CN112625457A - 一种基于玉米秸秆的太阳能蒸发体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于玉米秸秆的太阳能蒸发体，由玉米秸秆，二氧化硅，聚吡咯以及甲基丙烯酸甲酯，丙烯酸，丙烯酰胺，N,N‑亚甲基双丙烯酰胺的共聚物组成。其制备方法为：玉米秸秆粉碎，碱洗，干燥后加入到硅酸钠水溶液中，得秸秆基凝胶后，于硅烷偶联剂的乙醇溶液中浸泡后，再在甲基丙烯酸甲酯，丙烯酸、丙烯酰胺，N，N‑亚甲基双丙烯酰胺的乙醇溶液中浸泡并进行聚合反应后，包裹聚吡咯，冷冻干燥即可。本发明所制备的玉米秸秆太阳能蒸发体为具有高吸水，高孔隙含量的气凝胶，确保所需蒸发水的充分，具有优异隔热性能，减少传导而产生的热量损失，扩大应用范围，提高蒸汽产生率。且该太阳能蒸发体具有良好耐盐及防止盐颗粒的堆积性能。
Description
技术领域
本发明涉及生物材料领域，具体涉及一种基于玉米秸秆的太阳能蒸发体及其制备方法。
背景技术
随着社会的发展以及环境污染，水资源匮乏日益突出，由于海水资源丰富，因此海水淡化成为重点研究方向，如反渗透，膜脱盐，超滤，这些脱盐技术往往成本高、耗能高昂未得到推广，太阳能作为一种可再生清洁能源受到人们广泛关注。目前，太阳能界面蒸发，即通过将一种具有多孔结构的蒸发体漂浮于水面上，在水-空气界面处进行光热转换形成局部热区，同时蒸发体的内部多孔结构通过毛细作用向顶部热区连续供水，从而引起蒸发。具有简单、成本低等优点而引起人们关注。高效界面光热的太阳能蒸发器需要包括宽频光吸收、热转换、水传导和水蒸发四个关键因素。然而，普通的多孔介质在饱和液相状态下的热导率会大幅增加，增大了热量向下方水体的散失，使其蒸发性能受限。另外，当前报道的大部分蒸发体石墨烯泡沫、碳海绵等还存在着成本昂贵的问题。玉米秸秆内部具有复杂的多孔结构，可以在高效输水的同时保持良好的隔热，可以作为水蒸气蒸发体使用。使用玉米秸秆作为太阳能蒸汽发生体可以回收利用农业残留物，为大规模经济的海水淡化和废水处理开辟了新途径。然而，目前关于玉米秸秆用于太阳能蒸发器中的研究还存在光热效率低，且玉米秸秆使用多孔结构的蒸发体漂浮于水面上，在水-空气界面处进行光热转换形成局部热区，同时蒸发体的内部多孔结构通过毛细作用向顶部热区连续供水，从而引起蒸发。目前关于玉米秸秆太阳能蒸发体还存光热效率低，且只能应用于漂浮水面上，需垂直排列而受到限制。
发明内容
本发明提供了一种基于玉米秸秆的太阳能蒸发体及其制备方法，解决了玉米秸秆太阳能增发体光热效率低，且应用方式受到限制的问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于玉米秸秆的太阳能蒸发体，由玉米秸秆，二氧化硅，聚吡咯以及甲基丙烯酸甲酯，丙烯酸，丙烯酰胺，N,N-亚甲基双丙烯酰胺的共聚物组成；所述太阳能蒸发体为一种气凝胶，具有三层结构，内部为玉米秸秆，外部包裹有二氧化硅及甲基丙烯酸甲酯，丙烯酸，丙烯酰胺，N,N-亚甲基双丙烯酰胺的共聚物，最外层为聚吡咯。
本发明还提供一种基于玉米秸秆的太阳能蒸发体的制备方法，包括如下步骤：
（1）取玉米秸秆剪切成 2~5cm，用水清洗，晾干后，粉碎机成40~100目的粒子，加入到质量浓度为1~3%的氢氧化钠水溶液中，40~60℃下，搅拌20~60 min，抽滤，用水洗涤至中性，真空烘箱中干燥12h；
（2）将经步骤（1）处理过的玉米秸秆加入到硅酸钠水溶液中，搅拌至全部溶解; 再向其中加入质量浓度为5~15 %的硫酸，调节pH 值至1~2，然后加入碱性试剂至pH 值为5.0~8.0，搅拌，静置后形成凝胶，用去离子水洗涤后，无水乙醇浸泡24 h，得秸秆基凝胶；
（3）将步骤（2）所得秸秆基凝胶在40~60℃下于硅烷偶联剂的乙醇溶液中，浸泡2h，随后于甲基丙烯酸甲酯，丙烯酸、丙烯酰胺，N，N-亚甲基双丙烯酰胺的乙醇溶液中10℃~30℃浸泡24h后，移入引发剂的乙醇溶液中，10℃~30℃浸泡2h后，70℃下反应2h，得到秸秆基聚合物凝胶；
（4）步骤（3）所得秸秆基聚合物凝胶以及FeCl3，加入到去离子水中，在氮气保护下，15~35℃搅拌 1h后，5℃下加入吡咯，反应 4小时后，冷冻干燥，即得秸秆基聚合物气凝胶。
优选的，步骤（2）中所述硅酸钠水溶液质量浓度为40%。
优选的，步骤（2）中所述碱性试剂为质量浓度为5~10%的氢氧化钠水溶液或1.0~3.0 mol/L的氨水溶液。
优选的，步骤（3）中所述硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷，乙烯基三乙氧基硅烷，甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，乙烯基三异丙基硅烷中的一种或几种；所述硅烷偶联剂的乙醇溶液中硅烷偶联剂的质量浓度为10~30%。
优选的步骤（3）所述引发剂为偶氮类引发剂，可以是偶氮二异丁基引发剂或偶氮二异庚腈引发剂，所述引发剂的乙醇溶液中引发剂的质量浓度为0.1~1%。
本发明具有以下优点：
1、本发明通过分子设计，设计出具有高吸水，高孔洞孔隙的气凝胶，内部具有储水功能，确保所需蒸发水的充分，且该凝胶表面含有聚吡咯层，进行光吸收，将光能转换为热能，进行水的蒸发。且表面聚吡咯层形成一定疏水区域，防止水分进行蒸发时，向内部扩散，增加热量损失，降低蒸汽生产率，同时水分蒸发引起水分减少后，玉米秸秆及二氧化硅，聚吡咯以及丙烯酸，丙烯酰胺，N,N-亚甲基双丙烯酰胺的共聚物向表层进行水分释放，确保水分充足。
2、本发明所制备的太阳能蒸发体具有N,N-亚甲基双丙烯酰胺交联结构，具有耐盐性，且二氧化硅形成孔隙具有优异隔热性能，表面具有一定疏水区的聚吡咯能够减少盐颗粒的堆积。
3、本发明所设计的太阳能蒸发体具有为三维结构，相比单层或双层漂浮光热材料，可更有效地维持更快速的水传输及水蒸发；且本发明所设计的具有储水功能，无需时刻漂浮在水面上与水接触，同时形成的孔隙具有优异隔热性能，可以尽可能消除由于传导而产生的热量损失，扩大应用范围，大大提高蒸汽产生率。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
利用红外摄像机记录表面温度的变化及电子分析天平测量了由于水蒸气产生的水随时间的质量变化，来测定太阳能转换效率即水蒸发速率。
实施例1
（1）取玉米秸秆剪切成 2cm，用水清洗，晾干后，粉碎机成40目的粒子，加入到质量浓度为1的氢氧化钠水溶液中，40℃下搅拌20min，抽滤，用水洗涤至中性，真空烘箱中干燥12h；
（2）将经步骤（1）处理过的10g玉米秸秆加入到50g的40%质量浓度硅酸钠水溶液中，搅拌至全部溶解; 再向其中加入质量浓度为5%的硫酸，调节pH 值至1，然后加入质量浓度为5%的氢氧化钠水溶液至pH值为5.0，搅拌，静置后形成凝胶，用去离子水洗涤后，无水乙醇浸泡24 h，得秸秆基凝胶；
（3）将步骤（2）所得秸秆基凝胶在40℃下于质量浓度为10%的乙烯基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中，浸泡2h，随后于甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸、丙烯酰胺，N,N-亚甲基双丙烯酰胺的乙醇溶液中10℃浸泡24h后，移入质量浓度为0.01%的偶氮二异丁基的乙醇溶液中，10℃浸泡2h后，70℃下反应2h，得到秸秆基聚合物凝胶；其中甲基丙烯酸甲酯，丙烯酸、丙烯酰胺，N,N-亚甲基双丙烯酰胺的乙醇溶液中，甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸、丙烯酰胺，N,N-亚甲基双丙烯酰胺，乙醇的质量分别为5g，4g，4g，4g，2g，50g；
（4）步骤（3）所得秸秆基聚合物凝胶以及1g FeCl3，加入到去离子水中，在氮气保护下，15℃搅拌 1h后，5℃下加入5g吡咯，反应 4小时后，冷冻干燥，即得秸秆基聚合物气凝胶。１个太阳光照强度下太阳能水蒸发速率为2.9 kg·m-2·h-1。
实施例2
（1）取玉米秸秆剪切成 3cm，用水清洗，晾干后，粉碎机成60目的粒子，加入到质量浓度为2%的氢氧化钠水溶液中，50℃，搅拌40 min，抽滤，用水洗涤至中性，真空烘箱中干燥12h；
（2）将经步骤（1）处理过的10g玉米秸秆加入到50g的40%质量浓度的硅酸钠水溶液中，搅拌至全部溶解; 再向其中加入质量浓度为10 %的硫酸，调节pH 值至2，然后加入10%的氢氧化钠水溶液至pH 值为6.0，搅拌，静置后形成凝胶，用去离子水洗涤后，无水乙醇浸泡24 h，得秸秆基凝胶；
（3）将步骤（2）所得秸秆基凝胶在50℃下于质量浓度为20%甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中，浸泡2h，随后于甲基丙烯酸甲酯，丙烯酸、丙烯酰胺，N,N-亚甲基双丙烯酰胺的乙醇溶液中20℃浸泡24h后，移入质量浓度为0.5%偶氮二异庚腈引发剂的乙醇溶液中，20℃浸泡2h后，70℃下反应2h，得到秸秆基聚合物凝胶；其中甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸、丙烯酰胺，N,N-亚甲基双丙烯酰胺的乙醇溶液中，甲基丙烯酸甲酯，丙烯酸、丙烯酰胺，N,N-亚甲基双丙烯酰胺，乙醇的质量分别为5g，4g，4g，4g，2g，50g；
（4）步骤（3）所得秸秆基聚合物凝胶以及1.5g FeCl3，加入到去离子水中，在氮气保护下，20℃搅拌 1h后，5℃下加入6g吡咯，反应 4小时后，冷冻干燥，即得秸秆基聚合物气凝胶。１个太阳光照强度下太阳能水蒸发速率为3.1 kg·m-2·h-1。
实施例3
（1）取玉米秸秆剪切成 5cm，用水清洗，晾干后，粉碎机成100目的粒子，加入到质量浓度为3%的氢氧化钠水溶液中，60℃下搅拌60 min，抽滤，用水洗涤至中性，真空烘箱中干燥12h；
（2）将经步骤（1）处理过的8g玉米秸秆加入到质量浓度为40%的硅酸钠水溶液中，搅拌至全部溶解; 再向其中加入质量浓度为15%的硫酸，调节pH 值至2，然后加入3.0 mol/L的氨水溶液至pH 值为8.0，搅拌，静置后形成凝胶，用去离子水洗涤后，无水乙醇浸泡24h，得秸秆基凝胶；
（3）将步骤（2）所得秸秆基凝胶在60℃下于质量浓度为30%乙烯基三异丙基硅烷的乙醇溶液中，浸泡2h，随后于甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸、丙烯酰胺，N,N-亚甲基双丙烯酰胺的乙醇溶液中30℃浸泡24h后，移入到质量浓度为0.1~1%偶氮类引发剂的乙醇溶液中，30℃浸泡2h后，70℃下反应2h，得到秸秆基聚合物凝胶；其中甲基丙烯酸甲酯，丙烯酸、丙烯酰胺，N,N-亚甲基双丙烯酰胺的乙醇溶液中，甲基丙烯酸甲酯，丙烯酸、丙烯酰胺，N,N-亚甲基双丙烯酰胺，乙醇的质量分别为4g，5g，5g，3g，1g，50g；
（4）步骤（3）所得秸秆基聚合物凝胶以及0.5g FeCl3，加入到去离子水中，在氮气保护下，35℃搅拌 1h后，5℃下加入4g吡咯，反应4小时后，冷冻干燥，即得秸秆基聚合物气凝胶。１个太阳光照强度下太阳能水蒸发速率为2.8kg·m-2·h-1。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于玉米秸秆的太阳能蒸发体，其特征在于，由玉米秸秆，二氧化硅，聚吡咯以及甲基丙烯酸甲酯，丙烯酸，丙烯酰胺，N,N-亚甲基双丙烯酰胺的共聚物组成；所述太阳能蒸发体为一种气凝胶，具有三层结构，内部为玉米秸秆，外部包裹有二氧化硅及丙烯酸，丙烯酰胺，N,N-亚甲基双丙烯酰胺的共聚物，最外层为聚吡咯。
2.一种基于制备权利1所述玉米秸秆的太阳能蒸发体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）取玉米秸秆剪切成 2~5cm，用水清洗，晾干后，粉碎机成40~100目的粒子，加入到质量浓度为1~3%的氢氧化钠水溶液中，40~60℃下搅拌20~60 min，抽滤，用水洗涤至中性，真空烘箱中干燥12h；
（2）将经步骤（1）处理过的玉米秸秆加入到硅酸钠水溶液中，搅拌至全部溶解; 再向其中加入质量浓度为5~15 %的硫酸，调节pH 值至1~2，然后加入碱性试剂至pH 值为5.0~8.0，搅拌，静置后形成凝胶，用去离子水洗涤后，无水乙醇浸泡24 h，得秸秆基凝胶；
（3）将步骤（2）所得秸秆基凝胶在40~60℃下于硅烷偶联剂的乙醇溶液中，浸泡2h，随后于甲基丙烯酸甲酯，丙烯酸、丙烯酰胺，N，N-亚甲基双丙烯酰胺的乙醇溶液中10℃~30℃浸泡24h后，移入引发剂的乙醇溶液中，10℃~30℃浸泡2h后，70℃下反应2h，得到秸秆基聚合物凝胶；
（4）步骤（3）所得秸秆基聚合物凝胶以及FeCl3，加入到去离子水中，在氮气保护下，15~35℃搅拌 1h后，5℃下加入吡咯，反应 4小时后，冷冻干燥，即得秸秆基聚合物气凝胶。
3.根据权利2所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述硅酸钠水溶液质量浓度为40%。
4.根据权利2所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述碱性试剂为质量浓度为5~10%的氢氧化钠水溶液或1.0~3.0 mol/L的氨水溶液。
5.根据权利2所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷，乙烯基三乙氧基硅烷，甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，乙烯基三异丙基硅烷中的一种或几种；所述硅烷偶联剂的乙醇溶液中硅烷偶联剂的质量浓度为10~30%。
6.根据权利2所述的制备方法，其特征在于，所述引发剂为偶氮类引发剂，可以是偶氮二异丁基引发剂或偶氮二异庚腈引发剂，所述引发剂的乙醇溶液中引发剂的质量浓度为0.1~1%。
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