CN110101882A - 一种高温蒸汽灭菌装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温蒸汽灭菌装置。高温蒸汽灭菌装置包括蒸汽室、覆盖在蒸汽室上的聚光板、装配在蒸汽室内部的载物盘和蓄水杯、以及位于蓄水杯中的光热蒸发材料；所述光热蒸发材料包括隔热体和覆盖在隔热体外表面的吸光体，所述吸光体为表面经亲水官能团修饰的垂直取向石墨烯，所述隔热体为石墨烯泡沫。本发明提供的高温蒸汽灭菌装置以分布广泛、绿色清洁的太阳能作为驱动力，不消耗电能、结构简单、体积小、便于携带且操作简单。本发明通过采用兼备捕集光能、阻滞热流传递的光热蒸发材料，大大提高了装置的光热转化效率，灭菌时间短，灭菌效果良好。
Description
技术领域
本发明属于灭菌技术领域，特别涉及一种高温蒸汽灭菌装置。
背景技术
高温蒸汽灭菌是一种简单、可靠的物理灭菌法，已经在医疗、卫生、预防和保健等相关领域中广泛应用[Y.Zhang et al.Nanoscale 2017,9:19384]。高温蒸汽不仅可以杀死一般的细菌、真菌等微生物，对芽胞、孢子也有杀灭效果，能够从源头上阻止病毒和疾病的传播。
高温蒸汽灭菌过程通常是依靠电力驱动，如公开号为CN107648627A的中国专利文献公开的一种蒸汽消毒装置，使用底部的电加热板加热水，产生蒸汽，进行杀菌消毒；公开号为CN107335075A的中国专利文献公开的蒸汽杀菌装置，通过水腔底部的电热板加热驱动。
然而，世界上的许多偏远地区没有电力供应，导致例如医疗废弃物处理等许多医疗服务难以实施，病毒和疾病的传播问题难以解决，这一现象在发展中国家尤为严重。因此，如何在离网状态下实现消毒、灭菌是当今世界遇到的难题。
太阳能是地球上分布最广，储量最大的能源，如果能够通过清洁的方式，利用太阳能驱动高温蒸汽灭菌，将有助于改善偏远地区的医疗卫生现状。然而，对于现有的太阳能驱动高温蒸汽灭菌装置，其结构往往较为复杂，对工艺技术往往要求较高，如：复杂的管路、如分离式的设计[O.Neumannal.et al.PNAS 2013,110:11677-11681]；并且体积较为庞大，不易携带，操作复杂，如：大面积的聚光器、大体积的支撑架[T.Kaseman etal.Am.J.Trop.Med.Hyg.2012,87:602-607；M.N.Dravid et al.J.Hosp.Infect.2012,80:345-347]。相对而言，简易、便携、一体化的太阳能驱动高温蒸汽灭菌装置将具有更强的应用价值和更广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温蒸汽灭菌装置，以分布广泛、绿色清洁的太阳能作为驱动力，不消耗电能，可应用的区域广。本发明装置结构简单，体积小，便于携带，且操作简单。本发明通过采用兼备捕集光能、阻滞热流传递的光热蒸发材料，大大提高了装置的光热转化效率，灭菌时间短，灭菌效果良好。
一种高温蒸汽灭菌装置，所述高温蒸汽灭菌装置包括蒸汽室、覆盖在蒸汽室上的聚光板、装配在蒸汽室内部的载物盘和蓄水杯、以及位于蓄水杯中的光热蒸发材料。
优选的，所述载物盘竖直方向有若干个通孔；蒸汽冷凝后通过通孔流到蒸汽室的底部，避免冷凝水黏附在待灭菌物体上，影响灭菌效果。
所述聚光板将光束聚集到蓄水杯内。
优选的，所述聚光板与蓄水杯的横截面形状相同，横截面积比为10-100：1，聚光板与蓄水杯同心装配。
优选的，所述蒸汽室的内部设置安装载物盘的托台。拖台可以使载物盘与蒸汽室的底部不接触。
优选的，所述载物盘的中心设置凹槽，所述凹槽的尺寸与蓄水杯底部的尺寸相当。所述凹槽用于固定蓄水杯的安装位置，保证蓄水杯与聚光板的同心装配关系。
优选的，所述高温蒸汽灭菌装置还包括密封圈和卡箍，所述密封圈和卡箍用于固定所述聚光板。
将载物盘放置在蒸发室的托台上；把蓄水杯安放在载物台中心的凹槽里；向蓄水杯加入一定量的水，并将光热蒸发材料从上放入蓄水杯，光热蒸发材料漂浮于水面之上；将需要灭菌的物品放在蒸发室内的载物盘上；随后将聚光板覆盖在蒸发室上，用于将入射光汇聚到光热蒸发材料的上表面，并阻止蒸汽向外溢出；并用密封圈、固定环和卡箍封闭蒸发室。
所述光热蒸发材料包括隔热体和覆盖在隔热体外表面的吸光体，所述吸光体为垂直取向石墨烯，所述隔热体为石墨烯泡沫，所述垂直取向石墨烯和石墨烯泡沫以共价键形式连接；所述吸光体为表面经亲水官能团修饰的垂直取向石墨烯。
光热蒸发材料以共价键的形式，将吸光体和隔热体连接成一个整体，兼备捕集光能、阻滞热流传递的功能，克服了常规局域加热系统中吸光体与隔热体易脱离问题，提高了系统的稳定性。
所述吸光体捕集太阳能，并将光能转化为热能，产生局部高温；所述隔热体阻滞热流传递，减少散热。
所述垂直取向石墨烯由碳纳米壁阵列组成。所述石墨烯泡沫为多孔结构。
经亲水官能团修饰的垂直取向石墨烯可作为液体流道，通过毛细作用传输液体到局部高温区域，实现快速光热蒸发；并且保护隔热体免受液体润湿，避免热流通过渗入的液体向外传递，解决了常规局域加热系统中液体渗入隔热体内部所引起的热损失问题，提高了系统的光热转化效率。
所述亲水官能团为含氧官能团。所述含氧官能团选自羟基(-OH)、羰基(-CHO)和羧基(-COOH)中的一种或至少两种的组合。
-OH、-CHO、-CHO为亲水基团，在垂直取向石墨烯表面修饰上述一种或至少两种亲水官能团，能够增强垂直取向石墨烯与水之间的亲和力，增强垂直取向石墨烯的毛细作用。
所述吸光体的吸光率为90-99％，所述隔热体的热导率为0.02-0.2W m-1 K-1。
优选的，所述吸光体的吸光率为97.0-98.2％，所述隔热体的热导率为0.031-0.041W m-1 K-1。
本发明还提供一种光热蒸发材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制氧化石墨烯水溶液，(2)将步骤(1)得到的氧化石墨烯水溶液转移到高温高压反应釜中进行水热法反应，冷却得到石墨烯水凝胶；
(3)用乙醇水溶液浸泡步骤(2)得到的石墨烯水凝胶；
(4)将石墨烯水凝胶转移到冷冻腔冷冻，之后转移到干燥腔真空干燥，得到石墨烯泡沫；
(5)将获得的石墨烯泡沫放置于等离子体增强化学气相沉积反应腔内，通入甲烷或者氢气与甲烷的混合气，进行化学气相沉积反应后，通入惰性气体，冷却，得到垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫；
(6)将步骤(5)得到的垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫暴露于臭氧环境中，在垂直取向石墨烯的表面产生修饰亲水官能团，得到光热蒸发材料。
优选的，所述步骤(1)中的氧化石墨烯水溶液还包括添加剂，所述添加剂包括十水四硼酸钠、胺基化合物或其混合物；所述氧化石墨烯的浓度为1-10g L-1，所述十水四硼酸钠浓度为0-10，所述的胺基化合物的浓度为0-100；所述十水四硼酸钠浓度和胺基化合物的浓度不同时为0。
氧化石墨烯的浓度与所制备的石墨烯泡沫的密度、机械强度、热导率以及制备成本都有直接关系。当氧化石墨烯的浓度增加，石墨烯泡沫的密度增加，机械强度增强，热导率升高，制备成本增加；当石墨烯氧化浓度小于1g L-1时，所制备的石墨烯泡沫的机械强度较弱，在实际应用的过程中容易损坏；当氧化石墨烯浓度大于10g L-1时，所制备的石墨烯泡沫的密度和热导率增加，会削弱在光热蒸发应用中的光热转化效率，并且制备成本的增加也不利于该材料的实际应用。
四硼酸钠被用作石墨烯水凝胶合成过程中的结构强化剂，能够增强石墨烯泡沫的机械强度。另外，四硼酸钠会促进热水反应过程中的团聚，进而影响石墨烯泡沫的热导率。胺基化合物的浓度也会同时影响石墨烯泡沫的热导率和机械强度。
优选的，所述步骤(1)中的氧化石墨烯水溶液包括氧化石墨烯、十水四硼酸钠和胺基化合物，其浓度分别为4-6g L-1、1-5mmol L-1和4-20mmol L-1。
当氧化石墨烯的浓度为4-6g L-1时，所制备的石墨烯泡沫既具有良好的机械性能，又具有较低的密度和热导率。
当十水四硼酸钠的浓度<1mmol L-1时，四硼酸钠的结构强化作用较弱，所获得的石墨烯泡沫结构不稳定，易损坏；当十水四硼酸钠的浓度>5mmol L-1时，团聚现象较严重，导致所获得的石墨烯泡沫的热导率较高。
当胺基化合物的浓度<4mmol L-1时，胺基化合物阻碍团聚的作用较弱，所获得的石墨烯泡沫的热导率较高；当胺基化合物的浓度>20mmol L-1时，所获得的石墨烯泡沫的结构较蓬松，机械强度较弱。
所述胺基化合物选自乙二胺、丁二胺、己二胺、环己二胺中的一种或至少两种的组合。二胺类胺基化合物具有两个氨基，易与氧化石墨烯发生缩聚反应，稳定的存在于石墨烯片层之间，起到连接和支撑的作用，阻碍石墨烯的团聚，以获得蓬松多孔的结构。
优选的，所述胺基化合物为乙二胺。乙二胺、丁二胺、己二胺、环己二胺四种胺基化合物的分子尺寸顺序为：乙二胺<丁二胺<己二胺<环己二胺，较大的分子间隔物，会导致较弱的机械强度或需要较多的结构强化剂，且要求更高的合成温度和更长的合成时间，所以，乙二胺作为分子尺寸最小的二胺类胺基化合物中，在能满足应用要求的情况下，作为优选结果。
所述步骤(2)中水热法反应条件为：反应温度为90-180℃；反应时间为6-18h。
反应温度和反应时间会影响石墨烯水凝胶的石墨化程度和团聚程度，提高温度和延长时间都有利于提高石墨烯水凝胶的石墨化程度，促进氧化石墨烯的团聚和石墨烯水凝胶的成型，增强所获得的石墨烯泡沫的机械强度。
当反应温度小于90℃或反应时间小于6h时，会导致水热反应过程不充分，石墨烯水凝胶不能成型或最终获得的石墨烯泡沫的机械强度弱；当反应温度大于180℃或反应时间大于18h时，都会导致严重的团聚现象，使所获得的石墨烯泡沫的密度和热导率过大。所述步骤(3)中，清洗的方法为用乙醇水溶液浸泡上述石墨烯水凝胶6-24h，其中，所述乙醇水溶液的乙醇体积分数为10％-30％。
所述步骤(4)中，冷冻腔的温度为-80至-10℃、冷冻时间为6-24h；干燥腔的温度为-20至0℃、干燥腔的气压为<650Pa、干燥时间为6-48h。
所述步骤(5)中氢气与甲烷的混合气的流量比为0-20：1。
H2和CH4的流量比是合成垂直取向石墨烯的关键，当H2和CH4的流量比大于20：1时，所获得的合成物不是垂直取向石墨烯；并且H2和CH4的流量比会影响合成物的形貌和化学性质。
优选的，所述步骤(5)H2和CH4的流量比为1-5：1。当流量比小于1：1，合成速度较慢；当流量比大于5：1所获得的合成物的形貌和化学性质更接近于不定型碳、碳纳米纤维和碳纳米管。
所述步骤(5)中，化学气相沉积反应的反应条件为：合成温度为500-1000℃，合成气压为10-1000Pa。
当温度<500℃，无法合成垂直取向石墨烯；当温度>1000℃，有利于加快垂直取向石墨烯的合成速度，但是对设备的工艺要求较高，且能量消耗较大，不利于实际应用；当气压<10Pa时，对设备的工艺要求较高，不易达到；当气压>1000Pa时，需要更高的温度和更高的功率，不利于实际应用。
优选的，所述步骤(5)中，化学气相沉积反应的反应条件为：合成温度为600-800℃，调整合成为10-500Pa。合成垂直取向石墨烯的速度适中和能量消耗较小，且性能满足要求，利于实际应用。
所述步骤(5)中，化学气相沉积反应中的等离子体源选自微波等离子、电感耦合等离子体或直流辉光放电等离子体，功率为200-500W，维持1-180min。
当时间<1min时，所合成的垂直取向石墨烯的量较少，光吸收率较低；当时间大于>180min，对光吸收率和光热蒸发性能没有明显的提升，造成原料和能量的浪费。
优选的，维持10-120min。合成适量的垂直取向石墨烯。
所述步骤(5)中，惰性气体作为冷却气体，流量为10-100ml min-1。
所述步骤(6)中，在垂直取向石墨烯的表面产生修饰亲水官能团的方法为将步骤(5)得到的垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫暴露于臭氧浓度为200ppm的环境中，维持1-10min，亲水官能团修饰在垂直取向石墨烯的表面。其中，臭氧是通过介质阻挡放电装置产生，空气作为原料。
优选的，暴露于臭氧浓度为200ppm的环境中，维持2-4min。在这一范围内，表面修饰含氧官能团的垂直取向石墨烯够获得很好的亲水性，同时内部的石墨烯泡沫能维持其超疏水性。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果如下：
本发明提供的高温蒸汽灭菌装置以分布广泛、绿色清洁的太阳能作为驱动力，不消耗电能，可应用的区域广。
本发明提供的高温蒸汽灭菌装置基于一体化设计，没有复杂的结构，加工成本低廉，易于批量加工生产。
本发明提供的高温蒸汽灭菌装置体积小，便于携带，且操作简单。
本发明通过采用兼备捕集光能、阻滞热流损失的光热蒸发材料，大大提高了装置的稳定性和光热转化效率，快速产生蒸汽，灭菌时间短，灭菌效果良好。
附图说明：
图1为本发明提供的高温蒸汽灭菌装置的结构示意图；
图2为本发明提供的高温蒸汽灭菌装置分解结构示意图；
图3为本发明提供的高温蒸汽灭菌装置的剖面结构示意图；
图4为本发明提供的高温蒸汽灭菌装置的光热蒸发原理示意图；
图5为本发明提供的高温蒸汽灭菌装置的光热蒸发材料的制备流程图；
图6为实施例1提供的高温蒸汽灭菌装置中的光热蒸发材料的光学图和浸润性表征结果；
图7为实施例1提供的高温蒸汽灭菌装置中的光热蒸发材料的电镜图；
图8为实施例1提供的高温蒸汽灭菌装置中的光热蒸发材料的光吸收率分布图；
图9为实施例1提供的高温蒸汽灭菌装置中的光热蒸发材料的X射线光电子C1s能谱图；
图10为实施例1提供的高温蒸汽灭菌装置在杀菌过程中的蒸汽温度。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。以下描述的实施例仅用于解释本发明，并非对本发明任何形式上和实质上的限制。
如图1、图2和图3所示，本发明提供的高温蒸汽灭菌装置，包括：卡箍1、固定环2、密封圈3、聚光板4、光热蒸发材料5、蓄水杯6、载物盘7、蒸汽室8。
如图4所示，光热蒸发材料2包括隔热体22和覆盖在隔热体22外表面的吸光体21，所述吸光体21为表面经亲水官能团修饰的垂直取向石墨烯，所述隔热体22为石墨烯泡沫，所述垂直取向石墨烯和石墨烯泡沫以共价键形式连接；所述吸光体21为表面经亲水官能团修饰的垂直取向石墨烯。
吸光体21捕集太阳能，并将光能转化为热能，形成局部高温；隔热体22阻滞热流传递，减少散热。同时，吸光体21还作为液体流道23，通过毛细作用吸入液体24，使之到达局部高温区域，实现快速光热蒸发。同时，液体流道23可以保护隔热体22免受液体24的润湿，避免热流通过渗入的液体24向外传递。
如图5所示，光热蒸发材料的制备过程包括水热法和冷冻干燥法制备石墨烯泡沫，以及等离子体增强化学气相沉积法制备垂直取向石墨烯。
对本发明提供的光热蒸发材料和高温蒸汽灭菌装置进行如下性能测试：
1、光热蒸发材料的水接触角：利用接触角仪，型号为DropMeter A-200，测量光热蒸发材料的水接触角，表征材料的亲水性，利用电动泵，将10L的水滴滴在材料表面，利用高速相机记录水滴的变化过程，通过杨-拉普拉斯方程，计算水接触角；分别测试光热蒸发材料中吸光体和隔热体的水接触角。
2、光热蒸发材料的吸光率：利用紫外-可见光分光光度计，型号为UV-3150UV-VIS，测量光热蒸发材料在200～2600纳米波段的光透射率和光反射率，利用公式：光吸收率＝1-光透射率-光反射率，计算平均光吸收率。
3、光热蒸发材料的导热率：利用激光导热系数测量仪，型号为LFA 467，测试获得光热蒸发材料的热导率。
4、光热蒸发材料的表面亲水官能团种类：利用X射线光电子能谱仪，型号为VGEscalab Mark II，测试X射线能谱分布，分析官能团种类。
实施例1：
如图1、图2和图3所示，将载物盘7放置在蒸发室8的托台上；把蓄水杯6装配在载物盘7中心的凹槽里；向蓄水杯6加入一定量的水，并将光热蒸发材料2从上放入蓄水杯6，光热蒸发材料2漂浮于水面之上；将需要灭菌的物品放在蒸发室内的载物盘7上；随后将聚光板4覆盖在蒸发室8上，并用密封圈3、固定环3和卡箍1封闭蒸发室8。
其中，光热蒸发材料2的制备方法如下：
1.配置氧化石墨烯水溶液，其中，氧化石墨烯的浓度为4g L-1，十水四硼酸钠的浓度为1mmol L-1，乙二胺浓度为4mmol L-1；
2.配置好的氧化石墨烯水溶液被转移到铁氟龙高温高压反应釜，在90℃环境下维持6h，随后在120℃环境下维持6h，最后，冷却到室温，获得石墨烯水凝胶；
3.用乙醇水溶液浸泡所获得的石墨烯水凝胶6h，其中，乙醇的体积分数为10％，目的是清洗石墨烯水凝胶表面残留的添加剂；
4.将清洗后的石墨烯水凝胶转移到温度为-80℃的冷冻腔，冷冻6h，然后转移到温度为0℃、气压<650Pa的干燥腔，真空干燥6h，获得石墨烯泡沫；
5.将所获得的石墨烯泡沫放置于等离子体增强化学气相沉积反应腔内，抽真空至<10Pa，然后，加热至800℃；
6.打开CH4与H2气阀，通入CH4与H2的混合气体，其中，H2的流量为5ml min-1，CH4的流量为5ml min-1，气压调整到100Pa；
7.开启电感耦合等离子体源，功率调整至250W，维持120min；
8.关闭等离子体源，关闭CH4与H2气阀，打开Ar气阀，通入Ar，作为冷却气体，其流量为10ml min-1，待冷却至室温，取出垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫；
9.将所获得的垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫复合材料暴露于臭氧浓度为200ppm的环境中，维持3min，在垂直取向石墨烯的表面修饰含氧官能团，构筑水流通道，含氧官能团包括-OH、-CHO、-CHO；其中，臭氧是通过介质阻挡放电装置产生，空气作为原料；得到光热蒸发材料。
制备的光热蒸发材料的光学图如图6中的a所示，外表面为黑色。经表面含氧官能团修饰的垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫的浸润性如图6中的b-d所示，外部的垂直取向石墨烯21表现出强亲水性，水接触角为26.0°，说明吸光体作为水流通道，可以通过毛细作用引导水的传输；内部的石墨烯泡沫22表现强疏水性，水接触角为130.5°，说明隔热体排斥水的渗入，表层的水流通道可以保护隔热体免受水的润湿。
石墨烯泡沫的微观结构如图7中的a所示，表现为多孔结构、低热导率，热导率为为0.041W m-1 K-1；垂直取向石墨烯由碳纳米壁阵列构成，如图7中的b所示，垂直取向石墨烯均匀地分布在石墨烯泡沫的骨架上；垂直取向分布的碳纳米壁阵列，可以阻止入射光的逃逸，具有极强的光捕集能力。
如图8所示，制备的光热蒸发材料在200～2600纳米波段的平均光吸收率高达97.8％。应用时，光热蒸发材料能够漂浮于水面之上，吸光体可以捕集太阳能，并将光能转化为热能，产生局部高温；隔热体阻滞热流传递，减少散热；吸光体通过毛细作用吸入液体，使之到达局部高温区域，实现快速光热蒸发。
如图9所示，所获得的光热蒸发材料表面修饰的含氧官能团包括-OH、-CHO和-COOH。
用本实施例提供高温蒸汽灭菌装置，在自然光下运行，光照强度为1.0-1.2kW m-2，利用标准生物指示剂作为杀菌效果的检验，当指示剂的颜色由紫色变为黄色，说明灭菌失败，当指示剂的颜色保持紫色，说明杀菌成功。如图10所示，蒸发室内的温度在运行11min后，达到121℃，即预期的灭菌温度，根据WHO标准，在121℃高温蒸汽的环境下维持30min可达到充分的消毒灭菌效果。因此，在运行41min后，停止工作。经过杀菌后的生物指示剂被转移到56℃的环境中培育48h。经观察，没有经过灭菌处理的指示剂表现为黄色，经过灭菌过程的指示剂表现为紫色，说明灭菌成功。
实施例2
本实施例所使用的高温蒸汽灭菌装置如实施例1所述，其中，光热蒸发材料2的制备方法如下：
1.配置氧化石墨烯水溶液，其中，氧化石墨烯的浓度为5g L-1，十水四硼酸钠的浓度为2mmol L-1，乙二胺浓度为8mmol L-1；
2.配置好的氧化石墨烯水溶液被转移到铁氟龙高温高压反应釜，在120℃环境下维持12h，然后，冷却到室温，获得石墨烯水凝胶；
3.用乙醇水溶液浸泡所获得的石墨烯水凝胶12h，其中，乙醇的体积分数为20％，目的是清洗石墨烯水凝胶表面残留的添加剂；
4.将清洗后的石墨烯水凝胶转移到温度为-60℃的冷冻腔，冷冻12h，然后转移到温度为-10℃、气压<650Pa的干燥腔，真空干燥12h，获得石墨烯泡沫；
5.将所获得的石墨烯泡沫放置于等离子体增强化学气相沉积反应腔内，抽真空至<10Pa，然后，加热至700℃；
6.打开CH4与H2气阀，通入CH4与H2的混合气体，其中，H2的流量为5ml min-1，CH4的流量为5ml min-1，气压调整到10Pa；
7.开启电感耦合等离子体源，功率调整至250W，维持60min；
8.关闭等离子体源，关闭CH4与H2气阀，打开Ar气阀，通入Ar，作为冷却气体，其流量为10ml min-1，待冷却至室温，取出垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫；
9.将所获得的垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫暴露于臭氧浓度为200ppm的环境中，维持4min，在垂直取向石墨烯的表面修饰含氧官能团，构筑水流通道，含氧官能团包括-OH、-CHO、-CHO；其中，臭氧是通过介质阻挡放电装置产生，空气作为原料；得到光热蒸发材料。
本实施例的各项性能测试结果见表1。
实施例3
本实施例所使用的高温蒸汽灭菌装置如实施例1所述，其中，光热蒸发材料2的制备方法如下：
1.配置氧化石墨烯水溶液，其中，氧化石墨烯的浓度为5g L-1，十水四硼酸钠的浓度为3mmol L-1，乙二胺浓度为12mmol L-1；
2.配置好的氧化石墨烯水溶液被转移到铁氟龙高温高压反应釜，在90℃环境下维持6h，随后在180℃环境下维持6h，最后，冷却到室温，获得石墨烯水凝胶；
3.用乙醇水溶液浸泡所获得的石墨烯水凝胶18h，其中，乙醇的体积分数为20％，目的是清洗石墨烯水凝胶表面残留的添加剂；
4.将清洗后的石墨烯水凝胶转移到温度为-40℃的冷冻腔，冷冻18h，然后转移到温度为-10℃、气压<650Pa的干燥腔，真空干燥24h，获得石墨烯泡沫；
5.将所获得的石墨烯泡沫放置于等离子体增强化学气相沉积反应腔内，抽真空至<10Pa，然后，加热至650℃；
6.打开CH4与H2气阀，通CH4与H2的混合气体，其中，H2的流量为40ml min-1，CH4的流量为10ml min-1，气压调整到300Pa；
7.开启微波等离子体源，功率调整至500W，维持10min；
8.关闭等离子体源，关闭CH4与H2气阀，打开N2气阀，通入N2，作为冷却气体，其流量为50ml min-1，待冷却至室温，取出垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫；
9.将所获得的垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫暴露于臭氧浓度为200ppm的环境中，维持2min，在垂直取向石墨烯的表面修饰含氧官能团，构筑水流通道，含氧官能团包括-OH、-CHO、-CHO；其中，臭氧是通过介质阻挡放电装置产生，空气作为原料；得到光热蒸发材料。
本实施例的各项性能测试结果见表1。
实施例4
本实施例所使用的高温蒸汽灭菌装置如实施例1所述，其中，光热蒸发材料2的制备方法如下：
1.配置氧化石墨烯水溶液，其中，氧化石墨烯的浓度为6g L-1，十水四硼酸钠的浓度为5mmol L-1，乙二胺浓度为20mmol L-1；
2.配置好的氧化石墨烯水溶液被转移到铁氟龙高温高压反应釜，在90℃环境下维持12h，随后在180℃环境下维持6h，最后，冷却到室温，获得石墨烯水凝胶；
3.用乙醇水溶液浸泡所获得的石墨烯水凝胶24h，其中，乙醇的体积分数为30％，目的是清洗石墨烯水凝胶表面残留的添加剂；
4.将清洗后的石墨烯水凝胶转移到温度为-10℃的冷冻腔，冷冻24h，然后转移到温度为-20℃、气压<650Pa的干燥腔，真空干燥48h，获得石墨烯泡沫；
5.将所获得的石墨烯泡沫放置于等离子体增强化学气相沉积反应腔内，抽真空至<10Pa，然后，加热至600℃；
6.打开CH4与H2气阀，通入CH4与H2的混合气体，其中，H2的流量为50ml min-1，CH4的流量为10ml min-1，气压调整到500Pa；
7.开启微波等离子体源，功率调整至500W，维持20min；
8.关闭等离子体源，关闭CH4与H2气阀，打开N2气阀，通入N2，作为冷却气体，其流量为100ml min-1，待冷却至室温，取出垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫；
9.将所获得的垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫暴露于臭氧浓度为200ppm的环境中，维持2min，在垂直取向石墨烯的表面修饰含氧官能团，构筑水流通道，含氧官能团包括-OH、-CHO、-CHO；其中，臭氧是通过介质阻挡放电装置产生，空气作为原料；得到光热蒸发材料。
本实施例的各项性能测试结果见表1。
实施例5
本实施例所使用的高温蒸汽灭菌装置如实施例1所述，其中，光热蒸发材料2的制备方法如下：
1.配置氧化石墨烯水溶液，其中，氧化石墨烯的浓度为1g L-1；
2.配置好的氧化石墨烯水溶液被转移到铁氟龙高温高压反应釜，在120℃环境下维持6h，然后，冷却到室温，获得石墨烯水凝胶；
3.将清洗后的石墨烯水凝胶转移到温度为-10℃的冷冻腔，冷冻12h，然后转移到温度为-10℃、气压<650Pa的干燥腔，真空干燥12h，获得石墨烯泡沫；
4.将所获得的石墨烯泡沫放置于等离子体增强化学气相沉积反应腔内，抽真空至<10Pa，然后，加热至500℃；
5.打开CH4与H2气阀，通入CH4与H2的混合气体，其中，H2的流量为20ml min-1，CH4的流量为1ml min-1，气压调整到10Pa；
6.开启电感耦合等离子体源，功率调整至200W，维持180min；
7.关闭等离子体源，关闭CH4与H2气阀，打开Ar气阀，通入Ar，作为冷却气体，其流量为10ml min-1，待冷却至室温，取出垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫；
8.将所获得的垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫暴露于臭氧浓度为200ppm的环境中，维持10min，在垂直取向石墨烯的表面修饰含氧官能团，构筑水流通道，含氧官能团包括-OH、-CHO、-CHO；其中，臭氧是通过介质阻挡放电装置产生，空气作为原料；得到光热蒸发材料。
本实施例的各项性能测试结果见表1。
实施例6
本实施例所使用的高温蒸汽灭菌装置如实施例1所述，其中，光热蒸发材料2的制备方法如下：
1.配置氧化石墨烯水溶液，其中，氧化石墨烯的浓度为10g L-1，十水四硼酸钠的浓度为10mmol L-1，乙二胺浓度为100mmol L-1；
2.配置好的氧化石墨烯水溶液被转移到铁氟龙高温高压反应釜，在120℃环境下维持12h，随后在180℃环境下维持6h，最后，冷却到室温，获得石墨烯水凝胶；
3.用乙醇水溶液浸泡所获得的石墨烯水凝胶24h，其中，乙醇的体积分数为30％，目的是清洗石墨烯水凝胶表面残留的添加剂；
4.将清洗后的石墨烯水凝胶转移到温度为-80℃的冷冻腔，冷冻12h，然后转移到温度为-10℃、气压<650Pa的干燥腔，真空干燥12h，获得石墨烯泡沫；
5.将所获得的石墨烯泡沫放置于等离子体增强化学气相沉积反应腔内，抽真空至<10Pa，然后，加热至1000℃；
6.打开CH4气阀，通入CH4，其中，CH4的流量为1ml min-1，气压调整到1000Pa；
7.开启微波等离子体源，功率调整至500W，维持1min；
8.关闭等离子体源，关闭CH4气阀，打开N2气阀，通入N2，作为冷却气体，其流量为50ml min-1，待冷却至室温，取出垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫；
9.将所获得的垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫暴露于臭氧浓度为200ppm的环境中，维持1min，在垂直取向石墨烯的表面修饰含氧官能团，构筑水流通道，含氧官能团包括-OH、-CHO、-CHO；其中，臭氧是通过介质阻挡放电装置产生，空气作为原料；得到光热蒸发材料。
本实施例的各项性能测试结果见表1。
实施例7
本实施例所使用的高温蒸汽灭菌装置如实施例1所述，其中，光热蒸发材料2的制备方法如下：
1.配置氧化石墨烯水溶液，其中，氧化石墨烯的浓度为6g L-1，十水四硼酸钠的浓度为1mmol L-1，丁二胺浓度为4mmol L-1；
2.配置好的氧化石墨烯水溶液被转移到铁氟龙高温高压反应釜，在90℃环境下维持6h，随后在120℃环境下维持6h，最后，冷却到室温，获得石墨烯水凝胶；
3.用乙醇水溶液浸泡所获得的石墨烯水凝胶12h，其中，乙醇的体积分数为20％，目的是清洗石墨烯水凝胶表面残留的添加剂；
4.将清洗后的石墨烯水凝胶转移到温度为-80℃的冷冻腔，冷冻12h，然后转移到温度为-10℃、气压<650Pa的干燥腔，真空干燥12h，获得石墨烯泡沫；
5.将所获得的石墨烯泡沫放置于等离子体增强化学气相沉积反应腔内，抽真空至<10Pa，然后，加热至800℃；
6.打开CH4与H2气阀，通入CH4与H2的混合气体，其中，H2的流量为50ml min-1，CH4的流量为50ml min-1，气压调整到1000Pa；
7.开启直流辉光放电等离子体源，功率调整至500W，维持30min；
8.关闭等离子体源，关闭CH4与H2气阀，打开N2气阀，通入N2，作为冷却气体，其流量为50ml min-1，待冷却至室温，取出垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫；
9.将所获得的垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫暴露于臭氧浓度为200ppm的环境中，维持5min，在垂直取向石墨烯的表面修饰含氧官能团，构筑水流通道，含氧官能团包括-OH、-CHO、-CHO；其中，臭氧是通过介质阻挡放电装置产生，空气作为原料；得到光热蒸发材料。
本实施例的各项性能测试结果见表1。
实施例8
本实施例所使用的高温蒸汽灭菌装置如实施例1所述，其中，光热蒸发材料2的制备方法如下：
1.配置氧化石墨烯水溶液，其中，氧化石墨烯的浓度为6g L-1，十水四硼酸钠的浓度为2mmol L-1，丁二胺浓度为4mmol L-1；
2.配置好的氧化石墨烯水溶液被转移到铁氟龙高温高压反应釜，在120℃环境下维持12h，然后，冷却到室温，获得石墨烯水凝胶；
3.用乙醇水溶液浸泡所获得的石墨烯水凝胶12h，其中，乙醇的体积分数为20％，目的是清洗石墨烯水凝胶表面残留的添加剂；
4.将清洗后的石墨烯水凝胶转移到温度为-80℃的冷冻腔，冷冻12h，然后转移到温度为-10℃、气压<650Pa的干燥腔，真空干燥12h，获得石墨烯泡沫；
5.将所获得的石墨烯泡沫放置于等离子体增强化学气相沉积反应腔内，抽真空至<10Pa，然后，加热至700℃；
6.打开CH4与H2气阀，通入CH4与H2的混合气体，其中，H2的流量为5ml min-1，CH4的流量为5ml min-1，气压调整到100Pa；
7.开启微波等离子体源，功率调整至250W，维持1min；
8.关闭微波等离子体源，关闭CH4与H2气阀，打开Ar气阀，通入Ar，作为冷却气体，其流量为20ml min-1，待冷却至室温，取出垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫；
9.将所获得的垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫暴露于臭氧浓度为200ppm的环境中，维持3min，在垂直取向石墨烯的表面修饰含氧官能团，构筑水流通道，含氧官能团包括-OH、-CHO、-CHO；其中，臭氧是通过介质阻挡放电装置产生，空气作为原料；得到光热蒸发材料。
本实施例的各项性能测试结果见表1。
实施例9
本实施例所使用的高温蒸汽灭菌装置如实施例1所述，其中，光热蒸发材料2的制备方法如下：
1.配置氧化石墨烯水溶液，其中，氧化石墨烯的浓度为6g L-1，十水四硼酸钠的浓度为3mmol L-1；己二胺浓度为4mmol L-1；
2.配置好的氧化石墨烯水溶液被转移到铁氟龙高温高压反应釜，在90℃环境下维持6h，随后在180℃环境下维持6h，最后，冷却到室温，获得石墨烯水凝胶；
3.用乙醇水溶液浸泡所获得的石墨烯水凝胶12h，其中，乙醇的体积分数为20％，目的是清洗石墨烯水凝胶表面残留的添加剂；
4.将清洗后的石墨烯水凝胶转移到温度为-80℃的冷冻腔，冷冻12h，然后转移到温度为-10℃、气压<650Pa的干燥腔，真空干燥12h，获得石墨烯泡沫；
5.将所获得的石墨烯泡沫放置于等离子体增强化学气相沉积反应腔内，抽真空至<10Pa，然后，加热至700℃；
6.打开CH4与H2气阀，通入CH4与H2的混合气体，其中，H2的流量为5ml min-1，CH4的流量为5ml min-1，气压调整到100Pa；
7.开启电感耦合等离子体源，功率调整至250W，维持60min；
8.关闭微波等离子体源，关闭CH4与H2气阀，打开Ar气阀，通入Ar，作为冷却气体，其流量为20ml min-1，待冷却至室温，取出垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫；
9.将所获得的垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫暴露于臭氧浓度为200ppm的环境中，维持3min，在垂直取向石墨烯的表面修饰含氧官能团，构筑水流通道，含氧官能团包括-OH、-CHO、-CHO；其中，臭氧是通过介质阻挡放电装置产生，空气作为原料；得到光热蒸发材料。
本实施例的各项性能测试结果见表1。
实施例10
本实施例所使用的高温蒸汽灭菌装置如实施例1所述，其中，光热蒸发材料2的制备方法如下：
1.配置氧化石墨烯水溶液，其中，氧化石墨烯的浓度为6g L-1，十水四硼酸钠的浓度为4mmol L-1，环己二胺浓度为4mmol L-1；
2.配置好的氧化石墨烯水溶液被转移到铁氟龙高温高压反应釜，在120℃环境下维持6h，随后在180℃环境下维持6h，最后，冷却到室温，获得石墨烯水凝胶；
3.用乙醇水溶液浸泡所获得的石墨烯水凝胶12h，其中，乙醇的体积分数为20％，目的是清洗石墨烯水凝胶表面残留的添加剂；
4.将清洗后的石墨烯水凝胶转移到温度为-80℃的冷冻腔，冷冻12h，然后转移到温度为-10℃、气压<650Pa的干燥腔，真空干燥12h，获得石墨烯泡沫；
5.将所获得的石墨烯泡沫放置于等离子体增强化学气相沉积反应腔内，抽真空至<10Pa，然后，加热至700℃；
6.打开CH4与H2气阀，通入CH4与H2的混合气体，其中，H2的流量为5ml min-1，CH4的流量为5ml min-1，气压调整到100Pa；
7.开启电感耦合等离子体源，功率调整至250W，维持30min；
8.关闭微波等离子体源，关闭CH4与H2气阀，打开Ar气阀，通入Ar，作为冷却气体，其流量为20ml min-1，待冷却至室温，取出垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫；
9.将所获得的垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫暴露于臭氧浓度为200ppm的环境中，维持3min，在垂直取向石墨烯的表面修饰含氧官能团，构筑水流通道，含氧官能团包括-OH、-CHO、-CHO；其中，臭氧是通过介质阻挡放电装置产生，空气作为原料；得到光热蒸发材料。
本实施例的各项性能测试结果见表1。
表1实施例1-10制备的光热蒸发材料和高温蒸汽灭菌装置的性能测试结果
上述是结合实施例对本发明作出的详细说明，但是本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它任何在本发明专利核心指导思想下所作的改变、替换、组合简化等都包含在本发明专利的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高温蒸汽灭菌装置，其特征在于，所述高温蒸汽灭菌装置包括蒸汽室、覆盖在蒸汽室上的聚光板、装配在蒸汽室内部的载物盘和蓄水杯、以及位于蓄水杯中的光热蒸发材料。
2.根据权利要求1所述的高温蒸汽灭菌装置，其特征在于，所述载物盘竖直方向有若干个通孔；所述聚光板将光束聚集到蓄水杯内；所述聚光板与蓄水杯的横截面形状相同，横截面积比为10-100：1，聚光板与蓄水杯同心装配。
3.根据权利要求1所述的高温蒸汽灭菌装置，其特征在于，所述蒸汽室的内部设置安装载物盘的托台。
4.根据权利要求1所述的高温蒸汽灭菌装置，其特征在于，所述光热蒸发材料包括隔热体和覆盖在隔热体外表面的吸光体，所述吸光体为垂直取向石墨烯，所述隔热体为石墨烯泡沫，所述垂直取向石墨烯和石墨烯泡沫以共价键形式连接；所述吸光体为表面经亲水官能团修饰的垂直取向石墨烯。
5.根据权利要求4所述的高温蒸汽灭菌装置，其特征在于，所述吸光体的吸光率为90-99％，所述隔热体的热导率为0.02-0.2W m-1 K-1。
6.根据权利要求4所述的高温蒸汽灭菌装置，其特征在于，所述光热蒸发材料的制备方法包括如下步骤：
(1)配制氧化石墨烯水溶液，
(2)将步骤(1)得到的氧化石墨烯水溶液转移到高温高压反应釜中进行水热法反应，冷却得到石墨烯水凝胶；
(3)用乙醇水溶液浸泡步骤(2)得到的石墨烯水凝胶；
(4)将石墨烯水凝胶转移到冷冻腔冷冻，之后转移到干燥腔真空干燥，得到石墨烯泡沫；
(5)将获得的石墨烯泡沫放置于等离子体增强化学气相沉积反应腔内，通入甲烷或者氢气与甲烷的混合气，进行化学气相沉积反应后，通入惰性气体，冷却，得到垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫；
(6)将步骤(5)得到的垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫暴露于臭氧环境中，在垂直取向石墨烯的表面产生修饰亲水官能团，得到光热蒸发材料。
7.根据权利要求6所述的高温蒸汽灭菌装置，其特征在于，所述步骤(1)中的氧化石墨烯水溶液还包括添加剂，所述添加剂包括十水四硼酸钠、胺基化合物或其混合物；所述氧化石墨烯的浓度为1-10g L-1，所述十水四硼酸钠浓度为0-10mmol L-1，所述的胺基化合物的浓度为0-100mmol L-1；所述十水四硼酸钠浓度和胺基化合物的浓度不同时为0。
8.根据权利要求6所述的高温蒸汽灭菌装置，其特征在于，所述步骤(2)中水热法反应条件为：反应温度为90-180℃；反应时间为6-18h。
9.根据权利要求6所述的高温蒸汽灭菌装置，其特征在于，所述步骤(5)中氢气与甲烷的混合气的流量比为0-20：1。
10.根据权利要求6所述的高温蒸汽灭菌装置，其特征在于，所述步骤(5)中化学气相沉积反应的反应条件为：合成温度为500-1000℃，合成气压为10-1000Pa。
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