CN111675275B - 具有太阳能蒸发水与高效吸附金属离子材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有太阳能蒸发水与高效吸附金属离子材料的制备方法，以木头为原材料，将其放置在加热的金属模具中形成碳化层来制备光热转化材料，通过去除材料中的部分木质素，使材料具有光热蒸发水和高效吸附金属离子的双重功能。本发明公开的具有太阳能蒸发水与高效吸附金属离子材料的制备方法，所制备的光热转化材料具有好的循环稳定性、更高的光热蒸发效率，且原材料具有可再生，成本低等优点。

Description

具有太阳能蒸发水与高效吸附金属离子材料的制备方法
技术领域
本发明属于能源利用及生物质复合材料领域，具体涉及一种具有太阳能蒸发水与高效吸附金属离子材料的制备方法。
背景技术
随着工业的发展，有毒金属离子的引入污染已成为一个重大的环境问题。重金属离子毒性非常大，它能在人体内积聚，对造血系统和心血管系统造成严重损害。在将工业废水排放到环境中之前，必须清除工业废水中的有毒金属离子。另一方面，若能回收利用溶液中的金属离子，也从能一定程度上节约资源，保护环境。从废水中提取有毒金属离子的传统方法包括化学沉淀、电化学处理、吸附、过滤、离子交换和膜分离。其中，吸附法因其成本低、去除率高、不产生化学污泥、易回收利用、可达性好等优点，成为最有效的污水处理技术之一。
水蒸发已被用于驱动许多工业过程或各种应用，例如发电，废水处理，海水淡化，蒸汽灭菌等等。最近，太阳能驱动的界面蒸发(SDIE)已经成为提高水蒸发速率和太阳能热能转换效率的一种有前途的方法。这是因为它可以将太阳能集中在液体表面并避免热量损失。与体积加热策略不同，SDIE系统的光收集材料在太阳光照下会在其小通道中产生热点。通过毛细作用，流体流到通道的热区域并形成蒸汽，随后蒸汽离开通道；同时，流体中的金属离子可能被通道上的活性位点吸附。然而，由于热区温度场和水蒸发后金属离子浓度梯度的影响以及光感生电荷的积累，金属离子在通道热区中可能会产生新的吸附行为。这一性质为通过光热材料在高效水蒸发的同步实现溶液中重金属离子的吸附提供了可能。
发明内容
本发明的目的在于提出一种以木头为原材料制备光热转化材料的方法，并同步实现材料光热蒸发水以及对水中重金属离子选择性吸附的功能。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
具有太阳能蒸发水与高效吸附金属离子材料的制备方法，采用如下步骤：
步骤1：把干燥的木材沿着生长方向加工成厚度为6-10mm的薄板，并将木板放入氢氧化钾和亚硫酸钾的混合溶液中，然后将氢氧化钾和亚硫酸钾的混合溶液加热到90-100℃并保持3-7小时，待冷却后，将木板取出；所述氢氧化钾和亚硫酸钾的混合溶液，氢氧化钾的浓度为1-1.5mol/L，亚硫酸钾的浓度为0.5-1mol/L，氢氧化钾与亚硫酸钾的质量比为1-2；
步骤2：取出步骤1所得的木板，在室温下将其放入去离子水中在30kHz频率下超声清洗，测量清洗后去离子水的pH值，重复此过程，直至去离子水的pH值达到7-8；之后将木板从去离子水中取出放入冰箱中冷冻5-8小时，冷冻温度为零下20-零下10℃；最后将冷冻后的木板置于冷冻干燥机内干燥10小时以上去除木板内的水分，冷冻干燥机的冷冻温度为零下50-零下40℃、真空度为8-15Pa；
步骤3：将凹槽与木板形状一致、略大于木板且槽深为2-3mm的金属模具加热，待模具表面温度均匀且达到310-350℃后，将步骤2中去除水分后的木板放在金属模具的槽内15-25秒然后取出，使得木板表面形成一层2-3mm厚的碳化层；
步骤4：量取a mL质量分数为88％的甲酸置于烧杯中，向其中加入b mL质量分数为30％的双氧水，配置成甲酸双氧水混合溶液，其中，a:b＝11-15；
步骤5：将步骤3所得木板具有碳化薄层的一面朝下放入步骤4配制的甲酸双氧水混合溶液中，在室温下以转速400～600r/min搅拌1.5-2小时后将木板取出；
步骤6：将步骤5所得木板在室温下放入去离子水中浸泡清洗，直至浸泡木板去离子水的pH值达到6-7时，取出木板；
步骤7：将步骤6所得木板置于冰箱中冷冻5-8小时，冷冻温度为零下20-零下10℃；然后将冷冻后的木板放入冷冻干燥机干燥10小时以上去除木板内的水分，冷冻干燥机的冷冻温度为零下50-零下40℃、真空度为8-15Pa，最终得到具有太阳能蒸发水与高效吸附金属离子的材料。
所述木材经步骤1处理时所需时间随木材的硬度增大而增长，木材为巴尔杉木处理3-4小时；木材为椴木时处理4-6小时；木材为灰胡桃树或杉木时处理6-7小时。
所述的金属离子为Pb2+、Cu2+。
采用本发明制备的太阳能蒸发水与高效吸附金属离子的材料，具有如下优点：循环利用稳定性好；具有更高的光热转化效率，可达85％～90％；原材料可再生，成本低；选择性去除部分木质素，使材料具有光热蒸发水和高效吸附金属离子双功能。
附图说明
图1为采用本发明方法的制备流程图；
图2为采用本发明方法制备的光热转化材料的俯视扫描电镜照片；
图3为在1个标准太阳光照射下，采用本发明方法制备光热转化材料的水的蒸发量随光照时间变化的关系；
图4为随着光照强度的增加，采用本发明方法制备光热转化材料对Pb2+的吸附速率随时间的变化；
图5为在1个标准太阳光照射下，采用本发明方法制备光热转化材料对不同金属离子的吸附容量。
图6为在3个标准太阳光照射下，采用本发明方法制备光热转化材料的稳定性评价。
具体实施方式
以下结合附图介绍本发明详细技术方案：
具有太阳能蒸发水与高效吸附金属离子材料的制备方法，采用如下步骤：
步骤1：把干燥的木材沿着生长方向加工成厚度为6-10mm的薄板，并将木板放入氢氧化钾和亚硫酸钾的混合溶液中，然后将氢氧化钾和亚硫酸钾的混合溶液加热到90-100℃并保持3-7小时，待冷却后，将木板取出；所述氢氧化钾和亚硫酸钾的混合溶液，氢氧化钾的浓度为1-1.5mol/L，亚硫酸钾的浓度为0.5-1mol/L，氢氧化钾与亚硫酸钾的质量比为1-2；
步骤2：取出步骤1所得的木板，在室温下将其放入去离子水中在30kHz频率下超声清洗，测量清洗后去离子水的pH值，重复此过程，直至去离子水的pH值达到7-8；之后将木板从去离子水中取出放入冰箱中冷冻5-8小时，冷冻温度为零下20℃-零下10℃；最后将冷冻后的木板置于冷冻干燥机内干燥10小时以上去除木板内的水分，冷冻干燥机的冷冻温度为零下50℃-零下40℃、真空度为8-15Pa；
步骤3：将凹槽与木板形状一致、略大于木板且槽深为2-3mm的金属模具加热，待模具表面温度均匀且达到310-350℃后，将步骤2中去除水分后的木板放在金属模具的槽内15-25秒然后取出，使得木板表面形成一层2-3mm厚的碳化层；
步骤4：量取a mL质量分数为88％的甲酸置于烧杯中，向其中加入b mL质量分数为30％的双氧水，配置成甲酸双氧水混合溶液，其中，a:b＝11-15；
步骤5：将步骤3所得木板具有碳化薄层的一面朝下放入步骤4配制的甲酸双氧水混合溶液中，在室温下以转速400～600r/min搅拌1.5-2小时后将木板取出；
步骤6：将步骤5所得木板在室温下放入去离子水中浸泡清洗，直至浸泡木板去离子水的pH值达到6-7时，取出木板；
步骤7：将步骤6所得木板置于冰箱中冷冻5-8小时，冷冻温度为零下20-零下10℃；然后将冷冻后的木板放入冷冻干燥机干燥10小时以上去除木板内的水分，冷冻干燥机的冷冻温度为零下50℃-零下40℃、真空度为8-15Pa，最终得到具有太阳能蒸发水与高效吸附金属离子的材料。
所述木材经步骤1处理时所需时间随木材的硬度增大而增长，木材为巴尔杉木处理3-4小时；木材为椴木时处理4-6小时；木材为灰胡桃树或杉木时处理6-7小时。
所述的金属离子为Pb2+、Cu2+。
实施例1
如图1所示，具有太阳能蒸发水与高效吸附金属离子材料的制备方法，采用如下步骤：
步骤1：把干燥的巴尔杉木木材沿着生长方向加工成厚度为8mm的薄板，并将木板放入氢氧化钾和亚硫酸钾的混合溶液中，然后将氢氧化钾和亚硫酸钾的混合溶液加热到95℃并保持4小时，待冷却后，将木板取出；所述氢氧化钾和亚硫酸钾的混合溶液，氢氧化钾的浓度为1.5mol/L，亚硫酸钾的浓度为1mol/L，氢氧化钾与亚硫酸钾的质量比为1.5；
步骤2：取出步骤1所得的木板，在室温下将其放入去离子水中在30kHz频率下超声清洗，测量清洗后去离子水的pH值，重复此过程，直至去离子水的pH值达到7.5；之后将木板从去离子水中取出放入冰箱中冷冻7小时，冷冻温度为零下15℃；最后将冷冻后的木板置于冷冻干燥机内干燥10小时以上去除木板内的水分，冷冻干燥机的冷冻温度为零下45℃、真空度为12Pa；
步骤3：将凹槽与木板形状一致、略大于木板且槽深为3mm的Pb2+金属模具加热，待模具表面温度均匀且达到350℃后，将步骤2中去除水分后的木板放在金属模具的槽内23秒然后取出，使得木板表面形成一层2-3mm厚的碳化层；
步骤4：量取30mL质量分数为88％的甲酸置于烧杯中，向其中加入2.5mL质量分数为30％的双氧水，配置成甲酸双氧水混合溶液；
步骤5：将步骤3所得木板具有碳化薄层的一面朝下放入步骤4配制的甲酸双氧水混合溶液中，在室温下以转速500r/min搅拌2小时后将木板取出；
步骤6：将步骤5所得木板在室温下放入去离子水中浸泡清洗，直至浸泡木板去离子水的pH值达到6.5时，取出木板；
步骤7：将步骤6所得木板置于冰箱中冷冻7小时，冷冻温度为零下15℃；然后将冷冻后的木板放入冷冻干燥机干燥10小时以上去除木板内的水分，冷冻干燥机的冷冻温度为零下45℃、真空度为12Pa，最终得到具有太阳能蒸发水与高效吸附金属离子的材料。
采用实施例1的方法制备的光热转化材料的俯视扫描电镜照片如图2所示。
在1个标准太阳光照射下，采用实施例1的方法制备光热转化材料的水的蒸发量随光照时间变化的关系如图3所示。图3中，对采用上述步骤制备的光热转化材料在1个标准太阳光(1kW m-2)照射下，光热转化材料的水蒸发率为1.6-2.0kg m-2h-1。
Figure BDA0002526289780000071
式中η代表太阳能转化效率，
Figure BDA0002526289780000072
(kg m-2h-1)是水蒸发率，ΔHv(2260kJ kg-1)是水的蒸发焓，Copt是光学浓度，q0(1kW m-2)为1倍太阳光强的辐射功率。
利用现有的太阳能转化效率公式(1)计算，采用本发明制备的太阳能蒸发水与高效吸附金属离子的材料的光热转化效率可达80％～90％。
随着光照强度的增加，采用实施例1的方法制备光热转化材料对Pb2+的吸附速率随时间的变化如图4所示。由图4可见，随着光照强度的增加，在伴随着吸附速率增加的同时，采用本发明方法制备光热转化材料对Pb2+的平衡吸附量也明显增大。
在1个标准太阳光照射下，采用实施例1的方法制备光热转化材料对不同金属离子的吸附容量如图5所示。材料对所列出的几种金属离子的吸附容量明显不同，表明材料对Pb2+具有良好的吸附选择性。
在3个标准太阳光(3kW m-2)照射下，采用实施例1的方法制备光热转化材料的稳定性评价如图6所示。由图6可见，重复利用四次后，采用实施例1的方法制备光热转化材料的Pb2+吸附量没有明显的减小，表明采用本发明方法制备光热转化材料可反复利用。

Claims (3)

1.具有太阳能蒸发水与高效吸附金属离子材料的制备方法，其特征在于：采用如下步骤：
步骤1：把干燥的木材沿着生长方向加工成厚度为6-10mm的薄板，并将木板放入氢氧化钾和亚硫酸钾的混合溶液中，然后将氢氧化钾和亚硫酸钾的混合溶液加热到90-100℃并保持3-7小时，待冷却后，将木板取出；所述氢氧化钾和亚硫酸钾的混合溶液，氢氧化钾的浓度为1-1.5mol/L，亚硫酸钾的浓度为0.5-1mol/L，氢氧化钾与亚硫酸钾的质量比为1-2；
步骤2：取出步骤1所得的木板，在室温下将其放入去离子水中在30kHz频率下超声清洗，测量清洗后去离子水的pH值，重复此过程，直至去离子水的pH值达到7-8；之后将木板从去离子水中取出放入冰箱中冷冻5-8小时，冷冻温度为零下20-零下10℃；最后将冷冻后的木板置于冷冻干燥机内干燥10小时以上去除木板内的水分，冷冻干燥机的冷冻温度为零下50-零下40℃、真空度为8-15Pa；
步骤3：将凹槽与木板形状一致、略大于木板且槽深为2-3mm的金属模具加热，待模具表面温度均匀且达到310-350℃后，将步骤2中去除水分后的木板放在金属模具的槽内15-25秒然后取出，使得木板表面形成一层2-3mm厚的碳化层；
步骤4：量取a mL质量分数为88％的甲酸置于烧杯中，向其中加入b mL质量分数为30％的双氧水，配置成甲酸双氧水混合溶液，其中，a:b＝11-15；
步骤5：将步骤3所得木板具有碳化薄层的一面朝下放入步骤4配制的甲酸双氧水混合溶液中，在室温下以转速400～600r/min搅拌1.5-2小时后将木板取出；
步骤6：将步骤5所得木板在室温下放入去离子水中浸泡清洗，直至浸泡木板去离子水的pH值达到6-7时，取出木板；
步骤7：将步骤6所得木板置于冰箱中冷冻5-8小时，冷冻温度为零下20-零下10℃；然后将冷冻后的木板放入冷冻干燥机干燥10小时以上去除木板内的水分，冷冻干燥机的冷冻温度为零下50-零下40℃、真空度为8-15Pa，最终得到具有太阳能蒸发水与高效吸附金属离子的材料。
2.根据权利要求1所述的具有太阳能蒸发水与高效吸附金属离子材料的制备方法，其特征在于：所述木材经步骤1处理时所需时间随木材的硬度增大而增长，木材为巴尔杉木处理3-4小时；木材为椴木时处理4-6小时；木材为灰胡桃树或除巴尔钐木外的其他杉木时处理6-7小时。
3.根据权利要求1所述的具有太阳能蒸发水与高效吸附金属离子材料的制备方法，其特征在于：所述的金属离子为Pb2+、Cu2+。
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