CN112850832A - 一种功能化荷叶装置、制备方法及用途 - Google Patents

一种功能化荷叶装置、制备方法及用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种功能化荷叶装置、制备方法及用途。该装置包括上层碳化荷叶和下层泡沫，两者固定连接。步骤：a、制备炭黑溶液：在极性溶剂中分散炭黑颗粒，制备炭黑溶液；b、取荷叶洗净，后冻干，再烘干；c、将炭黑溶液少量多次均匀喷涂至荷叶表面，烘干；d、围绕荷叶茎在叶片上穿孔；e、使用前浸润；将层碳化荷叶与下层泡沫固定。该装置蒸发效率可达到39％～50％，产盐速率高达0.71～1.33kg/(m2day)，性能好。

Description

一种功能化荷叶装置、制备方法及用途
技术领域
本发明涉及海水淡化装置，特别涉及一种功能化荷叶装置、制备方法及用途。
背景技术
在海水淡化的各种技术中，光热技术，即利用太阳能辐射产生水蒸气从而获得淡水， 是一种广泛应用的技术。其中被动式光热海水淡化技术具有设计简单、取材方便、运行成本极低的优势。然而，传统的太阳能蒸馏器由于需要加热整个水体，热量散失严重， 对能量的利用效率低，产水能力较差。近年来，人们开发了一种界面光热技术，这种技 术利用漂浮在水体表面的一层光吸收体，将光能吸收转化成热能，仅用于加热表层水。 这种技术可以大幅提高能量利用效率，具有高效产水的能力。目前的界面光热技术通常 仅能收集水蒸气。但海水中除淡水资源外，NaCl等盐分也是人类所需要的重要资源， 相比于单纯的淡水蒸馏器，可以同时收集多种资源的盐水分离器具有更广阔的应用价 值。
对于盐水分离器的主体材料，目前常采用人工合成材料如：3D打印泡沫、纸等。 大多具有以下劣势：材料不环保，使用后难以回收，且材料的耐腐蚀性较差，难以长时 间使用。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种盐水分离效果好的功能化荷叶装置。
本发明另一目的是提供功能化荷叶在盐水分离中的用途。
技术方案：本发明提供一种功能化荷叶装置，包括上层碳化荷叶和下层泡沫，两者固定连接。荷叶作为一种天然材料，有易获得、生物降解性良好等优势。荷叶下层为多 孔亲水的结构，且具有中空的荷叶茎，可以提供良好的水分供应，表面呈现乳突状的疏 水结构，有效防止蒸发过程中的盐分富集导致的效率降低。
所述的功能化荷叶装置的制备方法，包括如下步骤：
(1)上层碳化荷叶的制备方式如下：
a、制备炭黑溶液：在极性溶剂中分散炭黑颗粒，制备炭黑溶液；
b、取荷叶洗净，后冻干，再烘干；
c、将炭黑溶液少量多次均匀喷涂至荷叶表面，烘干；
d、围绕荷叶茎在叶片上穿孔，用于蒸发；
e、使用前浸润；
(2)将(1)的上层碳化荷叶与下层泡沫固定。
进一步地，所述步骤(1)中炭黑溶液浓度为0.01～0.1g/ml。
进一步地，所述步骤(1)中冻干24～48h，30～50℃下烘干8～24h。
进一步地，将炭黑溶液喷涂至荷叶表面后，30～50℃下烘干16～24h。
进一步地，所述步骤(1)中使用前浸润11～16h。
所述的功能化荷叶装置在盐水分离中的用途。
有益效果：
1、本发明制备的功能化荷叶利用界面蒸发光热技术，保持了荷叶上层疏水下层亲水的两面体结构，吸光能力好；在1个太阳光强下，蒸发效率可达到39％～50％。
2、本发明相对于传统的水蒸馏器，同时起到了收集淡水和收集盐分的作用，在1个太阳光强下，产水速率达到了：0.59～0.76kg/(m2h)，产盐速率达到了：0.71～1.33 kg/(m2day)。在海水淡化领域有较为广阔的应用前景。
3、本发明的耐盐性能良好，在多次循环实验后依然保持稳定的性能，具有长时间使用的能力。
4、本发明的材料生物降解性良好，价格低廉，且制备过程安全无毒，具有环境友好的特点
附图说明
图1为本发明装置的实物展示图，其中，(a)装置整体展示；(b)炭黑强化荷叶正面展示；(c)荷叶穿孔展示；
图2为功能化荷叶表面扫描电镜照片和疏水性示意图；
图3为装置8.5h内蒸发效率的变化情况；
图4为有、无装置8.5h内产盐量的对比图，其中，(a)为有功能化荷叶装置的8.5h产盐量；(b)为无装置的8.5h产盐量。
具体实施方式
实施例1：
功能化荷叶制备：
上层碳化荷叶的制备：
1)称取0.1g炭黑，溶解在10ml乙醇中。
2)摘取新鲜荷叶，洗净后冻干24h，在30℃下烘干24h.
3)将炭黑溶液分5次喷涂至荷叶表面。每次相隔10min。喷涂后，在50℃烘干8h。
4)围绕荷叶茎在叶片上穿孔。
5)在实验前使用清水浸润16h。
下层使用约3mm厚聚苯乙烯泡沫。
效率测试：
1)将炭黑强化荷叶与泡沫层进行组装。
2)配置饱和食盐水100ml。
3)将装置在1个太阳光强(1kW/m2)下进行实验，并通过电子天平获取装置的质 量实时变化曲线。
实验结果如下：
4h蒸发速率为0.76kg/(m2h)；蒸发效率为50％；产盐速率为0.71kg/(m2day)。
图1为装置的实物展示图。
图2为功能化荷叶表面扫描电镜照片和疏水性示意。可以看出在喷涂炭黑后荷叶表 面依然保持乳突状的疏水结构。
图3为装置8.5h内蒸发效率的变化情况。
图4为有无装置8.5h内产盐量的对比图：(a)中NaCl的质量为4.00g；(b)中NaCl 的质量为0.21g。
实施例2：
上层碳化荷叶的制备：
1)称取0.2g炭黑，溶解在10ml甲醇中。
2)摘取新鲜荷叶，洗净后冻干29h，在34℃下烘干21h。
3)将炭黑溶液分5次喷涂至荷叶表面。每次相隔10min。喷涂后，在46℃烘干16h。
4)围绕荷叶茎在叶片上穿孔。
5)在实验前使用清水浸润15h。
下层使用4mm厚聚苯乙烯泡沫。
效率测试：
1)将炭黑强化荷叶与泡沫层进行组装。
2)配置饱和食盐水100ml。
3)将装置在1个太阳光强(1kW/m2)下进行实验，并通过电子天平获取装置的质 量实时变化曲线。
实验结果如下：
5h蒸发速率为0.71kg/(m2h)；蒸发效率为47％；产盐速率为1.33kg/(m2day)。
实施例3：
上层碳化荷叶的制备：
1)称取0.4g炭黑，溶解在10ml水中。
2)摘取新鲜荷叶，洗净后冻干34h，在38℃下烘干18h。
3)将炭黑溶液分5次喷涂至荷叶表面。每次相隔10min。喷涂后，在42℃烘干24h。
4)围绕荷叶茎在叶片上穿孔。
5)在实验前使用清水浸润14h。
下层使用5mm厚聚苯乙烯泡沫。
效率测试：
1)将炭黑强化荷叶与泡沫层进行组装。
2)配置饱和食盐水100ml。
3)将装置在1个太阳光强(1kW/m2)下进行实验，并通过电子天平获取装置的质 量实时变化曲线。
实验结果如下：
6h蒸发速率为0.59kg/(m2h)；蒸发效率为39％；产盐速率为1.31kg/(m2day)。
实施例4：
上层碳化荷叶的制备：
1)称取0.6g炭黑，溶解在10ml乙醇和水的混合溶剂中。
2)摘取新鲜荷叶，洗净后冻干38h，在42℃下烘干14h。
3)将炭黑溶液分5次喷涂至荷叶表面。每次相隔10min。喷涂后，在38℃烘干24h。
4)围绕荷叶茎在叶片上穿孔。
5)并在实验前使用清水浸润13h。
下层使用3mm厚聚苯乙烯泡沫。
效率测试：
1)将炭黑强化荷叶与泡沫层进行组装。
2)配置饱和食盐水100ml。
3)将装置在1个太阳光强(1kW/m2)下进行实验，并通过电子天平获取装置的质 量实时变化曲线。
实验结果如下：
7h蒸发速率为0.70kg/(m2h)；蒸发效率为45％；产盐速率为0.71kg/(m2day)。
实施例5：
上层碳化荷叶的制备：
1)称取0.8g炭黑，溶解在10ml甲醇和水的混合溶剂中。
2)摘取新鲜荷叶，洗净后冻干43h，在46℃下烘干11h。
3)将炭黑溶液分5次喷涂至荷叶表面。每次相隔10min。喷涂后，在34℃烘干24h。
4)围绕荷叶茎在叶片上穿孔。
5)在实验前使用清水浸润12h。
下层使用4mm厚聚苯乙烯泡沫。
效率测试：
1)将炭黑强化荷叶与泡沫层进行组装。
2)配置饱和食盐水100ml。
3)将装置在1个太阳光强(1kW/m2)下进行实验，并通过电子天平获取装置的质 量实时变化曲线。
实验结果如下：
8h蒸发速率为0.63kg/(m2h)；蒸发效率为40％；产盐速率为0.89kg/(m2day)。
实施例6：
上层碳化荷叶的制备：
1)称取1g炭黑，溶解在10ml甲醇和乙醇的混合溶剂中。
2)摘取新鲜荷叶，洗净后冻干48h，在50℃下烘干8h。
3)将炭黑溶液分5次喷涂至荷叶表面。每次相隔10min。喷涂后，在30℃烘干24h。
4)围绕荷叶茎在叶片上穿孔。
5)在实验前使用清水浸润11h。
下层使用5mm厚聚苯乙烯泡沫。
效率测试：
1)将炭黑强化荷叶与泡沫层进行组装。
2)配置饱和食盐水100ml。
3)将装置在1个太阳光强(1kW/m2)下进行实验，并通过电子天平获取装置的质 量实时变化曲线。
实验结果如下：
8.5h蒸发速率为0.72kg/(m2h)；蒸发效率为47％；产盐速率为0.89kg/(m2day)。
实施例7：
上层碳化荷叶的制备：
1)称取0.1g炭黑，溶解在10ml甲醇、乙醇和水的混合溶剂中。
2)摘取新鲜荷叶，洗净后冻干48h，在50℃下烘干8h。
3)将炭黑溶液分5次喷涂至荷叶表面。每次相隔10min。喷涂后，在30℃烘干24h。
4)围绕荷叶茎在叶片上穿孔。
5)在实验前使用清水浸润16h。
下层使用3mm厚聚苯乙烯泡沫。
效率测试：
1)将炭黑强化荷叶与泡沫层进行组装。
2)配置饱和食盐水100ml。
3)将装置在1个太阳光强(1kW/m2)下进行实验，并通过电子天平获取装置的质 量实时变化曲线。
实验结果如下：
8.5h蒸发速率为0.73kg/(m2h)；蒸发效率为49％；产盐速率为0.91kg/(m2day)。
对比例1：
上层碳化荷叶的制备：
1)称取2g炭黑，溶解在10ml乙醇中。
2)摘取新鲜荷叶，洗净后冻干24h，在40℃下烘干24h。
3)将炭黑溶液分3次喷涂至荷叶表面。每次相隔10min。喷涂后，在40℃烘干24h。
4)围绕荷叶茎在叶片上穿孔。
5)在实验前使用清水浸润11h。
下层使用3mm厚聚苯乙烯泡沫。
效率测试：
1)将炭黑强化荷叶与泡沫层进行组装。
2)配置饱和食盐水100ml。
3)将装置在1个太阳光强(1kW/m2)下进行实验，并通过电子天平获取装置的质 量实时变化曲线。
实验结果如下：
8.5h蒸发速率为0.44kg/(m2h)；蒸发效率为29％；产盐速率为0.56kg/(m2day)。 造成蒸发效率较低的原因：主要为过高浓度的炭黑导致荷叶表面气孔的堵塞，阻碍 水蒸发过程，由此可见实验需要将控制炭黑溶液浓度在合适范围，并以少量多次的 方式进行喷涂。
对比例2：
上层碳化荷叶的制备：
1)称取0.1g炭黑，溶解在10ml甲醇中。
2)摘取新鲜荷叶，洗净后冻干24h，在40℃下烘干24h。
3)将炭黑溶液分5次喷涂至荷叶表面。每次相隔10min。喷涂后，在40℃烘干24h。下层使用3mm厚聚苯乙烯泡沫。
效率测试：
1)将炭黑强化荷叶与泡沫层进行组装。
2)配置饱和食盐水100ml。
3)将装置在1个太阳光强(1kW/m2)下进行实验，并通过电子天平获取装置的质 量实时变化曲线。
实验结果如下：
8.5h蒸发速率为0.47kg/(m2h)；蒸发效率为31％；产盐速率为0.59kg/(m2day)。 造成蒸发效率较低的原因：主要为没有对荷叶进行穿孔和浸润处理，蒸发过程中的 水分供应减少。由此可见穿孔和提前浸润的处理方式可以提高装置的蒸发效率。

Claims (7)

1.一种功能化荷叶装置，其特征在于：包括上层碳化荷叶和下层泡沫，两者固定连接。
2.权利要求1所述的功能化荷叶装置的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)上层碳化荷叶的制备方式如下：
a、制备炭黑溶液：在极性溶剂中分散炭黑颗粒，制备炭黑溶液；
b、取荷叶洗净，后冻干，再烘干；
c、将炭黑溶液少量多次均匀喷涂至荷叶表面，烘干；
d、围绕荷叶茎在叶片上穿孔；
e、使用前浸润；
(2)将(1)的上层碳化荷叶与下层泡沫固定。
3.根据权利要求2所述的功能化荷叶装置的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中炭黑溶液浓度为0.01～0.1g/ml。
4.根据权利要求1所述的功能化荷叶装置，其特征在于：所述步骤(1)中冻干24～48h，30～50℃下烘干8～24h。
5.根据权利要求1所述的功能化荷叶装置，其特征在于：将炭黑溶液喷涂至荷叶表面后，30～50℃下烘干16～24h。
6.根据权利要求1所述的功能化荷叶装置，其特征在于：所述步骤(1)中使用前浸润11～16h。
7.权利要求1所述的功能化荷叶装置在盐水分离中的用途。
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