CN111154138A - 一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料及其制备方法，将植物纤维、纳米纤维素、炭黑及胶黏剂混合，配制得到混合悬浮液；对混合悬浮液进行搅拌使其发泡，得到炭黑/纤维素复合湿泡沫体系；对炭黑/纤维素复合湿泡沫体系进行定向冷冻，干燥，得到所述的用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料；本发明通过将具有较大尺寸的植物纤维和具有较小尺寸的纳米纤维素结合，优化了孔结构，使其具有优良的输水和隔热性能；长短纤维互相交织，有效提高了光热材料的强度；植物纤维和纳米纤维素相容性好，强度大，成本较低；通过添加炭黑，使光热材料的光热转化效率高，工艺简单易行，避免了对环境造成二次污染。

Description

一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料及其制备 方法
技术领域
本发明属于太阳能高效利用技术领域，特别涉及一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料及其制备方法。
背景技术
太阳能是一种绿色清洁、广谱广域的可再生能源，将太阳能转化为热能进行水分蒸发被认为是一种绿色节能的海水淡化方法。目前太阳能光热转换材料多为等离激元材料、半导体材料、碳基材料；其中等离激元材料和半导体材料存在成本高、难以回收、工艺较复杂等缺点，而天然碳基材料其结构具有特定性，很难实现材料结构与性能的优化调控。因此，开发低成本、结构优良、工艺简单、清洁环保的新型高效光热材料，成为太阳能海水淡化领域亟需解决的关键问题。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料及其制备方法，以解决现有技术中的光热材料成本高，回收难度大，工艺复杂及结构性能优化难度较大的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供了一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将植物纤维、纳米纤维素、炭黑及胶黏剂混合，配制得到混合悬浮液；
步骤2、对混合悬浮液进行搅拌使其发泡，得到炭黑/纤维素复合湿泡沫体系；
步骤3、对炭黑/纤维素复合湿泡沫体系进行定向冷冻，干燥，得到所述的用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料。
进一步的，步骤1中，植物纤维的纤维打浆度为50°SR～80°SR。
进一步的，步骤1中，混合悬浮液中各组分的含量分别为：纳米纤维素：1-20wt％，植物纤维：1-20wt％，炭黑：1-20wt％，胶黏剂：1-20wt％及水：其余量，上述组份的含量合计为100wt％。
进一步的，步骤2中，采用机械搅拌方式使混合悬浮液发泡。
进一步的，搅拌转速为600-2000r/min，搅拌时间5-12min。
进一步的，步骤3中，冷冻时间为1-24h，冷冻温度为-80℃～-18℃。
进一步的，步骤3中，干燥采用冷冻干燥，冷冻干燥时间为为1-100h，冷冻干燥温度为-80℃～-18℃。
本发明还提供了一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料，利用所述的一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料的制备方法制备得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料的制备方法，采用来源丰富的植物纤维和纳米纤维素相结合作为骨架，以炭黑作为光吸收剂，采用胶黏剂使其紧密结合；通过将具有较大尺寸的植物纤维和具有较小尺寸的纳米纤维素结合，优化了光热材料的孔结构，使其具有优良的输水和隔热性能；同时，长短纤维互相交织，有效提高了光热材料的强度；植物纤维和纳米纤维素同来源于植物，相容性好，材料强度大，成本较低；通过添加炭黑，使光热材料的光热转化效率高，工艺简单易行，能耗低；本发明所制备的一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料，能够实现生物降解，避免了对环境造成二次污染等有益效果，为太阳能海水淡化的大规模应用提供了有利的技术支持。
附图说明
图1为本发明所述的炭黑/纤维素复合光热材料的紫外-可见-近红外吸收光谱图；
图2为本发明所述的炭黑/纤维素复合光热材料用于模拟海水蒸发的蒸发速率图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步详细解释说明。
本发明提供了一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、对植物纤维进行打浆或磨浆处理，得到打浆纤维；其中，打浆纤维的打浆度为50°SR～80°SR；
步骤2、将步骤1中打浆纤维、纳米纤维素、炭黑及胶黏剂混合，配制得到混合悬浮液；其中，混合悬浮液中各组分的含量分别为：纳米纤维素：1-20wt％，植物纤维：1-20wt％，炭黑：1-20wt％，胶黏剂：1-20wt％及水：其余量，上述组份的含量合计为100wt％；
步骤3、采用机械搅拌方式，对混合悬浮液进行搅拌使其发泡，得到炭黑/纤维素复合湿泡沫体系；机械搅拌时间为600-2000r/min，搅拌时间5-12min；
步骤4、对炭黑/纤维素复合湿泡沫体系进行定向冷冻、干燥，得到所述的用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料；其中，冷冻时间为1-24h，冷冻温度为-80℃～-18℃；干燥采用冷冻干燥，冷冻干燥时间为为1-100h，冷冻干燥温度为-80℃～-18℃。
本发明所述的一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料的制备方法，采用同来源于植物的纤维素纤维和纳米纤维素相结合作为支撑骨架，相容性好，明显提高了材料强度；同时，采用不同尺寸梯度的纤维素纤丝结合改善了光热材料整体结构，并实现结构与性能的优化匹配，使其拥有优良的光吸收、输水和隔热性能；本发明通过机械搅拌、冷冻干燥制备炭黑/纤维素复合光热材料，工艺简单且能耗低。
本发明采用价格便宜、资源丰富的植物纤维和纳米纤维素相结合作为支撑骨架，采用胶黏剂使其紧密结合，以炭黑作为光吸收剂，经过机械搅拌、冷冻干燥等流程；制备得到了一种低成本、结构优良、工艺简单、可生物降解的炭黑/纤维素复合光热材料；本发明中通过将具有较大尺寸的植物纤维和具有较小尺寸的纳米纤维素结合，不仅优化了孔结构使其拥有优良的输水和隔热性能，而且长短纤维互相交织可提高材料的强度；所制备的光热材料是可生物降解的，为太阳能海水淡化的大规模应用提供了有利的技术支持。
实施例1
实施例1提供了一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、对漂泊阔叶木纤维进行打浆或磨浆处理，得到打浆纤维；其中，打浆纤维的打浆度为50°SR；
步骤2、将步骤1中打浆纤维、纳米纤维素、炭黑及胶黏剂混合，配制得到混合悬浮液；其中，混合悬浮液中各组分的含量分别为：纳米纤维素：20wt％，植物纤维：20wt％，炭黑：1wt％，胶黏剂：1wt％及水：其余量，上述组份的含量合计为100wt％；
步骤3、采用机械搅拌方式，对混合悬浮液进行搅拌使其发泡，使大量空气进入体系内而形成泡沫，得到炭黑/纤维素复合湿泡沫体系；机械搅拌时间为600r/min，搅拌时间10min；
步骤4、对炭黑/纤维素复合湿泡沫体系进行定向冷冻、干燥，得到所述的用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料；其中，冷冻时间为24h，冷冻温度为-18℃；干燥采用冷冻干燥，冷冻干燥时间为为10h，冷冻干燥温度为-18℃。
实施例2
实施例2提供了一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、对漂泊阔叶木纤维进行打浆或磨浆处理，得到打浆纤维；其中，打浆纤维的打浆度为60°SR；
步骤2、将步骤1中打浆纤维、纳米纤维素、炭黑及胶黏剂混合，配制得到混合悬浮液；其中，混合悬浮液中各组分的含量分别为：纳米纤维素：1wt％，植物纤维：1wt％，炭黑：20wt％，胶黏剂：20wt％及水：其余量，上述组份的含量合计为100wt％；
步骤3、采用机械搅拌方式，对混合悬浮液进行搅拌使其发泡，使大量空气进入体系内而形成泡沫，得到炭黑/纤维素复合湿泡沫体系；机械搅拌时间为2000r/min，搅拌时间5min；
步骤4、对炭黑/纤维素复合湿泡沫体系进行定向冷冻、干燥，得到所述的用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料；其中，冷冻时间为1h，冷冻温度为-18℃；干燥采用冷冻干燥，冷冻干燥时间为为1h，冷冻干燥温度为-80℃。
实施例3
实施例3提供了一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、对漂泊阔叶木纤维进行打浆或磨浆处理，得到打浆纤维；其中，打浆纤维的打浆度为70°SR；
步骤2、将步骤1中打浆纤维、纳米纤维素、炭黑及胶黏剂混合，配制得到混合悬浮液；其中，混合悬浮液中各组分的含量分别为：纳米纤维素：10wt％，植物纤维：10wt％，炭黑：10wt％，胶黏剂：2wt％及水：其余量，上述组份的含量合计为100wt％；
步骤3、采用机械搅拌方式，对混合悬浮液进行搅拌使其发泡，使大量空气进入体系内而形成泡沫，得到炭黑/纤维素复合湿泡沫体系；机械搅拌时间为800r/min，搅拌时间6min；
步骤4、对炭黑/纤维素复合湿泡沫体系进行定向冷冻、干燥，得到所述的用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料；其中，冷冻时间为24h，冷冻温度为-80℃；干燥采用冷冻干燥，冷冻干燥时间为为100h，冷冻干燥温度为-80℃。
实施例4
实施例4提供了一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、对漂泊阔叶木纤维进行打浆或磨浆处理，得到打浆纤维；其中，打浆纤维的打浆度为80°SR；
步骤2、将步骤1中打浆纤维、纳米纤维素、炭黑及胶黏剂混合，配制得到混合悬浮液；其中，混合悬浮液中各组分的含量分别为：纳米纤维素：15wt％，植物纤维：20wt％，炭黑：1wt％，胶黏剂：20wt％及水：其余量，上述组份的含量合计为100wt％；
步骤3、采用机械搅拌方式，对混合悬浮液进行搅拌使其发泡，使大量空气进入体系内而形成泡沫，得到炭黑/纤维素复合湿泡沫体系；机械搅拌时间为1000r/min，搅拌时间12min；
步骤4、对炭黑/纤维素复合湿泡沫体系进行定向冷冻、干燥，得到所述的用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料；其中，冷冻时间为12h，冷冻温度为-80℃；干燥采用冷冻干燥，冷冻干燥时间为为100h，冷冻干燥温度为-18℃。
实施例5
实施例5提供了一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、对漂泊阔叶木纤维进行打浆或磨浆处理，得到打浆纤维；其中，打浆纤维的打浆度为55°SR；
步骤2、将步骤1中打浆纤维、纳米纤维素、炭黑及胶黏剂混合，配制得到混合悬浮液；其中，混合悬浮液中各组分的含量分别为：纳米纤维素：12wt％，植物纤维：1wt％，炭黑：1.5wt％，胶黏剂：20wt％及水：其余量，上述组份的含量合计为100wt％；
步骤3、采用机械搅拌方式，对混合悬浮液进行搅拌使其发泡，使大量空气进入体系内而形成泡沫，得到炭黑/纤维素复合湿泡沫体系；机械搅拌时间为2000r/min，搅拌时间5min；
步骤4、对炭黑/纤维素复合湿泡沫体系进行定向冷冻、干燥，得到所述的用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料；其中，冷冻时间为15h，冷冻温度为-55℃；干燥采用冷冻干燥，冷冻干燥时间为为80h，冷冻干燥温度为-80℃。
如附图1所示，附图1中所示为实施例1中制备的用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料的紫外-可见-近红外吸收光谱图；从附图1中可以看出，本发明实施例1中所制备的复合光热材料在紫外-可见-近红外光区可以达到较大的吸收，吸收波段较宽；经计算，总太阳能吸收率可达90％以上。
参考附图2所示，附图2中所示为实施例1中制备的用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料在1倍太阳光强度下用于模拟海水蒸发时的蒸发速率，盐水浓度为3.5％；从附图2中可以看出，相比于自然条件下海水的蒸发速率，借助本发明实施例1中所制备的复合光热材料时海水的蒸发速率有较为显著的增加，且蒸发过程较为稳定；经计算，海水蒸发速率可稳定在1.1697kg·m-2·h-1，比自然条件下增大了3倍多。
如表1所示，经试验检测结果表明，采用本发明实施例1-5所述的用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料，进行海水淡化过程，其海水蒸发速率能够达到1.1685-1.1697kg·m-2·h-1，而自然条件下，海水蒸发速率仅为0.374kg·m-2·h-1，由此利用本发明所述的用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料，能够实现高效光热转化和高效淡化海水。
表1不同条件下的CNF基同源异质光热材料的蒸发速率和蒸发效率
条件 蒸发速率(kg·m<sup>-2</sup>·h<sup>-1</sup>)
自然条件 0.374
实施例1 1.1697
实施例2 1.1685
实施例3 1.1692
实施例4 1.1689
实施例5 1.1695
本发明所述的一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料，解决了太阳能进行海水淡化所采用的材料中所存在的环境污染、成本高、制备工艺复杂等问题；本发明采用来源丰富的植物纤维和纳米纤维素相结合作为骨架，以炭黑作为光吸收剂，采用胶黏剂使其紧密结合，通过机械搅拌、冷冻干燥等一系列简单工艺，制备出一种可生物降解的炭黑/纤维素复合光热材料。本发明所制备的复合光热材料能够实现高效宽谱光吸收和高效的界面光蒸汽转化，即可以达到高效利用太阳能淡化海水的目的；本发明所述的复合光热材料的太阳能吸收率可达到90％以上，水蒸发速率可增大3倍多；此外，植物纤维的添加不仅可以优化材料的结构，增大强度，还大大降低了成本，并且本发明工艺简单、能耗低，这为太阳能海水淡化的大规模应用提供了有利的技术支持。
以上所述仅表示本发明的优选实施方式，任何人在不脱离本发明的原理下而做出的结构变形、改进和润饰等，这些变形、改进和润饰等均视为在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将植物纤维、纳米纤维素、炭黑及胶黏剂混合，配制得到混合悬浮液；
步骤2、对混合悬浮液进行搅拌使其发泡，得到炭黑/纤维素复合湿泡沫体系；
步骤3、对炭黑/纤维素复合湿泡沫体系进行定向冷冻，干燥，得到所述的用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料。
2.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，植物纤维的纤维打浆度为50°SR～80°SR。
3.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，混合悬浮液中各组分的含量分别为：纳米纤维素：1-20wt％，植物纤维：1-20wt％，炭黑：1-20wt％，胶黏剂：1-20wt％及水：其余量，上述组份的含量合计为100wt％。
4.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，采用机械搅拌方式使混合悬浮液发泡。
5.根据权利要求4所述的一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料的制备方法，其特征在于，搅拌转速为600-2000r/min，搅拌时间5-12min。
6.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，冷冻时间为1-24h，冷冻温度为-80℃～-18℃。
7.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，干燥采用冷冻干燥，冷冻干燥时间为为1-100h，冷冻干燥温度为-80℃～-18℃。
8.一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料，其特征在于，利用权利要求1-7任意一项所述的一种用于海水淡化的炭黑/纤维素复合光热材料的制备方法制备得到。
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