，强度为1kW/m2的光源垂直照射水面1h,并记录照射过程中烧杯内水的质量变化。环境温度为25℃,湿度为40％，自来水温度为25℃。
对比例2
将中间放入海绵(直径为3cm,厚度为2cm)的聚合物泡沫圈(厚度为0.5cm，高为2cm)(如图1)漂浮在装有自来水的50ml烧杯(直径4cm)水面上，烧杯放在与电脑相连可实时记录质量变化的电子天平上，强度为1kW/m2的光源垂直照射1h，实时记录水蒸发产生的质量变化。环境温度为25℃,湿度为40％，自来水温度为25℃。
性能测试1
分别对比实施例1、对比例1和对比例2中水蒸发量随时间的变化的数据进行分析，如图3可知，在强度为1kW/m2的氙灯光源下照射1h时，纯水、纯水表面漂浮聚合物-海绵以及纯水表面漂浮聚合物+海绵+滤纸+玉米芯基碳材料，它们的水蒸发量分别为0.3734g、0.9807g和1.7951g，即水蒸发速率为0.2972kg·m-2·h-1、0.7891kg·m-2·h-1和1.4289kg·m-2·h-1。实验数据表明单纯的水在单位面积和时间内蒸发量很少，海绵和聚合物的加入可明显提高蒸发量，然而加入玉米芯基碳材料后水蒸发量提高更多，约为纯水蒸发速率的4.8倍。
实施例2
(1)将玉米秸秆去表皮，连接处也去掉，并将其截成3-4cm的长度，经干燥去除水分后，装入瓷舟内置于管式炉中，在N2气氛下，以5℃ min-1的升温速率升至800℃,保温2h将至室温，干燥后得到玉米秸秆基碳材料，并研磨成粉末状。
(2)取8mg玉米秸秆碳材料，分散在蒸馏水中，超声30min使其均匀分散，得到玉米秸秆基碳悬浊液。将碳材料悬浊液于置于直径为4cm圆形滤纸上进行真空抽滤，60℃干燥2h后得到负载玉米秸秆基碳材料的滤纸。
(3)将直径为3cm厚度为2cm的圆柱形海绵置于厚度为0.5cm高为2cm的聚苯乙烯圆形泡沫圈中间，漂浮于装有自来水的50ml的烧杯水面上，将负载8mg玉米秸秆基生物质碳的滤纸紧贴于上，烧杯放在与电脑连接可实时记录数据的电子天平上，用氙灯模拟太阳光，1kW/m2的光强度垂直照射在碳材料和水面上，时间为1h。环境温度为25℃,湿度为40％，自来水温度为25℃。
对比例1
将直径为3cm厚度为2cm的圆柱形海绵置于厚度为0.5cm高为2cm的聚苯乙烯圆形泡沫圈中间，漂浮于装有自来水的50ml的烧杯水面上，将负载8mg玉米秸秆基生物质碳的滤纸紧贴于上，烧杯放在与电脑连接可实时记录数据的电子天平上，用氙灯模拟太阳光，3kW/m2的光强度垂直照射在碳材料和水面上，时间为1h。环境温度为25℃，湿度为40％，自来水温度为25℃。
对比例2
将直径为3cm厚度为2cm的圆柱形海绵置于厚度为0.5cm高为2cm的聚苯乙烯圆形泡沫圈中间，漂浮于装有自来水的50ml的烧杯水面上，将负载8mg玉米秸秆基生物质碳的滤纸紧贴于上，烧杯放在与电脑连接可实时记录数据的电子天平上，用氙灯模拟太阳光，5kW/m2的光强度垂直照射在碳材料和水面上，时间为1h。环境温度为25℃,湿度为40％，自来水温度为25℃。
性能测试2
分别对比实施例2、对比例1和对比例2中水蒸发量随时间的变化的数据进行分析，如图4可知，不同光强度下照射1h时，水蒸发速率分别为：1.2966kg·m-2·h-1(1kW/m2)，3.1334kg·m-2·h-1(3kW/m2)，3.8253kg·m-2·h-1(5kW/m2)。水蒸发速率随着光照强度的增大而增快。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于太阳能蒸发水的生物质碳材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)以废弃农作物为原料，进行洗涤、干燥、粉碎、筛分，得到生物质粉末，将其在N2气氛内进行高温碳化，制备生物质碳材料；
(2)将生物质碳经研磨后，超声分散在水或乙醇-水中，得到生物质碳悬浊液，对其进行真空抽滤，干燥处理后，得到隋性支持物负载生物质碳材料。
2.根据权利要求1所述的一种用于太阳能蒸发水的生物质碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，废弃农作物包括玉米芯、玉米秸秆、玉米棒薄皮、大豆秸秆、花生壳、莲藕蓬等,利用蒸馏水洗涤除去灰尘，用鼓风干燥箱对其干燥处理，并将其粉碎，对其进行筛分处理获得小于100微米的生物质粉末。
3.根据权利要求1所述的一种用于太阳能蒸发水的生物质碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，生物质碳材料的高温碳化温度为400℃～1000℃,时间为1h～2h。
4.根据权利要求1所述的一种用于太阳能蒸发水的生物质碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，超声波频率为100w，时间为30min～120min，干燥处理温度为60℃～100℃，时间为1h～2h。
5.根据权利要求1所述的一种用于太阳能蒸发水的生物质碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，隋性支持物包括牛奶纤维、大豆纤维、芦荟纤维、蚕丝纤维、竹碳纤维、竹纤维、天丝纤维等滤纸。
6.根据权利要求1所述的一种用于太阳能蒸发水的生物质碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，将玉米秸秆等废弃农作物去表皮，连接处也去掉，并将其截成3～4cm的长度，经干燥去除水分后，装入瓷舟内置于管式炉中，在N2气氛下，以5℃min-1的升温速率升至800℃，保温2h将至室温，干燥后得到玉米秸秆基碳材料，并研磨成粉末状。
7.根据权利要求1所述的一种用于太阳能蒸发水的生物质碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，取8mg玉米秸秆碳材料，分散在蒸馏水中，超声30min使其均匀分散，得到废弃农作物基碳悬浊液，将碳材料悬浊液于置于直径为4cm圆形滤纸上进行真空抽滤，60℃干燥2h后得到负载玉米秸秆基碳材料的滤纸。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种用于太阳能蒸发水的生物质碳材料的制备方法制备出的材料在太阳能集热器上的应用，其特征在于，以聚合物泡沫作为防水隔热边界材料，中间为海绵，将隋性支持物负载生物质碳材料置于聚合物泡沫和海绵上层，制成浮于水面的太阳能集热器。
9.根据权利要求1-8任一项所述的基于生物质碳材料太阳能驱动水蒸发的方法，其特征在于，将直径为3cm厚度为2cm的圆柱形海绵置于厚度为0.5cm高为2cm的聚苯乙烯圆形泡沫圈中间，漂浮于装有自来水的50ml的容器水面上，将负载20mg玉米芯基生物质碳的滤纸紧贴于上，容器放在与电脑连接可实时记录数据的电子天平上，用光照射在碳材料和水面上，时间为1h，环境温度为25℃,湿度为40％，自来水温度为25℃，水蒸发速率为3.8253kg·m-2·h-1。
10.根据权利要求9所述的基于生物质碳材料太阳能驱动水蒸发的方法，其特征在于，用氙灯模拟太阳光，1kW/m2-5kW/m2的光强度垂直照射在碳材料和水面上。
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