CN113860413B - 一种基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器及其应用 - Google Patents

一种基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器，包括：集热蒸发器、冷凝器和集水器，集热蒸发器，将太阳的辐射能转换为热能以提供热源，并利用热源对海水或待净化水加热产生蒸汽，集热蒸发器包括主体材料和用于固定主体材料的固定器，所述的主体材料为以聚氨酯(PU)海绵为主体支撑骨架，支撑骨架中填充有生物质水凝胶/纳米碳材料，本发明的太阳能蒸发器具有较高的蒸发速率，对海水中的离子及有机染料有良好的去除效果，并且解决了常规蒸发器长期运行发生盐结晶而效率下降的瓶颈问题，实现了水的高效蒸发和蒸发器的长期运行，且水处理效果明显，可以实现长时间运行；另外，蒸发器制作成本低，实现了天然资源的循环利用。

Description

一种基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器及其应用
技术领域
本发明涉及一种基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器及其应用，属于化学及环境技术领域。
背景技术
随着淡水资源紧缺的问题的日益突出，使用非常规水源作为淡水资源的补充受到了广泛关注。太阳能作为清洁的能源能否高效地用于清洁水源的产生，已经引起了广大学者的关注。太阳能光热水蒸发是利用太阳能将水加热转变成水蒸气后在进行收集。太阳能蒸发器优点在于其可以在无能源消耗的情况下用于淡化海水或在偏远落后地区稳定生产淡水。由于自然蒸发进行的非常缓慢，为了提高蒸发速率，在设计太阳能蒸发器时目前还需重点解决几个问题：①提高材料光热转换效率，减少热能损失；②蒸发器应易于湿润且内部多孔，以保证蒸发过程中持续快速供水；③蒸发材料可反复使用，使用寿命长。因此，具有较广的吸光范围，光热转换效率高，成本低，可循环使用的光热材料开发以及与其配套的蒸发器应用装置的设计，成为了光热转化领域的研究热点。
水凝胶是具有三维交联网络结构的亲水聚合物，它可以通过氢键或静电力捕获并保留大量的水分子。一方面，通过调整氢键网络和分子间作用力，水凝胶结构中的中间水可以具有较低的蒸发焓；另一方面，水凝胶网络很容易与其他功能材料掺杂，并且可以通过结构控制来调节水凝胶中的水传输和热传导；水凝胶网络包括有合成类和天然类。与合成水凝胶相比，源自天然高分子的生物水凝胶，如多糖或蛋白质，具有来源丰富、成本低廉、环境友好等优点。海藻酸是天然的海洋多糖，海藻酸钠是最常见、典型的海藻酸盐。海藻酸钠通过二价金属离子或交联剂凝胶化后可以形成稳定的三维网状结构的水凝胶网络。
太阳能蒸发器的吸光材料一般为等离子体或者纯炭黑材料。这种吸光材料价格昂贵，生产成本较高或者含水量不高导致蒸发效率低；碳基材料如碳量子点、碳纳米管和石墨烯等材料，碳材料因其成本低、导热性能好、比表面积大、稳定性高和光热转换性能强等优点，在太阳能海水淡化领域得到广泛应用。但是碳基材料的分散性差，无法直接在水体中进行蒸发。并且目前所报道的碳基材料的蒸发器制备方法复杂，成本高，盐结晶严重从而导致循环使用性差，这极大地限制了碳基材料在太阳能蒸发器中的应用。
因此，低蒸发焓、高亲水性和高的光热转化效率、高效的蒸发效率的蒸发器已经成为目前有待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器及其应用。
发明概述：
本发明太阳能蒸发器的集热蒸发器采用聚氨酯(PU)海绵作为主体支撑骨架，以海藻酸钠(SA)作为基体，海藻酸钠掺入碳基材料，以Ca2+为交联剂，通过使用海藻酸钠凝胶网络对碳基材料进行分散固定，使其具备光热转换蒸发水的能力。本发明的太阳能蒸发器具有较高的蒸发速率，对海水中的离子及有机染料有良好的去除效果，并且解决了常规蒸发器长期运行发生盐结晶而效率下降的瓶颈问题，可以实现长时间运行；另外，蒸发器制作成本低，实现了天然资源的循环利用。
发明详述：
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器，包括：
集热蒸发器，将太阳的辐射能转换为热能以提供热源，并利用热源对海水或待净化水加热产生蒸汽，集热蒸发器包括主体材料和用于固定主体材料的固定器，所述的主体材料为以聚氨酯(PU)海绵为主体支撑骨架，支撑骨架中填充有生物质水凝胶/纳米碳材料集热蒸发器的底部连接有管束，管束用于输送海水或待净化的水；
冷凝器，位于集热蒸发器的上方，对输送来的蒸汽冷却形成冷凝水；
集水器，用于收集冷凝器冷却的冷凝水。
根据本发明优选的，所述的管束为棉线。
根据本发明优选的，集热蒸发器的主体材料是按如下方法制备得到：
(1)将海藻酸钠粉末与去离子水混合，加热搅拌至海藻酸钠溶解，得到半透明海藻酸钠凝胶液；
(2)将海藻酸钠凝胶液继续加热，加入碳纳米管粉末，继续搅拌1-2h至混合均匀，得海藻酸钠-碳纳米管溶液；
(3)将低密度聚氨酯海绵水平浸泡在海藻酸钠-碳纳米管溶液中，反复挤压排出气泡，静置海绵使海绵形状恢复原样；
(4)将步骤(3)吸附海藻酸钠-碳纳米管溶液的海绵水平放入Ca2+溶液中进行交联，得到集热蒸发器主体材料。
根据本发明优选的，步骤(1)中，海藻酸钠粉末与去离子水混合后海藻酸钠的质量分数为4-6wt.％，加热温度为85-95℃，搅拌时间为6-8h。
根据本发明优选的，步骤(2)中，加热温度为85-95℃。
根据本发明优选的，步骤(2)中，每升海藻酸钠凝胶液中添加碳纳米管粉末CNT的量为0.25-1g。
根据本发明优选的，步骤(3)中，低密度聚氨酯海绵为密度9.5-10.5kg m-3、厚度为0.5-2cm的低密度海绵。
根据本发明优选的，步骤(3)中，挤压次数为20-30次。
根据本发明优选的，步骤(4)中，Ca2+溶液的浓度为0.1-0.4mol/L。
根据本发明优选的，步骤(4)中，Ca2+溶液CaCl2溶液或Ca(NO3)2溶液。
根据本发明优选的，步骤(4)中，静置交联时间为20-26h。
根据本发明优选的，步骤(4)中，交联后在去离子水中浸泡，洗涤6-9次。
上述基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器的应用，用于淡化海水或净化污染的水，应用时，将基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器置于水面，使其漂浮在水面上，集热蒸发器底部的管束与水体相连，集热蒸发器对海水或待净化水加热产生蒸汽，蒸汽通过冷凝器冷凝，冷凝水汇集到集水器内。
本发明的有益效果为：
1、本发明的集热蒸发器的主体材料具有低蒸发焓、高亲水性和高的光热转化效率，蒸发速率高，利用凝胶网络对碳基光热材料进行分散、固定，有效解解决了光热转换材料无法直接使用、热量易散失、在长期运行中蒸发器表面易结晶的问题。
2、本发明的集热蒸发器主体材料为以聚氨酯(PU)海绵作为主体支撑骨架，支撑骨架中填充有生物质水凝胶/纳米碳材料，集热蒸发器的底部连接有管束；整体形成“树”状，负载有生物质水凝胶/纳米碳的聚氨酯海绵作为大树的“树冠”用于太阳光的吸收和水的蒸发，管束作为树的“树根和树干”用于待处理水的吸收和传输，从而实现高效海水淡化和受污染水体的水质净化。
3、本发明的基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器可用于海水淡化、染料废水等废水的水体净化，且蒸发速率高，可重复使用，产品环境友好，并且装置简单、成本低，可大规模推广利用。
4、本发明的集热蒸发器的主体材料环境友好，无毒无害，原料易得，价格低廉，符合“使用可再生原料”“资源化”“减量化”原则。
附图说明
图1为本发明的基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器的结构示意图；
1、主体材料，2、固定器，3、管束，4、海水，5、集水器。
图2本发明实施例1的集热蒸发器的主体材料的扫描电镜图；
图3本发明实施例1的集热蒸发器的主体材料的紫外可见近红外的光吸收率图；
图4本发明实施例1、2、3、4对比例1、对比例2、对比例3的太阳能蒸发器的蒸发效率及能量转换效率对比图。
图5本发明实施例1、2、3、4对比例1、对比例2、对比例3的太阳能蒸发器的质量变化对比图。
图6本发明实施例1、5、对比例4、对比例5、对比例6的太阳能蒸发器的蒸发效率对比图。
图7本发明实施例1、5、对比例4、对比例5、对比例6的太阳能蒸发器的主体材料的质量变化对比图。
图8本发明实施例1、6、7、对比例7的太阳能蒸发器的蒸发效率对比图。
图9本发明实施例1的太阳能蒸发器在1个太阳下蒸发氯化钠溶液的蒸发效率对比图。
图10本发明实施例1的太阳能蒸发器在1个太阳下蒸发氯化钠溶液的离子去除率对比图。
图11本发明实施例1的太阳能蒸发器在1个太阳下蒸发氯化钠溶液循环15次的蒸发速率。
图12本发明实施例1的太阳能蒸发器在1个太阳下蒸发海水的离子去除对比图。
图13本发明实施例1的太阳能蒸发器在自然条件下蒸发速率图。
图14本发明实施例1的太阳能蒸发器的蒸发亚甲基蓝和甲基橙前后对比图。
图15为本发明实施例1的太阳能蒸发器在1个太阳下光照升温示意图，在30分钟内温度从室温升至48℃，持续照射温度维持在50℃左右。
图16本发明实施例1的太阳能蒸发器在不同太阳光强度下的蒸发速率，在0.5个太阳光下蒸发速率接近1kg m-2h-1；
图17本发明实施例1的太阳能蒸发器和对应的气凝胶蒸发器在1个太阳下的蒸发氯化钠溶液循环15次的蒸发速率对比图；
图18实施例1、2、3、4对比例1、对比例2、对比例3太阳能蒸发器及其对应的气凝胶蒸发器的蒸发效率对比图；
图19实施例1、5、对比例4、对比例5、对比例6的太阳能蒸发器及其对应的气凝胶蒸发器的蒸发效率对比图。
图20实施例1水凝胶蒸发器和对应的气凝胶蒸发器在1个太阳下蒸发氯化钠溶液的蒸发效率对比图。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步说明，
实施例中使用的原料均为常规市购产品。
实施例1、
一种基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器，结构如图1所示，包括：
集热蒸发器，将太阳的辐射能转换为热能以提供热源，并利用热源对海水或待净化水加热产生蒸汽，集热蒸发器包括主体材料1和用于固定主体材料的固定器2，固定器为泡沫，主体材料为以聚氨酯(PU)海绵作为主体支撑骨架，支撑骨架中填充有生物质水凝胶/纳米碳材料，集热蒸发器的底部连接有管束3，管束3为棉线，棉线用于输送海水或待净化的水；
冷凝器，位于集热蒸发器的上方，对输送来的蒸汽冷却形成冷凝水；
集水器4，用于收集冷凝器冷却的冷凝水。
集热蒸发器的主体材料是按如下方法制备得到：
(1)取4.2g海藻酸钠粉末与100mL去离子水混合放入圆底烧瓶中，置于油浴锅中90℃加热条件下搅拌溶解，直至半透明溶液即为海藻酸钠凝胶液；
(2)将0.1L步骤(1)制备的海藻酸钠凝胶液继续加热，并加入0.05g碳纳米管粉末，继续搅拌1-2h直至混合均匀；
(3)将步骤(2)制备的海藻酸钠-碳纳米管溶液取出，将1cm厚的低密度聚氨酯海绵水平浸入溶液，反复挤25-30次压直至海绵内部无气泡，静置海绵15min保证海绵形状恢复原样；
(4)将步骤(3)吸附海藻酸钠溶液的海绵水平放入0.4M的Ca2+溶液中，静置24h使其交联；
(5)取步骤(4)交联后的蒸发器取出，用离子水冲洗并浸泡，反复6次；
实施例2、
如实施例1所述的基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器，所不同的是：
集热蒸发器的主体材料的制备中加入碳纳米管粉末CNT为0.01g，其余操作、用量与实施例1相同。
实施例3、
如实施例1所述的基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器，所不同的是：
集热蒸发器的主体材料的制备中加入碳纳米管粉末CNT为0.025g，其余操作、用量与实施例1相同。
实施例4、
如实施例1所述的基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器，所不同的是：
集热蒸发器的主体材料的制备中加入碳纳米管粉末CNT为0.1g，其余操作、用量与实施例1相同。
实施例5、
如实施例1所述的基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器，所不同的是：
集热蒸发器的主体材料的制备中海藻酸钠的质量为6.4g，其余操作、用量与实例1完全相同。
实施例6、
如实施例1所述的基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器，所不同的是：
集热蒸发器的主体材料的制备中海绵的厚度为0.5cm，其余操作、用量与实施例1相同。
实施例7、
如实施例1所述的基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器，所不同的是：
集热蒸发器的主体材料的制备中海绵的厚度为2cm，其余操作、用量与实施例1相同。
对比例
对比例1、
如实施例1所述的基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器，所不同的是：
集热蒸发器的主体材料的制备中CNT的质量为0g，其余操作、用量与实例1完全相同。
对比例2、
如实施例1所述的基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器，所不同的是：
集热蒸发器的主体材料的制备中CNT的质量为0.005g，其余操作、用量与实例1完全相同。
对比例3、
如实施例1所述的基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器，所不同的是：
集热蒸发器的主体材料的制备中加入碳纳米管粉末CNT为0.2g，其余操作、用量与实施例1相同。
对比例4、
如实施例1所述的基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器，所不同的是：
集热蒸发器的主体材料的制备中海藻酸钠的质量为1.1g，其余操作、用量与实施例1相同。
对比例5、
如实施例1所述的海藻酸钠-碳基太阳能蒸发器的制备方法，所不同的是：
集热蒸发器的主体材料的制备中海藻酸钠的质量为2.1g，其余操作、用量与实施例1相同。
实施例6、
如实施例1所述的基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器，所不同的是：
集热蒸发器的主体材料的制备中海藻酸钠的质量为8.8g，其余操作、用量与实例1完全相同。
对比例7、
如实施例1所述的基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器，所不同的是：
集热蒸发器的主体材料的制备中海绵的厚度为4cm，其其余操作、用量与实施例1相同。
对应的气凝胶蒸发器，制备方法如下：
(1)取海藻酸钠粉末与去离子水混合放入圆底烧瓶中，置于油浴锅中90℃加热条件下搅拌溶解，直至半透明溶液即为海藻酸钠凝胶液；
(2)将0.1L步骤(1)制备的海藻酸钠凝胶液继续加热，并加入碳纳米管粉末，继续搅拌1-2h直至混合均匀，然后加入Ca2+溶液中，静置24h使其交联，冷冻干燥，得到气凝胶，将其作为主体材料用在太阳能蒸发器上，得到气凝胶太阳能蒸发器。
应用实验例：
以下为不同条件下制备的蒸发器在1个太阳下的蒸发的实验。
实验例1、
对实施例1、2、3、4对比例1、对比例2、对比例3进行1个太阳的蒸发纯水的实验，实验结果如图4、图5所示。
实验例2、
对实施例1、5、对比例4、对比例5、对比例6进行1个太阳的蒸发纯水的实验，实验结果如图6、图7所示。
实验例3、
对实施例1、6、7、对比例7进行1个太阳的蒸发纯水的实验，实验结果如图8。
以下为实施例1的蒸发器的蒸发的实验。
实验例4、
对实施例1在1个太阳下的蒸发氯化钠溶液的实验，实验结果如图9、图10所示。
实验例5、
对实施例1在1个太阳下的蒸发氯化钠溶液循环15次的实验，实验结果如图11所示。
实验例6、
对实施例1在1个太阳下的蒸发海水的实验，实验结果如图12所示。
实验例7、
对实施例1在自然条件中下的蒸发海水的实验，实验结果如图13所示。
实验例8、
对实施例1在1个太阳下的蒸发有机染料的实验，实验结果如图14所示。
实验例9、
以下为实施例、对比例以及对应的气凝胶蒸发器蒸发的实验。
1、实施例1的太阳能蒸发器和对应的气凝胶蒸发器在1个太阳下的蒸发氯化钠溶液循环15次的蒸发速率对比图，见图17所示。
2、实施例1、2、3、4对比例1、对比例2、对比例3太阳能蒸发器及其对应的气凝胶蒸发器的蒸发效率对比图，见图18所示。
3、实施例1、5、对比例4、对比例5、对比例6的太阳能蒸发器及其对应的气凝胶蒸发器的蒸发效率对比图，见图19所示。
综上所述：随着碳纳米管浓度的增加，蒸发器的蒸发速率不断地升高，但其光热转换效率呈现出先增加后降低的趋势，当CNT浓度为0.5g/L时效率达到峰值；蒸发器的蒸发速率会随着海藻酸钠的浓度增高而增高，但当海藻酸钠浓度大于6wt％后其溶解时间增加，且交联后的水凝胶易发生较大的形变；蒸发器蒸发速率随着海绵的厚度先增加后下降的趋势。

Claims (4)

1.一种基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器，包括：
集热蒸发器，将太阳的辐射能转换为热能以提供热源，并利用热源对海水或待净化水加热产生蒸汽，集热蒸发器包括主体材料和用于固定主体材料的固定器，所述的主体材料为以聚氨酯（PU）海绵为主体支撑骨架，支撑骨架中填充有生物质水凝胶/纳米碳材料,集热蒸发器的底部连接有管束，管束用于输送海水或待净化的水；
冷凝器，位于集热蒸发器的上方，对输送来的蒸汽冷却形成冷凝水；
集水器，用于收集冷凝器冷却的冷凝水；
所述的管束为棉线；
集热蒸发器的主体材料是按如下方法制备得到：
（1）将海藻酸钠粉末与去离子水混合，加热搅拌至海藻酸钠溶解，得到半透明海藻酸钠凝胶液；
（2）将海藻酸钠凝胶液继续加热，加入碳纳米管粉末，继续搅拌1-2h至混合均匀，得海藻酸钠-碳纳米管溶液；每升海藻酸钠凝胶液中添加碳纳米管粉末CNT的量为0.25-1g；
（3）将低密度聚氨酯海绵水平浸泡在海藻酸钠-碳纳米管溶液中，反复挤压排出气泡，静置海绵使海绵形状恢复原样；低密度聚氨酯海绵为密度9.5-10.5 kg m-3、厚度为0.5-2cm的低密度海绵；挤压次数为20-30次；
（4）将步骤（3）吸附海藻酸钠-碳纳米管溶液的海绵水平放入Ca2+溶液中进行交联，得到集热蒸发器主体材料；
基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器的应用，用于淡化海水或净化污染的水，应用时，将基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器置于水面，使其漂浮在水面上，集热蒸发器底部的管束与水体相连，集热蒸发器对海水或待净化水加热产生蒸汽，蒸汽通过冷凝器冷凝，冷凝水汇集到集水器内。
2.根据权利要求1所述的基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器，其特征在于，步骤（1）中，海藻酸钠粉末与去离子水混合后海藻酸钠的质量分数为4-6wt.%，加热温度为85-95℃，搅拌时间为6-8 h。
3.根据权利要求1所述的基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器，其特征在于，步骤（2）中，加热温度为85-95℃。
4.根据权利要求1所述的基于生物质水凝胶/纳米碳材的太阳能蒸发器，其特征在于，步骤（4）中，Ca2+溶液的浓度为0.1-0.4 mol/L，Ca2+溶液CaCl2溶液或Ca(NO3)2溶液，静置交联时间为20-26h，交联后在去离子水中浸泡，洗涤6-9次。
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