CN114350030B - 一种生物质基气凝胶光热材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种生物质基气凝胶光热材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物质基气凝胶光热材料及其制备方法与应用。本发明先将氧化石墨烯加到碱性溶液中超声得到均匀的氧化石墨烯分散液，再将腐殖酸和纤维素加入到上述溶液中得到混合溶液；再加入交联剂得到生物质基复合水凝胶；再经过溶剂交换、干燥得到上述的生物质基气凝胶光热材料。本发明所制备的气凝胶具有高度多孔的结构，为水和蒸汽的运输提供了通道。所制备的气凝胶在光照强度为1kW·m‑2时的蒸发率高达为2.5kg·m‑2·h‑1。

Description

一种生物质基气凝胶光热材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于光热材料制备领域，具体涉及一种生物质基气凝胶光热材料及其制备方法与应用。
背景技术
利用丰富的太阳能是实现全球资源可持续发展的有效策略。太阳能光热转换是利用太阳能的有效手段之一。热蒸汽发电因其在废水处理、海水淡化、杀菌等不同应用领域中的潜力而备受关注。近年来，太阳能驱动的界面蒸发被研究学者提出，并被认为是替代传统太阳能加热蒸发的一种很有前景的方法，它可以减少热量损失，提高能量转换效率。目前，多种表面修饰的碳材料多倍用于界面蒸发，碳材料、半导体材料和等离子体金属纳米颗粒能够有效地增强太阳能吸收。然而，大多数报道的材料、薄膜和贵金属存在蒸发速率低、制作工艺复杂、和原材料有毒等问题。低成本、可操作性和稳定性可能是这些界面蒸材料实际应用的关键限制。故寻找一种制作蒸发速率高、制作工艺简单和绿色环保的界面蒸发材料已经成为众多科研人员的研究热点。
石墨烯具有来源广，比表面积大、导热性好、电子迁移率高、机械性能强、化学稳定性强等特性。因而使得石墨烯在光热转换领域有着广阔的应用前景，但目前应用于太阳能光热转换领域的石墨烯气凝胶仍存在水蒸发量低等问题。目前，研究人员将主要将氧化石墨烯经过还原法制备石墨烯气凝胶，再将其用于光热转化领域。例如：余文杰等采用还原剂(如三聚氰胺，壳聚糖，乙二胺)对氧化石墨烯进行水热还原反应，得到不同还原程度的石墨烯。在氧化石墨烯和三聚氰胺的质量比为1：1时制备的石墨烯气凝胶对水的蒸发速率达到1.51kg/m2h。(余文杰,武宁清,周建华,苗蕾,曹子龙,王天佑,覃东萍.广东化工,2021)。
生物质是自然界中大量存在的一种天然有机物，是动植物的残骸经微生物分解和转化后得到。生物学因素和地球化学因素决定了生物质在环境中的积累以及它的质量组成，生物质在形态上是无定形的，颜色呈褐色或者黑色。生物质的结构十分复杂没有统一的结构，含有大量的官能团，例如酚羟基、醇羟基、羧基、醛、甲氧基等。因此，生物质的化学性质活泼，能与多种物质金属离子发生反应，也具有较强的吸附能力。生物质中存在的大量羟基可与氧化石墨烯和纤维素发生交联反应生产气凝胶，可用于光热转化领域。其中，生物质和氧化石墨烯具有协同作用，能进一步提升材料的光吸收能力，加快水分的蒸发。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种生物质基气凝胶光热材料的制备方法。
本发明的另一目的在于提供上述方法制得的一种生物质基气凝胶光热材料。
本发明的再一目的在于提供上述一种生物质基气凝胶光热材料的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种生物质基气凝胶光热材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将氧化石墨烯加入到碱性溶液中，混合均匀后加入纤维素和腐殖酸，混合均匀得到混合液，再加入交联剂并混合均匀，静置后形成化学交联的腐殖酸/纤维素/氧化石墨烯复合水凝胶；
(2)将步骤(1)的复合水凝胶进行溶剂交换，预冷冻后再进行冷冻干燥得到气凝胶。
优选地，步骤(1)所述碱性溶液为6～10wt％的氢氧化钠溶液。
优选地，步骤(1)所述氧化石墨烯、纤维素和腐殖酸的质量比为0.1～0.3：1：0.5～2.5。
优选地，步骤(1)所述氧化石墨烯和碱性溶液的质量体积比为0.01～0.05g：10ml。
优选地，步骤(1)所述纤维素和交联剂的质量体积比为0.2g：0.2～1ml。
优选地，步骤(1)所述纤维素为羟乙基纤维素、羧甲基纤维素和甲基纤维素的至少一种。
优选地，步骤(1)所述交联剂为环氧氯丙烷。
优选地，步骤(1)所述混合均匀的方式为超声和/或机械搅拌，所述氧化石墨烯加入到碱性溶液后超声5～25min；所述加入纤维素和腐殖酸后搅拌混合的时间为3～8h。
优选地，步骤(1)所述静置的时间为12～36h。
优选地，步骤(2)所述溶剂交换指将复合水凝胶先在无水乙醇中浸泡8～24h，再在水中浸泡12～48h。
优选地，步骤(2)所述预冷冻的温度为-190～-20℃，时间为4h。
步骤(2)所述冷冻干燥温度为-50℃，时间为24h。
上述方法制得的一种生物质基气凝胶光热材料。
上述一种生物质基气凝胶光热材料在海水淡化中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
本发明制备的生物质基气凝胶光热材料具有高度多孔的结构，通过调节生物质的浓度来控制材料的形貌、结构和性质，此外，该材料在太阳光波段(300nm～2500nm)处有较强的光吸收，从而提升了生物质基复合气凝胶的海水淡化性能。
附图说明
图1为本发明实施例1-5制得的生物质基气凝胶光热材料的内部扫描电镜图，可以观察到内部的蜂窝状多孔结构和多孔片层结构。
图2为本发明实施例1-5制得的生物质基气凝胶光热材料的静态接触角侧视图，可以观察到该气凝胶有着较好的亲水性。
图3为本发明实施例1-5制得的生物质基气凝胶光热材料在水蒸发过程中的温度对比。
图4为本发明实施例1-5制得的生物质基气凝胶光热材料UV-Vis-IR吸收光谱。
图5为本发明实施例1-5制得的生物质基气凝胶光热材料在一个太阳光照下(1kw/m2)下水的质量变化图，可以观察到该气凝胶有着优异的界面蒸发能力。
图6为本发明实施例4制得的生物质气凝胶光热材料淡化人工海水前后四个主要离子的浓度变化。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
配置质量浓度为10％的氢氧化钠溶液，称取0.02g氧化石墨烯加入到10ml上述的氢氧化钠溶液中，超声搅拌5min，混合均匀后加入0.2g羟乙基纤维素和0.1g腐殖酸，搅拌5h后得到腐殖酸/羟乙基纤维素/氧化石墨烯混合溶液。随后加入0.6ml环氧氯丙烷，随后将其转移到模具中静置24h得到水凝胶。将水凝胶在无水乙醇中浸泡12h，再在去离子水中浸泡12h，-50℃预冷冻4h后-50℃冷冻干燥24h得到气凝胶，并将其命名为CGA1。
将制备的复合气凝胶材料在光照强度为lkw/m2的光照下进行海水淡化能力测试。复合气凝胶通过扫描电镜、红外光谱和动态接触角测试进行表征分析。
实施例2
配置质量浓度为10％的氢氧化钠溶液，称取0.02g氧化石墨烯加入到10ml上述的氢氧化钠溶液中，超声搅拌5min，混合均匀后加入0.2g羟乙基纤维素和0.2g腐殖酸，搅拌5h后得到腐殖酸/羟乙基纤维素/氧化石墨烯混合溶液。随后加入0.6ml环氧氯丙烷，随后将其转移到模具中静置24h得到水凝胶。将水凝胶在无水乙醇中浸泡12h，再在去离子水中浸泡12h，-50℃预冷冻4h后-50℃冷冻干燥24h得到气凝胶，并将其命名为CGA2。
将制备的复合气凝胶材料在光照强度为lkw/m2的光照下进行海水淡化能力测试。复合气凝胶通过扫描电镜、红外光谱和动态接触角测试进行表征分析。
实施例3
配置质量浓度为10％的氢氧化钠溶液，称取0.02g氧化石墨烯加入到10ml上述的氢氧化钠溶液中，超声搅拌5min，混合均匀后加入0.2g羟乙基纤维素和0.3g腐殖酸，搅拌5h后得到腐殖酸/羟乙基纤维素/氧化石墨烯混合溶液。随后加入0.6ml环氧氯丙烷，随后将其转移到模具中静置24h得到水凝胶。将水凝胶在无水乙醇中浸泡12h，再在去离子水中浸泡12h，-50℃预冷冻4h后-50℃冷冻干燥24h得到气凝胶，并将其命名为CGA3。
将制备的复合气凝胶材料在光照强度为lkw/m2的光照下进行海水淡化能力测试。复合气凝胶通过扫描电镜、红外光谱和动态接触角测试进行表征分析。
实施例4
配置质量浓度为10％的氢氧化钠溶液，称取0.02g氧化石墨烯加入到10ml上述的氢氧化钠溶液中，超声搅拌5min，混合均匀后加入0.2g羟乙基纤维素和0.4g腐殖酸，搅拌5h后得到腐殖酸/羟乙基纤维素/氧化石墨烯混合溶液。随后加入0.6ml环氧氯丙烷，随后将其转移到模具中静置24h得到水凝胶。将水凝胶在无水乙醇中浸泡12h，再在去离子水中浸泡12h，-50℃预冷冻4h后-50℃冷冻干燥24h得到气凝胶，并将其命名为CGA4。
将制备的复合气凝胶材料在光照强度为lkw/m2的光照下进行海水淡化能力测试。复合气凝胶通过扫描电镜、红外光谱和动态接触角测试进行表征分析。
实施例5
配置质量浓度为10％的氢氧化钠溶液，称取0.02g氧化石墨烯加入到10ml上述的氢氧化钠溶液中，超声搅拌5min，混合均匀后加入0.2g羟乙基纤维素和0.5g腐殖酸，搅拌5h后得到腐殖酸/羟乙基纤维素/氧化石墨烯混合溶液。随后加入0.6ml环氧氯丙烷，随后将其转移到模具中静置24h得到水凝胶。将水凝胶在无水乙醇中浸泡12h，再在去离子水中浸泡12h，-50℃预冷冻4h后-50℃冷冻干燥24h得到气凝胶，并将其命名为CGA5。
将制备的复合气凝胶材料在光照强度为1个太阳光下(lkw/m2)下进行海水淡化能力测试。复合气凝胶通过扫描电镜、红外光谱和动态接触角测试进行表征分析。
实施例测试用的人工海水配方为：NaCl为26.5g/L、MgSO4为3.3g/L、MgCl2为2.4g/L、CaCl2为1.3g/L、KCl为0.7g/L和NaHCO3为0.2g/L。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种应用于海水淡化的生物质基气凝胶光热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将氧化石墨烯加入到碱性溶液中，混合均匀后加入纤维素和腐殖酸，混合均匀得到混合液，再加入交联剂并混合均匀，静置后形成化学交联的腐殖酸/纤维素/氧化石墨烯复合水凝胶；
（2）将步骤（1）的复合水凝胶进行溶剂交换，预冷冻后再进行冷冻干燥得到气凝胶；
步骤（1）所述氧化石墨烯、纤维素和腐殖酸的质量比为0.1～0.3：1：0.5～2.5；
步骤（1）所述混合均匀的方式为超声和/或机械搅拌，所述氧化石墨烯加入到碱性溶液后超声5～25min；所述加入纤维素和腐殖酸后搅拌混合的时间为3～8h；
步骤（2）所述预冷冻的温度为-190～-20℃，时间为4h。
2.根据权利要求1所述一种应用于海水淡化的生物质基气凝胶光热材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述纤维素和交联剂的质量体积比为0.2g：0.2～1ml。
3.根据权利要求1所述一种应用于海水淡化的生物质基气凝胶光热材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述纤维素为羟乙基纤维素、羧甲基纤维素和甲基纤维素的至少一种。
4.根据权利要求1所述一种应用于海水淡化的生物质基气凝胶光热材料的制备方法，其特征在于， 步骤（1）所述交联剂为环氧氯丙烷。
5.根据权利要求1所述一种应用于海水淡化的生物质基气凝胶光热材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述氧化石墨烯和碱性溶液的质量体积比为0.01～0.05g：10ml；步骤（1）所述碱性溶液为6～10wt%的氢氧化钠溶液。
6.根据权利要求1所述一种应用于海水淡化的生物质基气凝胶光热材料的制备方法，其特征在于，
步骤（1）所述静置的时间为12～36h。
7.根据权利要求1所述一种应用于海水淡化的生物质基气凝胶光热材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述溶剂交换指将复合水凝胶先在无水乙醇中浸泡8～24h，再在水中浸泡12～48h；
步骤（2）所述冷冻干燥温度为-50℃，时间为24h。
8.权利要求1～7任一项所述方法制得的一种应用于海水淡化的生物质基气凝胶光热材料。
9.权利要求8所述一种应用于海水淡化的生物质基气凝胶光热材料在海水淡化中的应用。
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