CN111621036B - 一种具有光热转换功能的石蜡Pickering乳液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有光热转换功能的石蜡Pickering乳液及其制备方法，涉及太阳能光热转换与存储领域。按质量百分比计包括以下组分：石蜡10％～40％，镁‑铝层状双金属氢氧化物1％～5％，氧化石墨烯大于0、小于等于0.1％，余量为水；本发明以镁‑铝层状双金属氢氧化物和氧化石墨烯代替化学乳化剂，制备一种低过冷度、低黏度、高热导率、高度稳定、具有优异光热转换性能的石蜡Pickering乳液，且制备方法简单。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光热转换与存储领域，尤其涉及一种具有光热转换功能的石蜡Pickering乳液及其制备方法。
背景技术
众所周知，太阳能是清洁的可再生能源。高效利用太阳能是应对能源危机和治理环境污染的重要手段。太阳能的直接利用包括光热转换、光电转换和光催化等方式。其中，太阳能光热转换是到目前为止效率最高的一种方式。
石蜡乳液是一种兼具传热和储热功能的新型流体，它在太阳能光热转换中展现出良好的应用前景，但是目前还存在如下突出问题：
第一，石蜡乳液通常成乳白色，消光性能欠佳，因此光热转换效率低(Wang F.,etal.Graphite nanoparticles-dispersed paraffin/water emulsion with enhancedthermal-physical property and photo-thermal performance.Solar EnergyMaterials and Solar Cells,2016,147:101-107)。
第二，石蜡乳液存在明显的过冷现象(Delgado M.,et al.Review on phasechange material emulsions and microencapsulated phase change materialslurries:Materials,heat transfer studies and applications.Renewable andSustainable Energy Reviews,2012,16(1):253-273)。过冷现象延迟了石蜡结晶，导致石蜡在降温时不凝固或者凝固不完全，从而极大降低了其储热的性能(陈琳,等.一种测量石蜡相变乳液过冷度的新方法:平衡态比容法.化工学报,2019,70(9):3370-3376)。
第三，石蜡乳液的热导率低。石蜡的热导率约为0.2W·m-1·K-1，不到水的热导率的二分之一，所以石蜡乳液的热导率低于水的热导率(Qu Y.,et al.Experimental studyon thermal conductivity of paraffin-based shape-stabilized phase changematerial with hybrid carbon nano-additives.Renewable Energy,2020,146:2637-2645)。固含量为20％的石蜡乳液的热导率仅为水的60％(刘小诗,等.氧化石墨烯/石蜡复合相变乳液的制备及对流传热特性.化工学报,2019,70(3):1188-1197)。低热导率不利于热量在石蜡乳液中扩散，从而在表面形成热点，增加了热损失。
第四，石蜡乳液的黏度高。为了获得稳定的石蜡乳液，在制备时需要添加表面活性剂。通常来讲，表面活性剂越多，石蜡乳液越稳定，但是黏度也会随之升高(Huang L.,Petermann M.An experimental study on rheological behaviors of paraffin/waterphase change emulsion.International Journal of Heat and Mass Transfer,2015,83:479-486)。高黏度会显著增加石蜡乳液在管路中的流动阻力，从而降低系统的能效比。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种具有光热转换功能的石蜡Pickering乳液及其制备方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有光热转换功能的石蜡Pickering乳液，按质量百分比计包括以下组分：石蜡10％～40％，镁-铝层状双金属氢氧化物(magnesium-aluminum layered doublehydroxides，Mg-Al LDHs)1％～5％，氧化石墨烯(graphene oxide，GO)大于0、小于等于0.1％，余量为水。
所述镁-铝层状双金属氢氧化物的含量为2％。
所述石蜡的含量为30％。
所述石蜡为熔点<90℃的固体石蜡。
一种具有光热转换功能的石蜡Pickering乳液的制备方法，包括如下步骤：
1)将Mg-Al LDHs添加到水中，溶解分散，制得A溶液；
2)将GO添加到上述A溶液中，溶解分散，制得B溶液；
3)将石蜡添加到上述B溶液中，然后加热到石蜡熔点以上，待石蜡完全熔化后，搅拌乳化，即制得具有光热转换功能的石蜡Pickering乳液。
在步骤1)中，所述水采用去离子水。
所述溶解分散包括以下：先搅拌溶解，再超声分散。
相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：
1、GO可吸收太阳光辐射，实现光热转换；
2、石蜡液滴表面的Mg-Al LDHs作为晶种，诱导石蜡异相成核结晶，降低了石蜡Pickering乳液的过冷度；
3、GO以纳米片的形式分散在水中，增大了石蜡Pickering乳液的热导率；
4、Mg-Al LDHs在水中形成三维网络结构，提高了石蜡Pickering乳液的稳定性，因此不需要添加乳化剂；
5、GO与Mg-Al LDHs相互作用，降低了石蜡Pickering乳液的黏度；
6、本发明制备方法简单，操作步骤少，无需严苛的反应条件等。
附图说明
图1为实施例1～4所制备的Pickering石蜡乳液的照片(从左到右GO含量分别为0.002％、0.01％、0.02％和0.04％)；
图2为实施例1～4所制备的Pickering石蜡乳液在一个标准太阳光强度照射下的升温曲线(GO含量分别为0.002％、0.01％、0.02％和0.04％)；
图3为实施例4制备的Pickering石蜡乳液的扫描电子显微镜图像；
图4为实施例1～4制备的Pickering石蜡乳液的DSC曲线(GO含量分别为0.002％、0.01％、0.02％和0.04％)；
图5为实施例1～4制备的Pickering石蜡乳液的黏度-剪切速率的曲线(GO含量分别为0.002％、0.01％、0.02％和0.04％)。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。除特别说明外，实施例中所有百分比均为质量百分比。
实施例1
称取1g的Mg-Al LDHs，添加到34g去离子水中，搅拌溶解，超声分散，制得Mg-AlLDHs水溶液；称取1mg的GO，添加到上述Mg-Al LDHs水溶液中，搅拌溶解，超声分散，制得水相；将15g熔点为58～60℃石蜡添加到上述水相中，加热到80℃，待石蜡完全熔化后，搅拌乳化，制得石蜡含量为30％，Mg-Al LDHs含量为2％，GO含量为0.002％的具有光热转换功能的石蜡Pickering乳液。
实施例2
称取1g的Mg-Al LDHs，添加到34g去离子水中，搅拌溶解，超声分散，制得Mg-AlLDHs水溶液；称取5mg的GO，添加到上述Mg-Al LDHs水溶液中，搅拌溶解，超声分散，制得水相；将15g熔点为58～60℃石蜡添加到上述水相中，加热到80℃，待石蜡完全熔化后，搅拌乳化，制得石蜡含量为30％，Mg-Al LDHs含量为2％，GO含量为0.01％的具有光热转换功能的石蜡Pickering乳液。
实施例3
称取1g的Mg-Al LDHs，添加到34g去离子水中，搅拌溶解，超声分散，制得Mg-AlLDHs水溶液；称取10mg的GO，添加到上述Mg-Al LDHs水溶液中，搅拌溶解，超声分散，制得水相；将15g熔点为58～60℃石蜡添加到上述水相中，加热到80℃，待石蜡完全熔化后，搅拌乳化，制得石蜡含量为30％，Mg-Al LDHs含量为2％，GO含量为0.02％的具有光热转换功能的石蜡Pickering乳液。
实施例4
称取1g的Mg-Al LDHs，添加到34g去离子水中，搅拌溶解，超声分散，制得Mg-AlLDHs水溶液；称取20mg的GO，添加到上述Mg-Al LDHs水溶液中，搅拌溶解，超声分散，制得水相；将15g熔点为58～60℃石蜡添加到上述水相中，加热到80℃，待石蜡完全熔化后，搅拌乳化，制得石蜡含量为30％，Mg-Al LDHs含量为2％，GO含量为0.04％的具有光热转换功能的石蜡Pickering乳液。
从图1中可以看出，随着GO含量的增加，所制备的石蜡Pickering乳液的颜色逐渐加深。
从图2中可以看出，随着GO含量的增加，所制备的石蜡Pickering乳液在太阳光照时的升温速度逐渐加快。
从图3中可以看出，在所制备的石蜡Pickering乳液中，石蜡液滴/颗粒均呈球状，直径<50μm。
从图4中可以看出，所制备的石蜡Pickering乳液在温度降低到约55℃时开始凝固，不存在过冷现象。
从图5中可以看出，随着GO含量的增加，所制备的石蜡Pickering乳液黏度反而降低。这说明GO与Mg-Al LDHs存在相互作用，可以降低石蜡Pickering乳液黏度。
实施例5
称取0.5g的Mg-Al LDHs，添加到44.5g去离子水中，搅拌溶解，超声分散，制得Mg-Al LDHs水溶液；称取1mg的GO，添加到上述Mg-Al LDHs水溶液中，搅拌溶解，超声分散，制得水相；将5g熔点为58～60℃石蜡添加到上述水相中，加热到80℃，待石蜡完全熔化后，搅拌乳化，制得石蜡含量为10％，Mg-Al LDHs含量为1％，GO含量为0.002％的具有光热转换功能的石蜡Pickering乳液。
实施例6
称取1g的Mg-Al LDHs，添加到39g去离子水中，搅拌溶解，超声分散，制得Mg-AlLDHs水溶液；称取5mg的GO，添加到上述Mg-Al LDHs水溶液中，搅拌溶解，超声分散，制得水相；将10g熔点为58～60℃石蜡添加到上述水相中，加热到80℃，待石蜡完全熔化后，搅拌乳化，制得石蜡含量为20％，Mg-Al LDHs含量为2％，GO含量为0.01％的具有光热转换功能的石蜡Pickering乳液。
实施例7
称取1.5g的Mg-Al LDHs，添加到33.5g去离子水中，搅拌溶解，超声分散，制得Mg-Al LDHs水溶液；称取10mg的GO，添加到上述Mg-Al LDHs水溶液中，搅拌溶解，超声分散，制得水相；将15g熔点为58～60℃石蜡添加到上述水相中，加热到80℃，待石蜡完全熔化后，搅拌乳化，制得石蜡含量为30％，Mg-Al LDHs含量为3％，GO含量为0.02％的具有光热转换功能的石蜡Pickering乳液。
实施例8
称取2g的Mg-Al LDHs，添加到28g去离子水中，搅拌溶解，超声分散，制得Mg-AlLDHs水溶液；称取20mg的GO，添加到上述Mg-Al LDHs水溶液中，搅拌溶解，超声分散，制得水相；将20g熔点为58～60℃石蜡添加到上述水相中，加热到80℃，待石蜡完全熔化后，搅拌乳化，制得石蜡含量为40％，Mg-Al LDHs含量为4％，GO含量为0.04％的具有光热转换功能的石蜡Pickering乳液。
Claims (4)
1.一种具有光热转换功能的石蜡Pickering乳液，其特征在于按质量百分比计包括以下组分：石蜡30％，氧化石墨烯大于0、小于等于0.1％，镁-铝层状双金属氢氧化物2％，余量为水；所述石蜡为熔点<90℃的固体石蜡。
2.权利要求1所述的一种具有光热转换功能的石蜡Pickering乳液的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将镁-铝层状双金属氢氧化物添加到水中，溶解分散，制得A溶液；
2)将氧化石墨烯添加到上述A溶液中，溶解分散，制得B溶液；
3)将石蜡添加到上述B溶液中，然后加热到石蜡熔点以上，待石蜡完全熔化后，搅拌乳化，即制得具有光热转换功能的石蜡Pickering乳液。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述水采用去离子水。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述溶解分散包括以下：先搅拌溶解，再超声分散。
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| Effect of dispersion pH on the formation and stability of pickering emulsions stabilized by layered double hydroxides particles;Fei Yang et al.;《Colloid and Interface Science》;20061028;第306卷;第285-295页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111621036A (zh) | 2020-09-04 |
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