CN113214530B - 高吸热改性亲水pdms太阳能淡水收集反应器及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器，通过以下方法制备：(1)将PDMS预聚物和固化剂混合均匀，抽真空去除混合液中的气泡，得PDMS混合液；(2)将亲水性材料码放整齐后，覆盖一层易溶颗粒和深色吸热颗粒，离心，直至混合物完全填充亲水性材料间隙；(3)加入PDMS混合液，离心，PDMS完全填充易溶颗粒间缝隙；加热固化，得黑色固体；(4)将黑色固体放入溶剂中，溶解完成后，即得。本发明的高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器，为多孔物质，弹性体，密度低，可以漂浮在水面上，具有优异的光吸收能力和光热转换能力，可用于淡水的收集，可作为太阳能吸收剂或太阳能吸收器进行应用，或者用于制备太阳能吸收剂或太阳能吸收器。

Description

高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器及其应用
技术领域
本发明涉及一种高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器及其制备方法与应用。
背景技术
随着人口的快速增长和愈发严重的环境污染，淡水资源短缺已成为最严峻的全球性挑战之一。地球表面的71％被水覆盖，但其中淡水仅占2.5％，淡水资源严重不足。近些年，太阳能淡水收集反应器被广泛报道，太阳能蒸汽是一种典型的光热转换方法，它以清洁可再生的太阳能为驱动力，通过光热转化产生水蒸汽，进而收集获得洁净的淡水，这为缓解淡水资源短缺提供了一种极具潜力的解决方案。目前用于太阳能淡水收集反应器制作的材料主要有等离子金属纳米材料，非金属材料和碳基材料。等离子金属纳米颗粒由于其良好的光热转化性能而被广泛研究，例如金纳米颗粒。金纳米颗粒具有良好的太阳能吸收能力，能够高效加热周围液体产生蒸汽，用于淡水的收集。但金属纳米材料通常需要较高的光学强度(高达103kW·m-2)才能实现蒸汽的产生，而且太阳热效率相对较低，仅约24％。此外，长时间照射后，等离子纳米粒子可能会发生融合，从而削弱等离子特性，导致太阳能热转换效率降低。而且，贵金属光热转化材料的稀缺性和高成本限制了它们的实际应用。
非金属半导体纳米材料在太阳能淡水收集反应器中的应用有效降低了贵金属的消耗和反应器的制备成本。例如氧化钛纳米材料，氧化钛更多的被作为一种光敏材料用于光催化研究，近年来随着黑色氧化钛的发现，开始作为吸光材料被用于光热转换的研究，其展现出了良好的光热转换性能。但非金属太阳能淡水收集反应器的制备复杂且结构稳定性差，不利于其实际应用。碳基光热转换材料是另一种被广泛研究和报道的用于太阳能淡水收集反应器制备的材料，如碳化天然蘑菇、火焰处理的木材和碳化表面的木材等。碳基材料价格低廉，光热转换性能优异，而且制备工艺相对成熟。但是木头、蘑菇等物质表面极其容易生长细菌，结构不稳定，降低了太阳能淡水收集反应器的耐久性，不利于其实际应用。因此，有必要研发一种效率高、稳定性好的太阳能淡水收集反应器。
聚二甲基硅氧烷，简称PDMS，是一种疏水性的有机硅材料，具有高透光性，化学惰性，无毒，生物相容性好，高弹性等特点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器。该反应器以聚二甲基硅氧烷为骨架材料，结合深色吸热材料和亲水材料，在提升蒸发效率，提高反应器稳定性的同时，有效降低了生产成本和生产难度。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器，通过以下方法制备得到：
(1)将PDMS预聚物和其固化剂混合混匀，抽真空去除混合液中的气泡，得PDMS混合液，备用；PDMS预聚物所用固化剂为本领域的常用固化剂，不再赘述；
进一步地，所述PDMS预聚物和其固化剂的质量比为5～15:1，优选10:1；
(2)将亲水材料码放整齐后，在上面覆盖一层由易溶颗粒和深色吸热颗粒组成的混合物(例如氯化钠颗粒和碳粉)，离心，直至混合物完全填充亲水材料间隙；
进一步地，所述亲水材料选自纸纤维和/或玻璃毛细管；纸纤维是由废旧纸屑(纸箱、纸卷、报纸、书纸等材料)经加工设备加工成纤维状的成品；
进一步地，所述易溶颗粒选自盐、白砂糖、冰中的一种或两种以上；所述盐选自金属离子或铵根离子与酸根离子通过离子键结合形成的化合物中的任意一种或两种以上，比如氯化钠；
进一步地，所述深色吸热颗粒选自碳粉和/或氧化石墨烯；
(3)完成步骤(2)后，加入PDMS混合液，离心，直至PDMS完全填充颗粒间缝隙；加热固化，得黑色固体；
所述PDMS混合液、易溶颗粒、深色吸热颗粒的用量关系为：每1mL PDMS混合液加入2.5～3.5g的易溶颗粒，0.01～0.5g的深色吸热颗粒；
优选地，所述加热固化的参数条件为：80℃下烘20min；
(4)将黑色固体放入溶剂中，使易溶颗粒物质溶出，即得高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器。
进一步地，所述步骤(4)中，加热搅拌以加速易溶颗粒物质的溶解；必要时还可更换溶剂。
利用上述方法制备得到的高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器，为多孔结构(易溶颗粒溶解后形成孔)，具有弹性，密度低，可以漂浮在液面，且有良好的吸水性和吸热性，可提高光热转换效率。本发明的高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器，可作为太阳能吸收剂或太阳能吸收器进行应用，或者用于制备太阳能吸收剂或太阳能吸收器。
具体应用时，将毛细管和/或纸纤维掺杂进高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器。
一种太阳能淡水收集反应器，包括上述高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器，以及毛细管和/或纸纤维，其中，毛细管和/或纸纤维掺杂进高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器。
本发明的高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器，以PDMS为载体，以碳粉等深色材料为吸光物质，以易溶颗粒物质为制孔物质；具有优异的光吸收能力和光热转换能力，能够自由漂浮于水面或借助有效的体系帮助漂浮于水面；具有良好的亲水性和贯通的三维网络结构，能够保证下层水溶液对热蒸发表面的有效补给；具有优异的隔热能力，能够将热量集中于蒸发表面；具有优异的机械稳定性和可重复使用性。本发明的高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器，将碳粉等深色材料充分掺杂进PDMS中，吸热能力大大提高。且亲水材料的加入增加了反应器的亲水性。
本发明使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义。
附图说明
图1：高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器示意图。
图2：白色PDMS太阳能淡水收集反应器示意图。
图3：纯水蒸发体系、白色PDMS太阳能淡水收集反应器蒸发体系、高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器蒸发体系的质量变化图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。然而，本发明的范围并不限于下述实施例。本领域的专业人员能够理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行各种变化和修饰。
下述实施例中所涉及的仪器、试剂、材料等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规仪器、试剂、材料等，可通过正规商业途径获得。下述实施例中所涉及的实验方法，检测方法等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规实验方法，检测方法等。
实施例1制备高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器、白色PDMS太阳能淡水收集反应器
步骤如下：
(1)将PDMS预聚物和固化剂以质量比10:1的比例混合均匀，抽真空去除混合液中的气泡，得PDMS混合液，备用。
(2)将120根直径为1mm，长度为4.5mm的纸纤维(约0.26g)在半径为1.5cm的圆形模具中码放整齐后，加入7.0g氯化钠颗粒和碳粉的混合物(具体为直径150μm的氯化钠颗粒6.9g，400目的碳粉0.1g)，离心(医用离心机，1000r/min，10min)，直至混合物完全填充纸纤维间隙。
(3)完成步骤(2)后，再加入2.6mL PDMS混合液，离心(医用离心机，1000r/min，10min)，PDMS完全填充颗粒间缝隙；加热固化(80℃下烘20min)，得黑色固体；直径30mm，厚度4.5mm。
(4)将黑色固体放入水中，加热搅拌以加速氯化钠的溶解，氯化钠溶出后，即得高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器。形貌如图1所示，直径30mm，厚度4.5mm。
白色PDMS太阳能淡水收集反应器的制备方法同上，不同之处在于：步骤(2)中不加入纸纤维和碳粉，其形貌如图2所示。
取三个直径为30mm容器分别加入40mL纯水，将上述两种反应器分别放在容器中水面。通过氙灯(300W)照射模拟太阳能蒸发实验测量在光照强度为1.01kW·m-2时，纯水蒸发体系、白色PDMS太阳能淡水收集反应器蒸发体系、高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器蒸发体系在90min内的质量变化如图3所示，根据计算，其蒸发效率分别为0.2359kg·m-2·h-1、0.2328kg·m-2·h-1、0.9814kg·m-2·h-1。实验结果表明白色PDMS太阳能淡水收集反应器和纯水的蒸发效率相似，并无明显提升。然而高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器的蒸发效率相对于纯水提升了4.16倍，展现了良好的蒸发性能和光热转化效率。
实施例2PDMS太阳能淡水收集反应器
将实施例1制备的高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器中的纸纤维替换为玻璃毛细管。120根直径1mm、长度4.5mm的毛细管替换纸纤维，其他制备过程同实施例1相同。该太阳能吸收器，具有良好的吸水性，可提高光热转换效率和水蒸发效率。
给本领域技术人员提供上述实施例，以完全公开和描述如何实施和使用所主张的实施方案，而不是用于限制本文公开的范围。对于本领域技术人员而言显而易见的修饰将在所附权利要求的范围内。

Claims (6)

1.一种高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将PDMS预聚物和固化剂混合均匀，抽真空去除混合液中的气泡，得PDMS混合液，备用；
(2)将亲水材料码放整齐后，在上面覆盖一层由易溶颗粒和深色吸热颗粒组成的混合物，离心，直至混合物完全填充亲水材料间隙；
所述亲水材料选自纸纤维和/或玻璃毛细管；所述纸纤维是由废旧纸屑经加工设备加工成纤维状的成品；
所述易溶颗粒选自盐、白砂糖、冰中的一种或两种以上；
所述深色吸热颗粒选自碳粉和/或氧化石墨烯；
(3)完成步骤(2)后，加入PDMS混合液，离心，直至PDMS完全填充颗粒间缝隙；加热固化，得黑色固体；
(4)将黑色固体放入溶剂中，使易溶颗粒物质溶出，即得高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器。
2.根据权利要求1所述的高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器的制备方法，其特征在于：所述PDMS预聚物和其固化剂的质量比为5～15:1。
3.根据权利要求1所述的高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器的制备方法，其特征在于：所述盐选自金属离子或铵根离子与酸根离子通过离子键结合形成的化合物中的任意一种或两种以上。
4.根据权利要求1所述的高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器的制备方法，其特征在于：所述PDMS混合液、易溶颗粒、深色吸热颗粒和亲水材料之间的用量关系为：每1mLPDMS混合液加入2.5～3.5g的易溶颗粒，0.01～0.5g的深色吸热颗粒。
5.利用权利要求1～4中任一项所述的高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器的制备方法制备得到的高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器。
6.权利要求5所述的高吸热改性亲水PDMS太阳能淡水收集反应器在作为/制备太阳能吸收剂或太阳能吸收器中的应用。
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