CN111204831A - 一种用于海水淡化的cnf基同源异质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CNF基同源异质光热材料及其制备方法，将纳米纤维素、胶黏剂、泡孔调节剂及水混合，配制得到混合悬浮液；对混合悬浮液进行发泡处理，得到纳米纤维素湿泡沫体系，对其进行定向冷冻，干燥，得到纳米纤维素基泡沫材料；对隔绝氧气处理后的纳米纤维素基泡沫材料的某一表面进行碳化处理，得到所述的用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料；本发明采用纳米纤维素为原材料，辅以胶黏剂，通过发泡方式制备得到泡沫材料，然后进行表面碳化；利用被炭化的上层表面实现宽谱高效的光吸收和快速蒸汽溢出，下层多孔结构实现供水和隔热，其光吸收层与载体层之间自然过渡，一体成型，无真正界面；原料丰富无污染，具有可生物降解性能。

Description

一种用于海水淡化的CNF基同源异质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CNF基同源异质光热材料及其制备方法。
背景技术
太阳能是一种取之不尽、用之不竭的绿色清洁能源，其中，太阳能的光热转化是最有效、最简单的利用方式。由于淡水资源的短缺和污染严重，利用太阳能进行光热转化以蒸发海水获得淡水势在必行。目前，同时具有上层吸光、下层输水并隔热的光热材料是该领域的研究热点，现有的光热材料大多是两种或多种材料复合而成的，由于不同材料的不相容性导致的界面结合是一个有待解决的关键问题。此外，大多数太阳能光热转换材料也存在难以回收的问题。因此，开发结构合理、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CNF基同源异质光热材料及其制备方法，以解决现有的光热材料由于采用不同材料不相容性，导致的界面结合性能较差的技术问题。
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CNF基同源异质光热材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将纳米纤维素、胶黏剂、泡孔调节剂及水混合，配制得到混合悬浮液；
步骤2、对混合悬浮液进行发泡处理，得到纳米纤维素湿泡沫体系；
步骤3、对纳米纤维素湿泡沫体系进行定向冷冻，干燥，得到纳米纤维素基泡沫材料；
步骤4、对纳米纤维素基泡沫材料进行隔绝氧气处理；
步骤5、对隔绝氧气处理后的纳米纤维素基泡沫材料的某一表面进行碳化处理，得到所述的用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料。
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％、胶黏剂：1～20wt％、泡孔调节剂：1～20wt％及水：其余量，上述组分的含量合计为100wt％。
进一步的，步骤2中，发泡处理过程采用物理发泡；具体的，通过搅拌使空气进入混合悬浮液内而形成泡沫。
进一步的，步骤3中，定向冷冻时间为1～20h，冷冻温度为-80℃～-18℃。
进一步的，步骤3中，干燥采用冷冻干燥方式，冷冻干燥时间为10～100h，冷冻干燥温度为-80℃～-18℃。
进一步的，步骤4中，隔绝氧气处理过程，采用铝箔纸将纳米纤维素基泡沫材料进行包裹，并预留进气口和出气口，然后在进气口通入氮气，采用氮气替换空气后，对铝箔纸进行封口处理。
进一步的，步骤5中，碳化处理过程采用在绝氧环境中进行。
进一步的，步骤5中，碳化温度为400～800℃，炭化层厚度3mm～10mm。
本发明还提供了一种用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料，利用所述的一种用于海水淡化的CNF基同源异质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CNF基同源异质光热材料的制备方法，通过采用纳米纤维素为原材料，辅以胶黏剂，通过发泡方式制备得到泡沫材料，然后进行表面碳化；本发明中利用被炭化的上层表面实现宽谱高效的光吸收和快速蒸汽溢出，利用下层多孔结构实现供水和隔热，其光吸收层与载体层之间为自然过渡，一体成型，并无真正界面；所述的一种用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料，具有同源异质双结构功能，上层表面材料经过碳化同时具有宽谱高效的光吸收和快速蒸汽溢出；而下层未碳化材料同时具有供水和隔热作用，实现了高效光热转化和淡化海水的目的；纳米纤维素来源于植物纤维，原料丰富无污染，制备的光热材料具有可生物降解性能。
附图说明
图1为实施例1中所述的CNF基同源异质光热材料的紫外-可见-近红外吸收光谱图；
图2为实施例1中所述的CNF基同源异质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CNF基同源异质光热材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将纳米纤维素、胶黏剂、泡孔调节剂及水混合，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％、胶黏剂：1～20wt％、泡孔调节剂：1～20wt％及水：其余量，上述组分的含量合计为100wt％；
步骤2、采用物理发泡方式对混合悬浮液进行发泡处理，得到纳米纤维素湿泡沫体系；具体的，通过搅拌混合悬浮液，使空气进入混合悬浮液内，进而形成纳米纤维素湿泡沫体系；
步骤3、对纳米纤维素湿泡沫体系进行定向冷冻，干燥，得到纳米纤维素基泡沫材料；其中，定向冷冻时间为1～20h，冷冻温度为-80℃～-18℃；干燥过程采用冷冻干燥，冷冻干燥时间为10-100h，冷冻干燥温度为-80℃～-18℃；
步骤4、对纳米纤维素基泡沫材料进行隔绝氧气处理，具体包括以下步骤：
采用铝箔纸将纳米纤维素基泡沫材料进行包裹，并预留进气口和出气口，然后在进气口通入氮气，采用氮气替换空气后，对铝箔纸进行封口处理；
步骤5、在高温绝氧环境中，对隔绝氧气处理后的纳米纤维素基泡沫材料的某一表面进行碳化处理，得到所述的用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料；其中碳化温度为400～800℃，炭化层厚度3mm～10mm。
本发明所述的一种用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料采用纳米纤维素为原材料，通过物理发泡、定向干燥及表面炭化等绿色工艺技术，制备得到一种可生物降解的具有光吸收层与载体层同源异质双结构功能的光热材料；本发明所述的光热材料利用被炭化的上层表面实现宽谱高效的光吸收和快速蒸汽溢出，利用下层多孔结构实现供水和隔热，并且其光吸收层与载体层之间为自然过渡，一体成型，并无真正界面；本发明所述的光热材料具有同源异质双结构，满足高效光热转化和淡化海水的目的；纳米纤维素来源于植物纤维，原料丰富无污染，所制备的光热材料是可生物降解的。
实施例1
实施例1提供了一种用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将纳米纤维素、胶黏剂、泡孔调节剂及水混合，配制得到混合悬浮液；所述混合悬浮液中各组分的含量分别为：纳米纤维素：1wt％、胶黏剂：20wt％、泡孔调节剂：20wt％及水其余量，上述组分的含量合计为100wt％；
步骤2、对混合悬浮液进行搅拌，使大量空气进入混合悬浮液内，形成泡沫，得到纳米纤维素湿泡沫体系；
步骤3、对纳米纤维素湿泡沫体系进行定向冷冻，干燥，得到纳米纤维素基泡沫材料；其中，定向冷冻时间为1h，冷冻温度为-18℃；干燥过程采用冷冻干燥，冷冻干燥时间为100h，冷冻干燥温度为-50℃；
步骤4、采用氮气替换空气，对纳米纤维素基泡沫材料进行隔绝氧气处理；具体包括以下步骤：
采用铝箔纸将纳米纤维素基泡沫材料进行包裹，并预留进气口和出气口，然后在进气口通入氮气，采用氮气替换空气后，迅速对铝箔纸进行封口处理；
步骤5、在高温绝氧环境中，对隔绝氧气处理后的纳米纤维素基泡沫材料的某一表面进行碳化处理，得到所述的用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料；其中碳化温度为400℃，炭化层厚度10mm。
实施例2
实施例2提供了一种用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将纳米纤维素、胶黏剂、泡孔调节剂及水混合，配制得到混合悬浮液；所述混合悬浮液中各组分的含量分别为：纳米纤维素：10wt％、胶黏剂：1wt％、泡孔调节剂：20wt％及水其余量，上述组分的含量合计为100wt％；
步骤2、对混合悬浮液进行搅拌，使大量空气进入混合悬浮液内，形成泡沫，得到纳米纤维素湿泡沫体系；
步骤3、对纳米纤维素湿泡沫体系进行定向冷冻，干燥，得到纳米纤维素基泡沫材料；其中，定向冷冻时间为20h，冷冻温度为-80℃；干燥过程采用冷冻干燥，冷冻干燥时间为10h，冷冻干燥温度为-60℃；
步骤4、采用氮气替换空气，对纳米纤维素基泡沫材料进行隔绝氧气处理；具体包括以下步骤：
采用铝箔纸将纳米纤维素基泡沫材料进行包裹，并预留进气口和出气口，然后在进气口通入氮气，采用氮气替换空气后，对铝箔纸进行封口处理；
步骤5、在高温绝氧环境中，对隔绝氧气处理后的纳米纤维素基泡沫材料的某一表面进行碳化处理，得到所述的用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料；其中碳化温度为800℃，炭化层厚度5mm。
实施例3
实施例3提供了一种用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将纳米纤维素、胶黏剂、泡孔调节剂及水混合，配制得到混合悬浮液；所述混合悬浮液中各组分的含量分别为：纳米纤维素：8wt％、胶黏剂：16wt％、泡孔调节剂：2wt％及水其余量，上述组分的含量合计为100wt％；
步骤2、对混合悬浮液进行搅拌，使大量空气进入混合悬浮液内，形成泡沫，得到纳米纤维素湿泡沫体系；
步骤3、对纳米纤维素湿泡沫体系进行定向冷冻，干燥，得到纳米纤维素基泡沫材料；其中，定向冷冻时间为10h，冷冻温度为-80℃；干燥过程采用冷冻干燥，冷冻干燥时间为50h，冷冻干燥温度为-80℃；
步骤4、采用氮气替换空气，对纳米纤维素基泡沫材料进行隔绝氧气处理；具体包括以下步骤：
采用铝箔纸将纳米纤维素基泡沫材料进行包裹，并预留进气口和出气口，然后在进气口通入氮气，采用氮气替换空气后，对铝箔纸进行封口处理；
步骤5、在高温绝氧环境中，对隔绝氧气处理后的纳米纤维素基泡沫材料的某一表面进行碳化处理，得到所述的用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料；其中碳化温度为600℃，炭化层厚度8mm。
实施例4
实施例4提供了一种用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将纳米纤维素、胶黏剂、泡孔调节剂及水混合，配制得到混合悬浮液；所述混合悬浮液中各组分的含量分别为：纳米纤维素：10wt％、胶黏剂：20wt％、泡孔调节剂：15wt％及水其余量，上述组分的含量合计为100wt％；
步骤2、对混合悬浮液进行搅拌，使大量空气进入混合悬浮液内，形成泡沫，得到纳米纤维素湿泡沫体系；
步骤3、对纳米纤维素湿泡沫体系进行定向冷冻，干燥，得到纳米纤维素基泡沫材料；其中，定向冷冻时间为20h，冷冻温度为-55℃；干燥过程采用冷冻干燥，冷冻干燥时间为24h，冷冻干燥温度为-18℃；
步骤4、采用氮气替换空气，对纳米纤维素基泡沫材料进行隔绝氧气处理；具体包括以下步骤：
采用铝箔纸将纳米纤维素基泡沫材料进行包裹，并预留进气口和出气口，然后在进气口通入氮气，采用氮气替换空气后，对铝箔纸进行封口处理；
步骤5、在高温绝氧环境中，对隔绝氧气处理后的纳米纤维素基泡沫材料的某一表面进行碳化处理，得到所述的用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料；其中碳化温度为700℃，炭化层厚度7mm。
实施例5
实施例5提供了一种用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将纳米纤维素、胶黏剂、泡孔调节剂及水混合，配制得到混合悬浮液；所述混合悬浮液中各组分的含量分别为：纳米纤维素：2wt％、胶黏剂：10wt％、泡孔调节剂：10wt％及水其余量，上述组分的含量合计为100wt％；
步骤2、对混合悬浮液进行搅拌，使大量空气进入混合悬浮液内，形成泡沫，得到纳米纤维素湿泡沫体系；
步骤3、对纳米纤维素湿泡沫体系进行定向冷冻，干燥，得到纳米纤维素基泡沫材料；其中，定向冷冻时间为12h，冷冻温度为-50℃；干燥过程采用冷冻干燥，冷冻干燥时间为80h，冷冻干燥温度为-55℃；
步骤4、采用氮气替换空气，对纳米纤维素基泡沫材料进行隔绝氧气处理；具体包括以下步骤：
采用铝箔纸将纳米纤维素基泡沫材料进行包裹，并预留进气口和出气口，然后在进气口通入氮气，采用氮气替换空气后，对铝箔纸进行封口处理；
步骤5、在高温绝氧环境中，对隔绝氧气处理后的纳米纤维素基泡沫材料的某一表面进行碳化处理，得到所述的用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料；其中碳化温度为500℃，炭化层厚度3mm。
如附图1所示，附图1中所示为实施例1中制备的CNF基同源异质光热材料的紫外-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所制备的CNF基同源异质光热材料在紫外-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。
如附图2所示，附图2中所示为实施例1中制备的CNF基同源异质光热材料在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所制备的CNF基同源异质光热材料时，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，海水蒸发速率可增大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CNF基同源异质光热材料，进行海水淡化过程，其海水蒸发速率能够达到1.260-1.265kg·m-2·h-1，海水蒸发效率达到83.95％-85.42％，而自然条件下，海水蒸发速率仅为0.374kg·m-2·h-1，海水蒸发效率为25.26％，由此利用本发明所述的用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料，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>) 蒸发效率(％)
自然条件 0.374 25.26
实施例1 1.265 85.42
实施例2 1.253 84.65
实施例3 1.243 83.95
实施例4 1.261 85.15
实施例5 1.260 85.06
本发明所述的一种用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料及其制备方法，针对目前利用太阳能进行海水淡化的光热材料中所存在的环境污染、材料结构不合理、界面结合不牢固等问题；本发明采用纳米纤维素CNF为原材料，辅以胶黏剂，通过物理发泡的方法将其制备成泡沫材料，然后进行表面炭化，得到所述的CNF基同源异质光热材料；本发明所制备的CNF基同源异质光热材料，同时具备高效宽谱光吸收、合理供水和蒸汽溢出通道以及良好的隔热性能，可以实现高效光热转化和高效淡化海水；此外，本发明中所用原料为纳米纤维素，对环境有利，这为太阳能海水淡化技术的普及提供了新思路。
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 (9)

1.一种用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将纳米纤维素、胶黏剂、泡孔调节剂及水混合，配制得到混合悬浮液；
步骤2、对混合悬浮液进行发泡处理，得到纳米纤维素湿泡沫体系；
步骤3、对纳米纤维素湿泡沫体系进行定向冷冻，干燥，得到纳米纤维素基泡沫材料；
步骤4、对纳米纤维素基泡沫材料进行隔绝氧气处理；
步骤5、对隔绝氧气处理后的纳米纤维素基泡沫材料的某一表面进行碳化处理，得到所述的用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料。
2.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化的CNF基同源异质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％、胶黏剂：1～20wt％、泡孔调节剂：1～20wt％及水：其余量，上述组分的含量合计为100wt％。
3.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，发泡处理过程采用物理发泡；具体的，通过搅拌使空气进入混合悬浮液内而形成泡沫。
4.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，定向冷冻时间为1～20h，冷冻温度为-80℃～-18℃。
5.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，干燥采用冷冻干燥方式，冷冻干燥时间为10～100h，冷冻干燥温度为-80℃～-18℃。
6.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料的制备方法，其特征在于，步骤4中，隔绝氧气处理过程，采用铝箔纸将纳米纤维素基泡沫材料进行包裹，并预留进气口和出气口，然后在进气口通入氮气，采用氮气替换空气后，对铝箔纸进行封口处理。
7.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料的制备方法，其特征在于，步骤5中，碳化处理过程采用在绝氧环境中进行。
8.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料的制备方法，其特征在于，步骤5中，碳化温度为400～800℃，炭化层厚度3mm～10mm。
9.一种用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料，其特征在于，利用权利要求1-8任意一项所述的一种用于海水淡化的CNF基同源异质光热材料的制备方法制备得到。
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