CN112093790B

CN112093790B - 一种实现高效光热转换的多孔碳化甘蔗的制备方法及其应用

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Publication number: CN112093790B
Application number: CN202010753831.1A
Authority: CN
Inventors: 周建华; 魏安涢; 苗蕾; 田永芝; 孙志强
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2020-07-30
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2022-08-05
Anticipated expiration: 2040-07-30
Also published as: CN112093790A

Abstract

本发明公开了一种实现高效光热转换的多孔碳化甘蔗的制备方法及其应用，通过水热碳化法一步成型将自然甘蔗碳化，制备方法简单、成本低，同时该材料无毒对环境无污染，绿色环保，获得的多孔碳化甘蔗具有蜂巢状、相互贯通交错的孔道，有利于水分的输运和蒸汽的流动，同时由于表面附着有碳颗粒，使得其在250～2500nm范围内对太阳光的吸收率达95％以上，在1kW·m^‑2光强下，光热蒸汽产生速率最高可达2.34kg·m^‑2·h^‑1，此外，对Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺离子脱除率达到99.9％以上，可用于海水淡化、污水处理等，实现大规模生产及广泛应用。

Description

一种实现高效光热转换的多孔碳化甘蔗的制备方法及其应用

技术领域：

本发明涉及太阳能材料制备技术领域，具体涉及一种实现高效光热转换的多孔碳化甘蔗的制备方法及其应用。

背景技术：

随着可持续经济的不断发展，人类对于能源的消耗越来越大，能源供应问题越来越受到人类的关注，开发可持续利用、可再生的能源如太阳能，地热能，生物能，风能，核能等极为重要，其中太阳能具有许多的优点：首先是没有地域限制，太阳能遍布全球，有阳光的地方就有太阳能，省去运输的成本；其次，太阳能的总量很大，其1秒钟输送到地球的能量相当于5×10⁹kg煤当量，若是太阳能得到充分利用，将解决未来人类的能源危机。最重要的是太阳能清洁无污染，太阳的能量以电磁辐射的形式接触地球表面，不会污染环境。提高太阳能的利用率对于解决日趋严重的能源短缺和环境污染问题有着重大意义。

淡水资源的匮乏也是全球最严峻的挑战之一，由于环境的污染，地球上的淡水资源更加紧缺。目前获取淡水的技术有：膜处理，高级氧化技术，太阳能蒸汽产生。其中，由于太阳能的丰富性和清洁性，太阳能蒸汽产生是最有前途的技术之一。

过去几年中，设计制造了许多种太阳能光热转换材料，包括贵金属纳米材料、半导体材料、碳基材料以及高分子材料等。然而这些材料大多制备复杂，成本较高或容易产生环境污染，限制了其应用范围。

发明内容：

本发明的目的是提供一种实现高效光热转换的多孔碳化甘蔗的制备方法及其应用，通过水热碳化法一步成型将自然甘蔗碳化，制备方法简单、成本低，同时该材料无毒对环境无污染，绿色环保，获得的多孔碳化甘蔗具有蜂巢状、相互贯通交错的孔道，有利于水分的输运和蒸汽的流动，同时由于表面附着有碳颗粒，使得其在250～2500nm范围内对太阳光的吸收率达95％以上，在1kW·m^-2光强下，光热蒸汽产生速率最高可达2.34kg·m^-2·h^-1，此外，对Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺离子对脱除率达到99.9％以上，可用于海水淡化、污水处理等，实现大规模生产及广泛应用。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种实现高效光热转换的多孔碳化甘蔗的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)将甘蔗去皮，沿生长方向切成甘蔗块，再将甘蔗块清洗干净然后冷冻干燥保存；

2)将步骤1)得到的甘蔗块体放入装有去离子水或2-6mol/L硫酸溶液的高温高压水热反应釜中，160-220℃恒温反应4-12h，获得水热碳化甘蔗，然后依次用体积比为1:1的酒精和去离子水混合溶液和去离子水超声清洗干净，得到多孔碳化甘蔗。

获得的多孔碳化甘蔗具有蜂巢状、相互贯通交错的孔道，有利于水分的输运和蒸汽的流动，同时由于表面附着有碳颗粒，使得其在250～2500nm范围内对太阳光的吸收率达95％以上，在1kW·m^-2光强下，光热蒸汽产生速率最高可达2.34kg·m^-2·h^-1，此外，对Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺离子对脱除率达到99.9％以上，可用于海水淡化、污水处理等。

本发明还保护所述多孔碳化甘蔗的应用，利用该多孔碳化甘蔗实现光热蒸汽转换，用于污水处理、海水淡化，包括以下步骤：所述多孔碳化甘蔗光热转化材料放置于基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置中进行太阳能光热蒸汽转化，该装置自下而上包括盛水的容器和盛水容器顶部的泡沫隔热板，所述泡沫隔热板的正中间设有上下贯通的方形孔，方形孔由一根包覆有输水通道的隔热泡沫柱填充，所述输水通道的下端浸没在盛水的容器液面以下，盛水的容器中盛有蒸馏水或海水或污水，光热转换材料放置在通孔内上端；所述光热转换材料为本发明的多孔碳化甘蔗。

本发明的有益效果如下：制备方法简单、成本低，同时该材料无毒对环境无污染，绿色环保，获得的多孔碳化甘蔗具有蜂巢状、相互贯通交错的孔道，有利于水分的输运和蒸汽的流动，同时由于表面附着有碳颗粒，使得其在250～2500nm范围内对太阳光的吸收率达95％以上，在1kW·m^-2光强下，光热蒸汽产生速率最高可达2.34kg·m^-2·h^-1，此外，对Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺离子脱除率达到99.9％以上，可用于海水淡化、污水处理等，实现大规模生产及广泛应用。

附图说明：

图1是实施例1得到的多孔碳化甘蔗光热转换材料的微观结构扫描电子显微镜；

图2是实施例1得到的多孔碳化甘蔗的紫外/可见/近红外吸收光谱图；

图3是实施例2得到的多孔碳化甘蔗的微观结构扫描电子显微镜；

图4是实施例2得到的多孔碳化甘蔗的紫外/可见/近红外吸收光谱图；

图5是实施例3的基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置的结构示意图；

其中，1、盛水容器，2、无尘纸输水通道，3、泡沫隔热板，4、光热转换材料，

图6是实施例4的模拟海水淡化实验装置正视图；

其中，1、蒸汽发生装置，2、收集容器，3、冷凝罩；

图7是实施例4中模拟海水与冷凝液的离子浓度。

具体实施方式：

以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

实施例1：一种多孔碳化甘蔗光热转化材料的制备方法

该材料以自然甘蔗为原材料，其制备方法包括以下步骤：

1)将甘蔗去皮，沿生长方向切成甘蔗块，然后用去离子水冲掉残渣；

2)将清洗好的甘蔗块放入冷冻干燥机冷冻干燥24h，为了去掉甘蔗块中的水分并保证其形状不易变形；

3)然后将冷冻干燥完的甘蔗块放入高温高压水热反应釜内进行水热碳化，其中加入40mL去离子水作为反应溶剂，将高温高压水热反应釜放入烘箱中，以180℃恒温反应4h。

4)将水热碳化后的甘蔗块用50mL体积比为1:1的酒精和去离子水混合溶液超声清洗两次，最后用50mL去离子水超声清洗两次。获得的多孔碳化甘蔗具有蜂巢状大小交错的孔道(如图1所示)，在200～2500nm范围内光的吸收率为91.6％(如图2所示)。

实施例2：

3)然后将冷冻干燥完的甘蔗块放入高温高压水热反应釜内进行水热碳化，其中加入40mL6mol/L的硫酸溶液作为反应溶剂，将高温高压水热反应釜放入烘箱中，以200℃恒温反应4h。

4)将水热碳化后的甘蔗块用50mL体积比为1:1的酒精和去离子水混合溶液超声清洗两次，最后用50mL去离子水超声清洗两次。得到的多孔碳化甘蔗具有蜂巢状大小交错的孔道(如图3所示)，在200～2500nm范围内光的吸收率为95.5％(如图4所示)。

对比例1：

2)将清洗好的甘蔗冷冻干燥24h，然后放入石英管式炉中，氮气氛围保护下900℃高温热解碳化2小时；石英管式炉中升温速率为2℃；

3)将步骤2)获得的碳化的甘蔗用50mL体积比为1:1的酒精和去离子水混合溶液超声清洗两次，最后用50mL去离子水超声清洗两次。

实施例3：蒸汽产生实验

本发明多孔碳化甘蔗光热转化材料，在下列所述的实验条件下，光照一定时间后，可以产生一定量的蒸汽。如图5所示，所述实验装置自下而上包括塑料的盛水容器1和盛水容器顶部的泡沫隔热板3，所述泡沫隔热板3由7×7×4cm的聚乙烯泡沫组成。所述泡沫隔热板的正中间设有上下贯通的方形孔，方形孔由一根包覆有四条无尘纤维纸输水通道2的隔热聚乙烯泡沫柱填充，光热转换材料4放置在通孔内上端；所述输水通道2下端浸没在盛水容器1液面以下。

具体实验条件如下：

实验条件1：模拟太阳光的光照强度为1kW m^-2，光照时间为60min，选用实施例1制备的多孔碳化甘蔗作为光热转换材料，置于自制的光热转换的蒸汽发生装置(如图5所示)上。

实验条件2：模拟太阳光的光照强度为1kW m^-2，光照时间为60min，选用实施例2制备的多孔碳化甘蔗作为光热转换材料，置于自制的光热转换的蒸汽发生装置(如图5所示)上。

实验条件3：模拟太阳光的光照强度为1kW m^-2，光照时间为60min，选用的多孔碳化甘蔗光热转换材料与实施例2制备方法不同的是选取40mL4mol/L的硫酸溶液作为反应溶剂，反应温度为220℃，置于自制的光热转换的蒸汽发生装置(如图5所示)上。

实验条件4：模拟太阳光的光照强度为1kW m^-2，光照时间为60min，选用的多孔碳化甘蔗光热转换材料与实施例2制备方法不同的是选取40mL 2mol/L的硫酸溶液作为反应溶剂，反应温度为160℃，置于自制的光热转换的蒸汽发生装置(如图5所示)上。

实验条件5：模拟太阳光的光照强度为1kW m^-2，光照时间为60min，选用对比例1制备的多孔碳化甘蔗作为光热转换材料，置于自制的光热转换的蒸汽发生装置(如图5所示)上。

表1.蒸汽产生实验数据

实施例4：模拟海水淡化实验

本发明实施例2得到的多孔碳化甘蔗光热转换材料，置于自制的海水淡化实验装置(如图6)中，配制Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺浓度均为1000mg/L的模拟盐水，模拟太阳光的光照强度为5kW m^-2，收集蒸发得到的冷凝水。测得冷凝水的Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺离子浓度(如图7)分别为0.609mg/L、0.024mg/L、0.278mg/L、0.210mg/L，脱除率分别为99.94％、99.99％、99.97％、99.98％。远低于世界卫生组织的饮用淡水标准。

上述实施例仅例示性说明本发明的制备方法及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种实现高效光热转换的多孔碳化甘蔗的应用，其特征在于，利用该多孔碳化甘蔗实现光热蒸汽转换，包括以下步骤：所述多孔碳化甘蔗光热转化材料放置于基于表面局域光热转换的蒸汽发生装置中进行太阳能光热蒸汽转化，该装置自下而上包括盛水的容器和盛水容器顶部的泡沫隔热板，所述泡沫隔热板的正中间设有上下贯通的方形孔，方形孔由一根包覆有输水通道的隔热泡沫柱填充，所述输水通道的下端浸没在盛水的容器液面以下，盛水的容器中盛有蒸馏水或海水或污水，光热转换材料放置在通孔内上端，用于污水处理、海水淡化；

所述多孔碳化甘蔗的制备方法如下：

2)将步骤1)得到的甘蔗块体放入装有去离子水或2-6mol/L硫酸溶液的高温高压水热反应釜中，160-220℃恒温反应4-12h，获得水热碳化甘蔗，然后依次用体积比为1:1的酒精和去离子水混合溶液和去离子水超声清洗干净，得到多孔碳化甘蔗；所述多孔碳化甘蔗具有蜂巢状、相互贯通交错的孔道，同时表面附着有碳颗粒。