CN112225277A - 一种基于生物质基的海水脱盐方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于生物质基的海水脱盐方法，利用单向冷冻法制备的维管束结构因其一条条通道形成的毛细管力而完成水分的快速输送，利用盐的不同性质，对水分传输速率的能力也有一定的不同，而顶部炭化部分则可以增大对太阳光的吸收，快速的传输速率以及蒸发速率相互配合达到较高效率的海水淡化，利用天然生物质作为原料，复合常见易获得的盐，制备得到的材料可生物降解，具有一定的强度且为规整的维管束结构；另一方面，这种结构对于水分的传输有一定优越性，在海水淡化方面很有前景且成本低，加工方法简易。
Description
技术领域
本发明涉及海水脱盐技术领域，具体涉及一种基于生物质基的海水脱盐方法。
背景技术
目前，缺乏淡水资源已成为人类社会面临的全球性问题之一.面对水资源短缺的严峻挑战，太阳能海水淡化蒸发作为一种清洁、节能的淡水资源再生方式，已成为未来最具潜力的淡水资源收集技术。太阳能蒸汽蒸发器通过界面光热转换原理实现了广泛的宽带阳光吸收性，以提高表面到表面的光热转换效率。此外，一个高效的太阳能蒸汽蒸发系统还需要高效的水分传输速率。而在自然界中，生物体的蒸腾通道，也就是一种维管束结构，被认为是水分输送的天然高速通道，因此对此种结构进行仿生，可以用于海水的淡化。
近年来，生物质基木材废弃物大量产出，但是其被再利用的部分只占小比例，在我国这样的农业大国，每年农林生物质废弃物（包括秸秆和林业剩余物）占废弃物总量的69%；而在欧洲，欧盟成员国中废物生物质的可获得量每年超过4.45亿吨（干基），农林业产生的生物质废弃物占总量的86%。
将废弃农林生物质运用起来可以说是十分环境友好的，因此，我们将生物质废弃物（木粉，玉米秸秆，稻草秸秆等）进行纳米化后，采用取向冷冻技术对树木维管束结构进行重塑，用于水分传输进而进行海水脱盐。
发明内容
（一）解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种基于生物质基的海水脱盐方法，以解决上述背景技术中提出的实际问题。
（二）技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于生物质基的海水脱盐方法，具体包括以下步骤：
S1：纳米纤丝悬浮液的制备；
S2：盐溶液的配制；
S3：将步骤S2中的盐溶液复合步骤S1中的纳米纤丝悬浮液，在50℃条件下搅拌混合均匀后，进行脱泡处理，得到盐/纳米纤丝悬浮液；
S4：单向冷冻；
S5：将冷冻完毕的样品置于冷冻干燥机中干燥至完全得到样品；
S6：选取40 mm 长的样品，顶部10mm 进行炭化增强光吸收，用保鲜膜和胶带固定样品柱于装有海水的容器中进行蒸发；
S7：利用氙灯光源模拟太阳光，将组合蒸发样品置于电子天平上，顶部垂直照射氙灯，每10 min 记录一次质量变化，直至完成海水的蒸发脱盐。
进一步的，所述步骤S1具体包括：将木粉或秸秆碎屑等用热水进行多次浸泡洗涤，去除可溶性盐及油性物质，经湿磨机和高压均质机的纳米化，得到分散均一的纳米纤丝悬浮液。
进一步的，所述步骤S2具体包括：称取5g 盐粉末，溶于95ml水中，得到5% 的盐溶液。
进一步的，所述步骤S4具体包括：将盐/纳米纤丝悬浮液装入PP盒中，四周由泡沫隔热，底部有铜片导热，置于-40℃冷冻柜的冷冻台上冷冻24h得到冰晶竖向生长的样品。
进一步地，通过增加冷凝装置，进行室外站蒸发，收集淡化后的海水，测得其盐度，与海水原始浓度进行对比；
利用单向冷冻法制备的维管束结构因其一条条通道形成的毛细管力而完成水分的快速输送，利用盐的不同性质，对水分传输速率的能力也有一定的不同。而顶部炭化部分则可以增大对太阳光的吸收，快速的传输速率以及蒸发速率相互配合达到较高效率的海水淡化。
（三）有益效果
本发明利用天然生物质作为原料，复合常见易获得的盐，制备得到的材料可生物降解，具有一定的强度且为规整的维管束结构；另一方面，这种结构对于水分的传输有一定优越性，在海水淡化方面很有前景且成本低，加工方法简易。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1(a) (b) 分别为本发明中的样品实物图和微观电镜图；
图2为本发明的的蒸发装置图；
图3(a) (b)分别为本发明中不同盐纳米生物质泡沫蒸发器对海水蒸发时的质量损失和和蒸发效率-速率图；
图4为本发明中盐纳米生物质泡沫蒸发器的耐久性测试图；
图5为本发明中淡化前后海水的盐度对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种基于生物质基的海水脱盐方法，具体包括以下步骤：
1）纳米纤丝的制备：将木粉或秸秆碎屑等进行多次浸泡洗涤，去除可溶性盐及油性物质，经湿磨机打磨，再经高压均质机纳米化，得到分散均一的木粉纳米纤丝悬浮液，将其进行浓缩，使其固含量在4wt%左右。
2）盐溶液的配制：称取5g 盐粉末，盐粉末优选氯化钠，碳酸氢钠，无水硅酸钠以及无水氯化钙粉末，溶于95ml水中，得到5% 盐溶液。
3）将步骤2）中的盐溶液复合如步骤1)中的纤丝悬浮液，在50℃条件下搅拌混合均匀后，进行脱泡处理，得到盐/纳米纤丝悬浮液。
4）单向冷冻：将复合好的悬浮液倒入平底冷冻管（直径范围2-10 cm不等）中，四周由泡沫隔热，底部有铜片导热，置于-40℃冷冻柜的冷冻台上（可从80℃降温至-40℃），冷冻24h得到冰晶竖向生长的样品。
5）将冷冻完毕的样品置于冷冻干燥机中干燥至完全，取出后在烘箱中干燥1 h密封以防样品受潮。
6）截取长40 mm的取向最为竖直处的样品，顶部10 mm进行燃烧炭化以具有更强的光吸收能力。用保鲜膜以及胶带将柱状样品固定于装有盐度为25‰海水的容器中得到组合蒸发样品，其中，炭化部分露于空气中，海水液面位于容器口下方10 mm处，保鲜膜以下样品与外界空气隔绝。
7）利用光功率为1 kW m-2 的氙灯光源模拟太阳光，将组合蒸发样品置于1 mg 感量的电子天平上，顶部垂直照射氙灯，每10 min 记录一次质量变化，总计记录60 min。
8）在黑暗条件下，重复7）步骤，将步骤7）所得到的数据扣除黑暗中的蒸发量得到样品实际的蒸发量，计算含有各种盐的样品的质量变化（kg m-2），蒸发速率（kg m-2 h-1）以及蒸发效率（%）。
9）将样品进行一个100 h的长时间蒸发，记录其质量损失以探究其使用的耐久性；
10）进一步地，通过增加冷凝装置，收集淡化后的海水，测得其盐度，与海水原始浓度进行对比。
步骤6）中得到的实物图如图1a所示，顶部有高10 mm 炭化的吸收层。其维管束结构的微观电镜图见图1b，具有垂直的通道且通道间存在一定的桥连结构。
步骤7）中所搭建的装置图如图2所示，氙灯光源模拟太阳光垂直照射样品进行蒸发，由电子天平距离实时质量损失。
步骤8）中所计算的到的质量变化（kg m-2），蒸发速率（kg m-2 h-1）以及蒸发效率（%）见图3，其中分别添加NaCl, NaHCO3, Na2SiO3和CaCl2 的纳米纤丝泡沫的蒸发速率（kgm-2 h-1）-效率（%）分别为0.69-36.49, 1.50-88.92, 1.30-64.90和1.62-79.23。而单纯水的蒸发速率和效率分别为0.3 kg m-2 h-1 和28.841%，由此可见盐纳米生物质泡沫的辅助效果远大于单独水的蒸发。其中，加有CaCl2 的泡沫由于氯化钙较高的吸水性而效果最佳。
步骤9）中，进行了样品耐久性测试，如图5所示，经过100 h的持续蒸发，木粉泡沫的蒸发速率基本保持不变，具有一定的持久性。
步骤10）中，蒸发前海水与蒸发后冷凝水的盐度对比如图4所示，从25‰降低到0.3‰，远低于世界卫生组织对饮用淡水的标准。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (4)
1.一种基于生物质基的海水脱盐方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：纳米纤丝悬浮液的制备；
S2：盐溶液的配制；
S3：将步骤S2中的盐溶液复合步骤S1中的纳米纤丝悬浮液，在50℃条件下搅拌混合均匀后，进行脱泡处理，得到盐/纳米纤丝悬浮液；
S4：单向冷冻；
S5：将冷冻完毕的样品置于冷冻干燥机中干燥至完全得到干燥的样品；
S6：选取40 mm 长的样品，顶部10mm 进行炭化增强光吸收，用保鲜膜和胶带固定样品柱于装有海水的容器中进行蒸发；
S7：利用氙灯光源模拟太阳光，将组合蒸发样品置于电子天平上，顶部垂直照射氙灯，每10 min 记录一次质量变化，直至完成海水的蒸发脱盐。
2.根据权利要求1所述的一种基于生物质基的海水脱盐方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：将木粉或秸秆碎屑用热水进行多次浸泡洗涤，去除可溶性盐及油性物质，经湿磨机和高压均质机的纳米化，得到分散均一的纳米纤丝悬浮液。
3.根据权利要求1所述的一种基于生物质基的海水脱盐方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：称取5g 盐粉末，溶于95ml水中，得到5% 的盐溶液。
4.根据权利要求1所述的一种基于生物质基的海水脱盐方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括：将盐/纳米纤丝悬浮液装入PP盒中，四周由泡沫隔热，底部有铜片导热，置于-40℃冷冻柜的冷冻台上冷冻24h得到冰晶竖向生长的样品。
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2020
- 2020-10-12 CN CN202011082321.2A patent/CN112225277A/zh active Pending
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