CN111285704A - 一种用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料的制备方法，首先将纳米纤维素、泡孔调节剂、环氧树脂、聚酰胺树脂及水混合，搅拌至均匀，静置脱气，得到均质悬浮液，并进行定向冷冻，干燥，得到纤维素基多孔材料；碳化处理，得到所述的用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料；本发明通过采用纳米纤维素为基材，以环氧树脂和聚酰胺树脂为胶黏剂，通过冷冻、干燥，冰晶升华后产生孔隙，使其具有丰富多孔的网络结构，利于光线在纤维素源碳基光热转换材料中进行多重散射，有效提高了太阳能的吸收率，满足太阳能海水淡化需要，提高了界面光蒸汽转化效率，实现了海水淡化效率的最大化；原料广泛，成本低，且具有生物降解性能。

Description

一种用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料及其制备 方法
技术领域
本发明属于太阳能海水淡化技术领域，特别涉及一种用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料及其制备方法。
背景技术
随着全球人口的快速增长和水污染问题的日益严重，淡水资源紧缺已成为全球性的危机。太阳能是一种清洁可持续能源，利用太阳能进行海水淡化以获得人类可用的淡水是一种简单可行且有效的方法。现有技术中，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、生物降解性差、载体层污染水体等缺点，而碳基材料大多来源于天然植物，其结构、性能和规模往往受到天然原料本身结构和尺寸限制，很难实现材料结构与性能的优化调控。因此，开发低成本、结构可控、清洁环保的新型高效光热转换材料，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纤维素源碳基光热转换材料及其制备方法，以解决现有技术中的太阳能光热转换材料成本较高，生物降解性差及结构不可控的技术问题，以实现太阳能的高效利用及水的高效蒸发。
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纤维素源碳基光热转换材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将纳米纤维素、泡孔调节剂、环氧树脂、聚酰胺树脂及水混合，配制得到混合悬浮液；
步骤2、对混合悬浮液进行搅拌至均匀，静置脱气，得到均质悬浮液；
步骤3、对步骤2中的均质悬浮液进行定向冷冻，干燥，得到纤维素基多孔材料；
步骤4、将纤维素基多孔材料进行碳化处理，得到所述的用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料。
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：1～10wt％、环氧树脂：2～10wt％、聚酰胺树脂：5～10wt％、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，将混合悬浮液置于高速顶置搅拌器中进行搅拌，搅拌转速为1000～2000r/min，搅拌时间10～30min。
进一步的，步骤2中，静置脱气时间为12～24h。
进一步的，步骤3中，定向冷冻时间为5-20h，冷冻温度为-80℃～-18℃。
进一步的，干燥采用冷冻干燥方式，冷冻干燥温度为-80℃～-18℃，冷冻干燥时间为10～50h。
进一步的，碳化处理过程采用在氩气氛围条件下，碳化温度为400～700℃，保温时间1～2h，升温速率5～10℃/min。
本发明还提供了一种用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料，利用所述的一种海水淡化的纤维素源碳基光热转换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纤维素源碳基光热转换材料的制备方法，通过采用纳米纤维素为基材，以环氧树脂和聚酰胺树脂为胶黏剂，依次通过定向冷冻、干燥及碳化处理制备得到，制备的纤维素源碳基光热转换材料具有丰富多孔的网络结构；通过冷冻、干燥，冰晶升华后产生孔隙，利于光线在纤维素源碳基光热转换材料中进行多重散射，有效提高了太阳能的吸收率，满足太阳能海水淡化需要，提高了界面光蒸汽转化效率，实现了海水淡化效率的最大化；原料广泛，成本低，且具有生物降解性能；另外，通过调节各组分的含量和冷冻干燥的条件可以调控该材料的泡孔结构，模具的自由选择可以决定其形状和尺寸大小，因而本材料在结构和尺寸方面具有极大的可控性。
附图说明
图1为本发明所述的纤维素源碳基光热转换材料的紫外-可见-近红外吸收光谱图；
图2为本发明所述的纤维素源碳基光热转换材料用于模拟海水蒸发的蒸发速率图；
图3为本发明中纤维素源碳基光热转换材料在循环试验中的循环次数与蒸发速率曲线。
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。
本发明提供了一种用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将纳米纤维素、泡孔调节剂、环氧树脂、聚酰胺树脂及水混合，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：1～10wt％、环氧树脂：2～10wt％、聚酰胺树脂：5～10wt％、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、将混合悬浮液置于高速顶置搅拌器中进行搅拌至均匀，搅拌转速为1000～2000r/min，搅拌时间10～30min；
步骤3、将搅拌均匀的混合悬浮液注入定制容器中，静置脱气12～24h，得到均质悬浮液，定制容器的尺寸和形状与样品的尺寸及形状相匹配；
步骤4、将步骤3中的均质悬浮液置于冷冻干燥机中，进行定向冷冻成型，随后进行冷冻干燥，使均质悬浮液中的冰晶升华，得到纤维基多孔材料；其中，定向冷冻时间为5～20h，冷冻温度为-80℃～-18℃，冷冻干燥温度为-80℃～-18℃，冷冻干燥时间为10～50h；
步骤5、将步骤4中的纤维基多孔材料放入充满氩气的高温炉中进行碳化处理，得到所述的用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料；其中，碳化温度为400～700℃，保温时间1～2h，升温速率5～10℃/min。
本发明所述的一种用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料的制备方法，采用纳米纤维素为原材料，通过孔结构调控技术、定向冷冻成型及碳化处理工艺，制备得到一种结构可控、可生物降解的新型纤维素源碳基光热转换材料，以实现太阳能的高效利用和高效的水蒸发；本发明制备的纤维素源碳基光热转换材料具有丰富多孔的网络结构，通过冷冻干燥，冰晶升华后留下的孔隙，利于光线进行多重散射，利用光线进行多重散热，有效提高了太阳能的吸收率，满足太阳能海水淡化需要，提高了界面光蒸汽转化效率，实现了海水淡化效率的最大化；原料广泛，成本低，且具有生物降解性能；另外，通过调节各组分的含量和冷冻干燥的条件可以调控该材料的泡孔结构，泡孔调节剂会影响冷冻过程中冰晶的形成，从而影响其泡孔的结构，模具的自由选择可以决定其形状和尺寸大小，因而本材料在结构和尺寸方面具有极大的可控性。
本发明所制备的光热转换材料具有丰富多孔的网络结构，有利于使光线进行多重散射，增加了太阳能的吸收率；将本发明所制备的光热转换材料用于太阳能海水淡化时，可提高界面光蒸汽转化效率，使海水淡化效率最大化；纳米纤维素由植物纤维制得，原料来源广泛且可生物降解，因而能在高效利用太阳能淡化海水的同时不对环境产生污染；另外，本材料在结构和尺寸方面具有极大的可控性。
实施例1
实施例1中提供了一种用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将纳米纤维素、泡孔调节剂、环氧树脂、聚酰胺树脂及水混合，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：2wt％、环氧树脂：5wt％、聚酰胺树脂：5wt％、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、将混合悬浮液置于高速顶置搅拌器中进行搅拌至均匀，搅拌转速为1500r/min，搅拌时间30min；
步骤3、将搅拌均匀的混合悬浮液注入定制容器中，静置脱气24h，得到均质悬浮液；定制容器的尺寸和形状与样品的尺寸及形状相匹配；
步骤4、将步骤3中的均质悬浮液置于冷冻干燥机中，进行定向冷冻成型，随后进行冷冻干燥，使均质悬浮液中的冰晶升华，得到纤维基多孔材料；其中，定向冷冻时间为5h，冷冻温度为-80℃，冷冻干燥温度为-18℃，冷冻干燥时间为10h；
步骤5、将步骤4中的纤维基多孔材料放入充满氩气的高温炉中进行碳化处理，得到所述的用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料；其中，碳化温度为700℃，保温时间1h，升温速率5℃/min。
实施例2
实施例2中提供了一种用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将纳米纤维素、泡孔调节剂、环氧树脂、聚酰胺树脂及水混合，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：10wt％、环氧树脂：3wt％、聚酰胺树脂：5wt％、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、将混合悬浮液置于高速顶置搅拌器中进行搅拌至均匀，搅拌转速为1200r/min，搅拌时间20min；
步骤3、将搅拌均匀的混合悬浮液注入定制容器中，静置脱气12h，得到均质悬浮液；定制容器的尺寸和形状与样品的尺寸及形状相匹配；
步骤4、将步骤3中的均质悬浮液置于冷冻干燥机中，进行定向冷冻成型，随后进行冷冻干燥，使均质悬浮液中的冰晶升华，得到纤维基多孔材料；其中，定向冷冻时间为10h，冷冻温度为-50℃，冷冻干燥温度为-80℃，冷冻干燥时间为20h；
步骤5、将步骤4中的纤维基多孔材料放入充满氩气的高温炉中进行碳化处理，得到所述的用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料；其中，碳化温度为500℃，保温时间1h，升温速率10℃/min。
实施例3
实施例3中提供了一种用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将纳米纤维素、泡孔调节剂、环氧树脂、聚酰胺树脂及水混合，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：5wt％、环氧树脂：10wt％、聚酰胺树脂：10wt％、泡孔调节剂：5wt％及水其余量，上述组分的含量合计为100wt％；
步骤2、将混合悬浮液置于高速顶置搅拌器中进行搅拌至均匀，搅拌转速为1500r/min，搅拌时间10min；
步骤3、将搅拌均匀的混合悬浮液注入定制容器中，静置脱气24h，得到均质悬浮液；定制容器的尺寸和形状与样品的尺寸及形状相匹配；
步骤4、将步骤3中的均质悬浮液置于冷冻干燥机中，进行定向冷冻成型，随后进行冷冻干燥，使均质悬浮液中的冰晶升华，得到纤维基多孔材料；其中，定向冷冻时间为20h，冷冻温度为-80℃，冷冻干燥温度为-50℃，冷冻干燥时间为30h；
步骤5、将步骤4中的纤维基多孔材料放入充满氩气的高温炉中进行碳化处理，得到所述的用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料；其中，碳化温度为600℃，保温时间2h，升温速率8℃/min。
实施例4
实施例4中提供了一种用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将纳米纤维素、泡孔调节剂、环氧树脂、聚酰胺树脂及水混合，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：1wt％、环氧树脂：10wt％、聚酰胺树脂：10wt％、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、将混合悬浮液置于高速顶置搅拌器中进行搅拌至均匀，搅拌转速为1000r/min，搅拌时间15min；
步骤3、将搅拌均匀的混合悬浮液注入定制容器中，静置脱气24h，得到均质悬浮液；定制容器的尺寸和形状与样品的尺寸及形状相匹配；
步骤4、将步骤3中的均质悬浮液置于冷冻干燥机中，进行定向冷冻成型，随后进行冷冻干燥，使均质悬浮液中的冰晶升华，得到纤维基多孔材料；其中，定向冷冻时间为5h，冷冻温度为-80℃，冷冻干燥温度为-18℃，冷冻干燥时间为40h；
步骤5、将步骤4中的纤维基多孔材料放入充满氩气的高温炉中进行碳化处理，得到所述的用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料；其中，碳化温度为400℃，保温时间1h，升温速率10℃/min。
实施例5
实施例5中提供了一种用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将纳米纤维素、泡孔调节剂、环氧树脂、聚酰胺树脂及水混合，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：10wt％、环氧树脂：2wt％、聚酰胺树脂：10wt％、泡孔调节剂：1wt％及水其余量，上述组分的含量合计为100wt％；
步骤2、将混合悬浮液置于高速顶置搅拌器中进行搅拌至均匀，搅拌转速为2000r/min，搅拌时间30min；
步骤3、将搅拌均匀的混合悬浮液注入定制容器中，静置脱气20h，得到均质悬浮液；定制容器的尺寸和形状与样品的尺寸及形状相匹配；
步骤4、将步骤3中的均质悬浮液置于冷冻干燥机中，进行定向冷冻成型，随后进行冷冻干燥，使均质悬浮液中的冰晶升华，得到纤维基多孔材料；其中，定向冷冻时间为5h，冷冻温度为-80℃，冷冻干燥温度为-18℃，冷冻干燥时间为50h；
步骤5、将步骤4中的纤维基多孔材料放入充满氩气的高温炉中进行碳化处理，得到所述的用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料；其中，碳化温度为400℃，保温时间2h，升温速率10℃/min。
如附图1所示，附图1中所示为实施例1中制备的纤维素源碳基光热转换材料的紫外-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中所制备的纤维素源碳基光热转换材料在紫外-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94％以上。
如附图2所示，附图2中所示为实施例1中制备的纤维素源碳基光热转换材料在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，蒸发效率可高达84.61％。
参考附图3所示，附图3中所示为实施例1中制备的纤维素源碳基光热转换材料在1倍太阳光强度下进行10次循环试验的蒸发速率曲线；从附图3中可以看出，所述纤维素源碳基光热转换材料在10次循环中的蒸发速率较为稳定，基本维持在1.2kg·m-2·h-1左右，拟合线的斜率几乎为0，证明其具有良好的稳定性。
本发明所述的一种用于海水淡化的碳纤维素源碳基光热转换材料及其制备方法，针对利用太阳能进行海水淡化所采用的材料中所存在的环境污染、材料结构大小的局限性等问题；本发明以纳米纤维素为基材、以环氧树脂和聚酰胺树脂为胶黏剂，制备出一种用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料；本发明所制备的纤维素源碳基光热转换材料能够实现有效利用太阳能，并达到高效淡化海水的目的；此外，本发明中所用原料为纳米纤维素，对环境有利、制备工艺简单、结构和尺寸可控，这为太阳能海水淡化技术的普及提供了新思路；本发明所制备的纤维素源碳基光热转换材料可达到94％以上的太阳能吸收率，并且可使蒸发海水的速率增大3倍多，蒸发效率可达到84.61％，且稳定性较好。
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纤维素源碳基光热转换材料，进行海水淡化过程，其海水蒸发速率能够达到1.189-1.211kg·m-2·h-1，太阳能吸收率达到92.46％-94.13％，海水蒸发效率达到83.08％-84.78％；而自然条件下，海水蒸发速率仅为0.374kg·m-2·h-1，太阳能吸收率为25.25％，海水蒸发效率达到21.34％；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各种条件下的纤维素源碳基光热转换材料的太阳能吸收率、蒸发速率和蒸发效率
条件 太阳能吸收率(％) 蒸发速率(kg·m<sup>-2</sup>·h<sup>-1</sup>) 蒸发效率(％)
自然条件 25.25 0.342 21.34
实施例1 94.13 1.211 84.61
实施例2 93.91 1.189 83.08
实施例3 92.46 1.190 83.78
实施例4 92.77 1.204 84.49
实施例5 93.52 1.203 84.48
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纤维素源碳基光热转换材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将纳米纤维素、泡孔调节剂、环氧树脂、聚酰胺树脂及水混合，配制得到混合悬浮液；
步骤2、对混合悬浮液进行搅拌至均匀，静置脱气，得到均质悬浮液；
步骤3、对步骤2中的均质悬浮液进行定向冷冻，干燥，得到纤维素基多孔材料；
步骤4、将纤维素基多孔材料进行碳化处理，得到所述的用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料。
2.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料的制备方法，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：1～10wt％、环氧树脂：2～10wt％、聚酰胺树脂：5～10wt％、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纤维素源碳基光热转换材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，将混合悬浮液置于高速顶置搅拌器中进行搅拌，搅拌转速为1000～2000r/min，搅拌时间10～30min。
4.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，静置脱气时间为12～24h。
5.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，定向冷冻时间为5-20h，冷冻温度为-80℃～-18℃。
6.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料的制备方法，其特征在于，干燥采用冷冻干燥方式，冷冻干燥温度为-80℃～-18℃，冷冻干燥时间为10～50h。
7.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料的制备方法，其特征在于，碳化处理过程采用在氩气氛围条件下，碳化温度为400～700℃，保温时间1～2h，升温速率5～10℃/min。
8.一种用于海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料，其特征在于，利用权利要求1-7任意一项所述的一种海水淡化的纤维素源碳基光热转换材料的制备方法制备得到。
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