CN112029144A - 一种用于太阳能界面蒸汽产生的疏水/亲水双层碳泡沫及其制备方法 - Google Patents

一种用于太阳能界面蒸汽产生的疏水/亲水双层碳泡沫及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于太阳能界面蒸汽产生的疏水/亲水双层碳泡沫及其制备方法，包括三聚氰胺泡沫，三聚氰胺泡沫分为上层框架和下层框架，上层框架中填充有碳纳米颗粒。制备方法包括：步骤1，在无水乙醇中加入碳纳米颗和乙基纤维素，搅拌，得到碳纳米颗粒溶液；步骤2，通过旋转填充法使得碳纳米颗粒填充到三聚氰胺泡沫上层框架中，然后在烘箱中烘干后获得疏水/亲水双层碳泡沫。所制备的生物质碳泡沫具有长期稳定的阻盐功能。

Description

一种用于太阳能界面蒸汽产生的疏水/亲水双层碳泡沫及其 制备方法
技术领域
本发明涉及光热材料领域，具体涉及一种高性能太阳能界面蒸汽产生的疏水/亲水双层碳泡沫及其制备方法。
背景技术
在太阳能蒸汽产生系统中，光热材料的表面起着光吸收层的作用，将从太阳照射中获得的热量有效的转化为热能，实现热局域化，使水蒸发为太阳能蒸汽。相比之下，这种独特的太阳能界面蒸发方式比传统的散装水蒸发方式具有很大的优势。传统的散装水蒸发方式由于热量不可避免地会散失到周围环境或转移到散装水中，能量转换效率低下。
对于大多数太阳能界面蒸发材料，热局域化和快速生成界面蒸汽可能会导致盐积聚在蒸发器的表面，并阻止蒸汽蒸发通过。同时，积累的白色盐晶体不可避免地增加了光反射并降低了光热物质的光吸收，并增加了物质与海水之间的界面，导致蒸发效率随时间显着下降。光热材料是实现长期、高效和稳定的太阳能界面蒸发材料的关键障碍。防止盐堵塞的常规方法包括反复洗涤或物理去除。然而，这些方法对连续蒸汽产生具有负面影响，这直接导致增加的操作成本和降低的生产率。因此，在实际应用中，需要一种新型的具有防污性能的光热材料和一种具有排盐功能的太阳能界面蒸发材料，以防止在连续的太阳能脱盐过程中盐的堵塞。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于太阳能界面蒸汽产生的疏水/亲水双层碳泡沫及其制备方法，所制备的生物质碳泡沫具有长期稳定的阻盐功能。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种用于太阳能界面蒸汽产生的疏水/亲水双层碳泡沫，包括三聚氰胺泡沫，三聚氰胺泡沫分为上层框架和下层框架，上层框架中填充有碳纳米颗粒。
优选的，碳纳米颗粒采用柚子皮制备得到。
所述的用于太阳能界面蒸汽产生的疏水/亲水双层碳泡沫的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，碳纳米颗粒溶液的制备
在无水乙醇中加入碳纳米颗和乙基纤维素，搅拌，得到碳纳米颗粒溶液；
步骤2，碳泡沫的制备
通过旋转填充法使得碳纳米颗粒填充到三聚氰胺泡沫上层框架中，然后在烘箱中烘干后获得疏水/亲水双层碳泡沫。
优选的，碳纳米颗粒通过如下制备方法得到：将柚子皮清洗干净、干燥，然后真空条件下碳化，将碳化后的柚子皮研磨过筛，得到碳纳米颗粒。
进一步的，干燥柚子皮采用的温度为40-50℃。
进一步的，碳化柚子皮时采用的温度为700-900℃。
优选的，步骤1中，碳纳米颗粒和乙基纤维素质量比为：(1-2)：(1-2)。
优选的，步骤1中，搅拌温度为60-80℃，转速为300-500r/min，搅拌时间为12-16h。
优选的，步骤2中，旋转填充的时间为3-5min。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明疏水/亲水双层碳泡沫，下层即底部是未处理的三聚氰胺泡沫，由于其超亲水性，可通过其毛细作用力当做运水通道，顶层是三聚氰胺泡沫复合碳纳米颗粒所形成的碳泡沫，碳泡沫具备高的光吸收率，该整体性用作有效的光热转换器以实现太阳能热转换，两个部位功能层的协同效应有助于实现优异的太阳能蒸汽产生。由于上层碳纳米颗粒复合的三聚氰胺泡沫所得的碳泡沫呈超疏水性，因此盐离子可被阻挡在疏水的顶层之下，通过底层三聚氰胺泡沫强大的泵水能力，盐离子可迅速回流至散装水，因此，相比其它太阳能界面蒸汽产生材料工作一周后就有盐分积累在蒸发器表面，本发明疏水/亲水双层碳泡沫可以实现30天的循环测试后蒸发效率依然稳定，同时表面没有盐分积累。
进一步的，目前已开发出金属等离子体材料、半导体材料和多孔聚合物等光热材料，但是这些材料存在成本高，制作困难等问题，因此出现了生物质碳基材料，其被证明能更加有效地吸收太阳能。但目前发展的生物质碳基材料例如碳化玉米秸秆、碳化蘑菇、碳化木头、碳化竹子等普遍蒸发效率较低。本发明采用生物质材料柚子皮为原料，得到的疏水/亲水双层碳泡沫拥有之前报道的纳米结构的贵金属太阳光吸收和转换材料的高吸收性能，在200nm-2500nm光谱范围内吸收高达95.5％，相比之前报道中提到的碳化玉米秸秆、碳化蘑菇、碳化木头、碳化竹子等的生物质碳基材料，本发明双层生物质碳泡沫的蒸发效率大大提高。
附图说明
图1是实施例1所制备的疏水/亲水双层碳泡沫在制备过程中微观形貌的变化；(a)是未使用碳纳米颗粒处理的纯三聚氰胺泡沫；(b)是碳纳米颗粒复合三聚氰胺泡沫后的上层碳泡沫；(c)是疏水/亲水双层碳泡沫的横截面图；
图2是实施例1所制备的碳纳米颗粒的XRD图谱；
图3是实施例1所制备的碳纳米颗粒的拉曼光谱；
图4是实施例1所制备的碳纳米颗粒的的XPS测量光谱；
图5是实施例1制备的疏水/亲水双层碳泡沫的吸收光谱；
图6是实施例1制备的疏水/亲水双层碳泡沫的漂浮性试验；
图7是实施例1制备的疏水/亲水双层碳泡沫的阻盐性能测试试验。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
一、疏水/亲水双层碳泡沫的制备：
1.碳纳米颗粒的制备
就近从市场买一些柚子，得到柚子皮后首先用去离子水清洗，再放入超声清洗机，在频率30-50KHZ的条件下超声30-40min，放入烘箱中干燥，干燥温度为40-50℃。将干燥后的柚子皮在700-900℃，真空条件下碳化，碳化后的柚子皮手动研磨过筛，便得到了碳纳米颗粒；
2.碳纳米颗粒溶液的制备
在无水乙醇中加入碳纳米颗粒和乙基纤维素，将配好的溶液置于磁力搅拌机上以60-80℃，300-500r/min的转速，经过12-16h后搅拌至无水乙醇体积挥发至原体积的一半，得到碳纳米颗粒溶液；无水乙醇、碳纳米颗粒和乙基纤维素用量比为：(30-50)ml：(1-2)g：(1-2)g。
3.疏水/亲水双层碳泡沫的制备
将碳纳米颗粒溶液直接引入到反应容器，通过旋转填充法，控制时间为3-5min，使得碳纳米颗粒填充到三聚氰胺泡沫上层框架中，然后在烘箱中烘干后获得疏水/亲水疏水/亲水双层碳泡沫。
二、太阳能蒸汽的生成
使用盐水的浓度与海水的盐浓度相同，为3.5wt％的盐水。用氙灯(CEL-HXF300，AM1.5滤波器)模拟太阳光源照射。蒸发过程质量变化采用精度为0.0001g的电子微量天平(AR224CN)进行测量，并通过SPDC数据采集V2.01软件传输到个人计算机(PC)进行记录。构建太阳能蒸发实验平台，经过分析和计算可以得到在实验条件下盐水的蒸发效率以及碳泡沫的光热转换效率，进行光热性能研究。
在烧杯中倒入适量的3.5wt％的盐水，将双层生物质碳泡沫放入盐水中，并可实现系统自漂浮，使样品不沉没于盐水中。将所有器件整体放在精密电子天平上，实时在线监测由于水蒸发而带来的质量变化。在1～3个太阳下(1kW m-2)，进行太阳能蒸汽生成测试。
具体实施例
实施例1
一、疏水/亲水双层碳泡沫的制备：
1.碳纳米颗粒的制备
就近从市场买一些柚子，得到柚子皮后首先用去离子水清洗，再放入超声清洗机，在频率30KHZ的条件下超声30min，放入烘箱中干燥，干燥温度为40℃。将干燥后的柚子皮在700℃，真空条件下碳化，碳化后的柚子皮手动研磨过筛，便得到了碳纳米颗粒；
2.碳纳米颗粒溶液的制备
在50ml无水乙醇中加入1g碳粉和1g乙基纤维素，将配好的溶液置于在磁力搅拌机上以60℃，300r/min的转速，经过12h后搅拌至酒精体积挥发至原体积的一半；
3.双层生物质碳泡沫的制备
将碳纳米颗粒溶液直接引入到反应容器，通过旋转填充法，控制时间为3min，使得碳纳米颗粒填充到三聚氰胺泡沫上层框架中，然后在烘箱中烘干后获得疏水/亲水疏水/亲水双层碳泡沫。
二、太阳能蒸汽的生成
在10mL烧杯中倒入适量的3.5wt％的盐水，将双层生物质碳泡沫放入盐水中，并可实现系统自漂浮，使样品不沉没于盐水中。将所有器件整体放在精密电子天平上，实时在线监测由于水蒸发而带来的质量变化。在1个太阳下(1kW m-2)，进行太阳能蒸汽生成测试，在稳定条件下测试60min。
实施例2
一、疏水/亲水双层碳泡沫的制备：
1.碳纳米颗粒的制备
就近从市场买一些柚子，得到柚子皮后首先用去离子水清洗，再放入超声清洗机，在频率30KHZ的条件下超声30min，放入烘箱中干燥，干燥温度为40℃。将干燥后的柚子皮在800℃，真空条件下碳化，碳化后的柚子皮手动研磨过筛，便得到了碳纳米颗粒；
2.碳纳米颗粒溶液的制备
在50ml无水乙醇中加入1g碳粉和1.2g乙基纤维素，将配好的溶液置于在磁力搅拌机上以60℃，300r/min的转速，经过12h后搅拌至酒精体积挥发至原体积的一半；
3.双层生物质碳泡沫的制备
将碳纳米颗粒溶液直接引入到反应容器，通过旋转填充法，控制时间为3min，使得碳纳米颗粒填充到三聚氰胺泡沫上层框架中，然后在烘箱中烘干后获得疏水/亲水双层碳泡沫。
二、太阳能蒸汽的生成
在10mL烧杯中倒入适量的3.5wt％的盐水，将双层生物质碳泡沫放入盐水中，并可实现系统自漂浮，使样品不沉没于盐水中。将所有器件整体放在精密电子天平上，实时在线监测由于水蒸发而带来的质量变化。在1个太阳下(1kW m-2)，进行太阳能蒸汽生成测试，在稳定条件下测试60min。
实施例3
一、疏水/亲水双层碳泡沫的制备：
1.碳纳米颗粒的制备
就近从市场买一些柚子，得到柚子皮后首先用去离子水清洗，再放入超声清洗机，在频率30KHZ的条件下超声30min，放入烘箱中干燥，干燥温度为50℃。将干燥后的柚子皮在900℃，真空条件下碳化，碳化后的柚子皮手动研磨过筛，便得到了碳纳米颗粒；
2.碳纳米颗粒溶液的制备
在50ml无水乙醇中加入1g碳粉和2g乙基纤维素，将配好的溶液置于在磁力搅拌机上以60℃，300r/min的转速，经过12h后搅拌至酒精体积挥发至原体积的一半；
3.双层生物质碳泡沫的制备
将碳纳米颗粒溶液直接引入到反应容器，通过旋转填充法，控制时间为3min，使得碳纳米颗粒填充到三聚氰胺泡沫上层框架中，然后在烘箱中烘干后获得疏水/亲水双层碳泡沫。
二、太阳能蒸汽的生成
在10mL烧杯中倒入适量的3.5wt％的盐水，将疏水/亲水双层碳泡沫放入盐水中，并可实现系统自漂浮，使样品不沉没于盐水中。将所有器件整体放在精密电子天平上，实时在线监测由于水蒸发而带来的质量变化。在1个太阳下(1kW m-2)，进行太阳能蒸汽生成测试，在稳定条件下测试60min。
实施例4
一、疏水/亲水双层碳泡沫的制备：
1.碳纳米颗粒的制备
就近从市场买一些柚子，得到柚子皮后首先用去离子水清洗，再放入超声清洗机，在频率30KHZ的条件下超声30min，放入烘箱中干燥，干燥温度为40℃。将干燥后的柚子皮在900℃，真空条件下碳化，碳化后的柚子皮手动研磨过筛，便得到了碳纳米颗粒；
2.碳纳米颗粒溶液的制备
在50ml无水乙醇中加入1.2g碳粉和1g乙基纤维素，将配好的溶液置于在磁力搅拌机上以70℃，400r/min的转速，经过14h后搅拌至酒精体积挥发至原体积的一半；
3.双层生物质碳泡沫的制备
将碳纳米颗粒溶液直接引入到反应容器，通过旋转填充法，控制时间为4min，使得碳纳米颗粒填充到三聚氰胺泡沫上层框架中，然后在烘箱中烘干后获得疏水/亲水双层碳泡沫。
二、太阳能蒸汽的生成
在10mL烧杯中倒入适量的3.5wt％的盐水，将疏水/亲水双层碳泡沫放入盐水中，并可实现系统自漂浮，使样品不沉没于盐水中。将所有器件整体放在精密电子天平上，实时在线监测由于水蒸发而带来的质量变化。在2个太阳下(1kW m-2)，进行太阳能蒸汽生成测试，在稳定条件下测试60min。
实施例5
一、疏水/亲水双层碳泡沫的制备：
1.碳纳米颗粒的制备
就近从市场买一些柚子，得到柚子皮后首先用去离子水清洗，再放入超声清洗机，在频率30KHZ的条件下超声30min，放入烘箱中干燥，干燥温度为45℃。将干燥后的柚子皮在900℃，真空条件下碳化，碳化后的柚子皮手动研磨过筛，便得到了碳纳米颗粒；
2.碳纳米颗粒溶液的制备
在50ml无水乙醇中加入2g碳粉和1g乙基纤维素，将配好的溶液置于在磁力搅拌机上以80℃，500r/min的转速，经过16h后搅拌至酒精体积挥发至原体积的一半；
3.双层生物质碳泡沫的制备
将碳纳米颗粒溶液直接引入到反应容器，通过旋转填充法，控制时间为5min，使得碳纳米颗粒填充到三聚氰胺泡沫上层框架中，然后在烘箱中烘干后获得疏水/亲水双层碳泡沫。
二、太阳能蒸汽的生成
在10mL烧杯中倒入适量的3.5wt％的盐水，将双层生物质碳泡沫放入盐水中，并可实现系统自漂浮，使样品不沉没于盐水中。将所有器件整体放在精密电子天平上，实时在线监测由于水蒸发而带来的质量变化。在3个太阳下(1kW m-2)，进行太阳能蒸汽生成测试，在稳定条件下测试60min。
图1是实施例1所制备的疏水/亲水双层碳泡沫在制备过程中微观形貌的变化。图2是实施例1所制备的碳纳米颗粒的XRD图谱。图3是实施例1所制备的碳纳米颗粒的拉曼光谱图。4是实施例1所制备的碳纳米颗粒的XPS测量光谱。图5是实施例1制备的疏水/亲水双层碳泡沫的吸收光谱，图6是实施例1制备的疏水/亲水双层碳泡沫的漂浮性试验。图7是实施例1制备的疏水/亲水双层碳泡沫的阻盐性能测试试验。
图中1中，(a)是未使用碳纳米颗粒处理的纯三聚氰胺泡沫，呈三维网状结构，从附图可以看到它的接触角几乎为0°，呈超亲水状态，(b)是上层碳泡沫，可以看出碳纳米颗粒均匀地嵌入三聚氰胺泡沫中，形成类蜂窝状结构，同时接触角为155°，呈超疏水性。(c)是疏水/亲水双层碳泡沫的横截面图，清晰地显示了疏水性/亲水性的孔结构，上方为疏水碳泡沫层，下方区域为亲水性纯三聚氰胺泡沫层。这种独特的疏水/亲水双层设计在抗盐方面发挥了重要作用。
图2是实施例1所制备的碳纳米颗粒的XRD图谱。从XRD光谱可以看出，在22°和41°处观察到两个宽衍射。22°处的强峰可归因于石墨烯反应，而41°处的第二个峰是由碳的无定形性质引起的。
图3是实施例1所制备的碳纳米颗粒的拉曼光谱，以此确定碳颗粒的碳化程度。拉曼光谱中1350cm-1处的D峰证实了碳的无定形结构。
图4是实施例1所制备的碳纳米颗粒的XPS测量光谱，图中表明，碳纳米颗粒主要由三个成分组成，即281eV-1处的C1s，395eV-1处的N1s和528eV-1处的O1s。
图5是实施例1制备的疏水/亲水双层生物质的吸收光谱，在选定的太阳光谱范围内，通过“反射率+吸收率+透射率＝1”计算得出制得的疏水/亲水双层生物质的光吸收率为95.5％，而经过12h的蒸发实验后，疏水/亲水双层生物质的吸收率也未有较大变化。
图6是实施例1制备的疏水/亲水双层生物质的漂浮性试验，可以看到样品疏水/亲水双层生物质可以实现在水中的自漂浮，
图7是实施例1制备的疏水/亲水双层生物质沫的阻盐性能测试试验，这是样品疏水/亲水双层生物质在经过30天的循环测试(每天开灯8h)后的样品照片，可以看到表面无任何盐分积累。
疏水/亲水双层生物质的蒸发性能的测定是通过蒸发实验来定量分析，利用一个模拟太阳光照环境下的实验装置来完成，所有的数据都是以质量差的方式通过电子天平读取然后传输到电脑上记录。通过蒸发实验发现，在一个太阳的模拟光照下，样品疏水/亲水双层生物质的蒸发效率达到89％，优于碳化玉米秸秆，竹子，木头等生物质碳基材料。
综上所述，本发明制备的疏水/亲水双层碳泡沫材料，在整个太阳光波长范围内(200-2500nm)吸收率可达95.5％，具有良好的光学性能。本发明通过将三聚氰胺泡沫做不同的处理来实现太阳能界面蒸汽收集，不仅可以降低生产成本和减少复杂的制备过程，而且底层三聚氰胺泡沫具有良好的水运输性能，上层碳泡沫具有优异的光热转换性能，疏水/亲水结构不仅极大的提高了淡化海水的效率，还具有长期稳定的阻盐效果。结合疏水/亲水双层碳泡沫结构设计在水输送、阻盐等方面的优势，在标准一个太阳光照强度下，该碳泡沫蒸发器可达到89％的光热转换效率。该疏水/亲水双层碳泡沫仅需依靠太阳能获得可饮用的淡水资源，极其富有探索前景和应用的意义。
本发明通过旋转填充技术，制备疏水/亲水双层碳泡沫材料。以柚子皮为原料，结合新型界面光热转换设计，对同一材料实现了不同的处理。底部是未处理的三聚氰胺泡沫，通过其毛细作用力当做运水通道，顶层是三聚氰胺泡沫复合碳纳米颗粒所形成的碳泡沫，碳泡沫具备高的光吸收率，该整体性用作有效的光热转换器以实现太阳能热转换。两个部位功能层的协同效应有助于实现优异的太阳能蒸汽产生。碳泡沫在整个太阳光波段可达到95.5％的高吸收率，具有良好的光学性能。在一个太阳光照强度下，此装置可以达到89％的效率。而且，由于顶层碳纳米颗粒复合的三聚氰胺泡沫所得的碳泡沫呈超疏水性，因此盐离子可被阻挡在疏水顶层之下，通过底层三聚氰胺泡沫强大的泵水能力，盐离子可迅速回流至散装水，因此，相比其它太阳能界面蒸汽产生材料工作一周后就有盐分积累在蒸发器表面，本发明疏水/亲水双层碳泡沫可以实现30天的循环测试后蒸发效率依然稳定，同时表面没有盐分积累。因此，碳泡沫作为一种太阳能界面蒸汽产生装置，有希望大规模应用在可进行海水淡化的缺水地区。

Claims (9)

1.一种用于太阳能界面蒸汽产生的疏水/亲水双层碳泡沫，其特征在于，包括三聚氰胺泡沫，三聚氰胺泡沫分为上层框架和下层框架，上层框架中填充有碳纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述的用于太阳能界面蒸汽产生的疏水/亲水双层碳泡沫，其特征在于，碳纳米颗粒采用柚子皮制备得到。
3.权利要求1或2所述的用于太阳能界面蒸汽产生的疏水/亲水双层碳泡沫的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，碳纳米颗粒溶液的制备
在无水乙醇中加入碳纳米颗和乙基纤维素，搅拌，得到碳纳米颗粒溶液；
步骤2，碳泡沫的制备
通过旋转填充法使得碳纳米颗粒填充到三聚氰胺泡沫上层框架中，然后在烘箱中烘干后获得疏水/亲水双层碳泡沫。
4.根据权利要求3所述的用于太阳能界面蒸汽产生的疏水/亲水双层碳泡沫的制备方法，其特征在于，碳纳米颗粒通过如下制备方法得到：将柚子皮清洗干净、干燥，然后真空条件下碳化，将碳化后的柚子皮研磨过筛，得到碳纳米颗粒。
5.根据权利要求4所述的用于太阳能界面蒸汽产生的疏水/亲水双层碳泡沫的制备方法，其特征在于，干燥柚子皮采用的温度为40-50℃。
6.根据权利要求4所述的用于太阳能界面蒸汽产生的疏水/亲水双层碳泡沫的制备方法，其特征在于，碳化柚子皮时采用的温度为700-900℃。
7.根据权利要求3所述的用于太阳能界面蒸汽产生的疏水/亲水双层碳泡沫的制备方法，其特征在于，步骤1中，碳纳米颗粒和乙基纤维素质量比为：(1-2)：(1-2)。
8.根据权利要求3所述的用于太阳能界面蒸汽产生的疏水/亲水双层碳泡沫的制备方法，其特征在于，步骤1中，搅拌温度为60-80℃，转速为300-500r/min，搅拌时间为12-16h。
9.根据权利要求3所述的用于太阳能界面蒸汽产生的疏水/亲水双层碳泡沫的制备方法，其特征在于，步骤2中，旋转填充的时间为3-5min。
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