CN114395937A - 一种高效太阳能光热蒸发纸及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光热材料工程技术领域，涉及一种高效太阳能光热蒸发纸及其制备方法。以植物纤维为主要原料，制备可在海水中长期稳定工作的光热蒸发纸；通过在纸张纤维间形成稳定的化学键合，提升纸张在水体中长期工作的稳定性；利用高碘酸钠对植物纤维进行适度的氧化处理，使植物纤维的部分羟基氧化成醛基，氧化纤维的醛基和壳聚糖通过席夫碱反应形成稳定的网络结构；在反应过程中加入食品级植物碳黑，碳黑颗粒牢牢锁在纤维‑壳聚糖网络中；利用造纸工艺抄造成型，制备出高效的光热蒸发纸。

Description

一种高效太阳能光热蒸发纸及其制备方法
技术领域
本发明属于光热材料工程技术领域，涉及一种高效太阳能光热蒸发纸及其制备方法。
背景技术
淡水资源短缺是全球面临的重大问题，海水淡化是解决淡水危机的有效方法。太阳能是一种可再生的清洁能源，利用太阳能光热界面蒸发进行海水淡化是近年来发展的高效太阳能利用方法。光热蒸发材料是实现太阳能海水淡化的关键材料。近年来，科研工作者尝试了不同类型的光热蒸发材料，如各种碳基材料、聚合物材料、金属纳米材料等。但是，这些材料面临一些问题，如稳定性差、制作工艺复杂、成本高或难以降解等。
专利CN 113401959 A提供了一种高效光热蒸发材料及其制备方法，选用具有准定向纤维结构的醋酸纤维素基烟头滤嘴作为基体材料，可以同时起到降低生产成本，降低热传导损失和促进水分向蒸发表面的水传输的作用；通过PVA的引入使光热材料牢固的负载在基体上，改善了光热蒸发材料的稳定性和耐水性。但是其采用的基体材料单一，价格较高，且可降解性差，推广性不高。CN 111793243 A提供了一种光热蒸发材料及其制备方法，对具有三维孔结构的基体进行预处理；在所述预处理后的三维孔结构中形成粘结层；在所述粘结层上涂覆光吸收材料，以在所述基体的三维孔结构中形成纳米结构蒸发界面，并进行固化处理，以得到所述光热蒸发材料。两者均依赖价格较高的粘结剂，涂层在海水淡化中稳定性不高；制备得到的光热蒸发材料便携性不足，降解性差，废弃物会造成环境污染。
发明内容
针对上述问题，鉴于纤维纸张具有轻便、可降解、成本较低的优势，本发明以植物纤维为主要原料，制备一种可以在海水中长期稳定工作的光热蒸发纸；通过在纸张纤维间形成稳定的化学键合，提升纸张在水体中长期工作的稳定性；利用高碘酸钠对植物纤维进行适度的氧化处理，使植物纤维的部分羟基氧化成醛基，氧化纤维的醛基和壳聚糖通过席夫碱反应形成稳定的网络结构；在反应过程中加入一定量的食品级植物碳黑，碳黑颗粒牢牢锁在纤维-壳聚糖网络中；利用造纸工艺抄造成形，制备出高效的光热蒸发纸。
本发明的技术方案如下：
一种高效太阳能光热蒸发纸，植物纤维经过高碘酸盐处理；加入壳聚糖与碳黑反应后抄造制备得到。
上述高效太阳能光热蒸发纸的制备方法，包括以下步骤：
（1）纸浆的解离与氧化：纤维浆板加水浸泡后打浆制备浆液，加入高碘酸盐，搅拌；抽滤；清洗除去残留的高碘酸钠；抽滤；清洗；
（2）氧化纤维与壳聚糖的聚合反应与碳黑颗粒的镶嵌包裹：步骤（1）的产品，疏解后搅拌；缓慢注入壳聚糖溶液，搅拌均匀，加入碳黑，搅拌；
（3）纸页抄造：将步骤（2）的溶液高浓抄造；干燥，得到高强度的光热蒸发纸。
优选地，步骤（1）的高碘酸钠的加入量为浆液质量的20%-200%；浆液的浓度为1%。
优选地，所述壳聚糖溶液为：壳聚糖溶于冰醋酸溶液中制得；壳聚糖溶液的浓度为0.1-2%；所述的壳聚糖的质量与步骤（1）的产品的干重的重量比为：0.16-3.18:1。
优选地，步骤（1）清洗除去残留的高碘酸钠所用的溶剂为乙二醇。
优选地，步骤（2）的碳黑为植物碳黑，加入量与步骤（1）产品干重的比例为10%-100%。
碳黑颗粒的加入使得纸张具备了高的吸光能力并将太阳光转换为热能。利用界面蒸发技术，光热蒸发纸可以将海水通过光热进行蒸发，蒸发的水蒸气冷凝后得到可以饮用的淡水。
本发明的有益效果
1、得到在海水中长期稳定运行的光热蒸发纸
在纸张纤维间形成稳定的化学键合，提升纸张在水体中长期工作的稳定性。利用高碘酸钠对植物纤维进行适度的氧化处理，使植物纤维的部分羟基氧化成醛基。氧化纤维的醛基和壳聚糖通过席夫碱反应形成稳定的网络结构。在反应过程中加入一定量的食品级植物碳黑，碳黑颗粒牢牢锁在纤维-壳聚糖网络中。然后利用造纸工艺抄造成形，制备出高效的光热蒸发纸。碳黑颗粒的加入使得纸张具备了高的吸光能力并将太阳光转换为热能。利用界面蒸发技术，光热蒸发纸可以将海水通过光热进行蒸发，蒸发的水蒸气冷凝后得到可以饮用的淡水。
2、成本低，适用面广
光热蒸发纸应用于太阳能海水淡化，立足于解决淡水危机，仅利用太阳能，不需要额外的能源消耗，具有重大社会效益。光热蒸发纸主要应用于太阳能的光热界面蒸发领域，其不仅可以用于太阳能海水淡化，也可以应用于光热污水净化，还可以用于各种稀溶液的蒸发浓缩。可规模化生产和便于存储携带。
说明书附图
图1为本发明实施例1制备的光热蒸发纸与普通纸在干、湿两种状态下的应力与应变的测定值；
图2为本发明实施例1制备的光热蒸发纸与普通纸在250-2500 nm范围内测定的光吸收率比较；
图3为利用FLUKE Ti10热成像仪分析实施例1制备的光热蒸发纸和普通纸的0min、5min、10min、20min的光热转换能力；
图4 A为实施例1制备的光热蒸发纸、普通纸、体相水在光源为带有标准AM 1.5 G光谱滤光片的太阳光模拟器的一个太阳光强度（100 mW/cm2）下0.5h内的表面温度变化图；B为实施例1制备的光热蒸发纸、普通纸、体相水在光源为带有标准AM 1.5 G光谱滤光片的太阳光模拟器的一个太阳光强度（100 mW/cm2）下1h内的蒸发速率。
图5为实施例1制备的光热蒸发纸在户外进行模拟海水的太阳能淡化测试；
图6为实施例1制备的光热蒸发纸进行模拟海水的太阳能淡化实验制取的淡水中金属离子的检测结果。
具体实施方式
实施例1
一种高效太阳能光热蒸发纸的制备方法，包括以下步骤：
（1）纸浆的解离与氧化
称取绝干木浆板30g加水浸泡，用搅拌器搅拌分散12h，将浆料固含调节至10%利用PFI磨打浆机打浆至打浆度为50°SR左右。称取打浆完成的浆料加水调节至浆液浓度为1%。加入为浆料质量的100%的高碘酸钠固体，在45℃的水浴下避光搅拌4h，搅拌完成后抽滤。将抽滤得到的浆料放入0.1mol/L的乙二醇溶液中搅拌清洗2h，除去残留的高碘酸钠，终止氧化反应，然后再次抽滤。再将浆料放在清水中搅拌清洗，搅拌10min，重复清洗两次，完成纤维的氧化。
（2）氧化纤维与壳聚糖的聚合反应与碳黑颗粒的镶嵌包裹
将壳聚糖溶于1%的冰醋酸溶液中，配制浓度为0.5%的壳聚糖溶液。按照纸张定量（单位面积纸张的质量）为100 g/m2计算，称取3.14 g绝干浆量的氧化纤维，加水用疏解机疏解后，放于搅拌器下搅拌。缓慢注入500 mL的壳聚糖溶液，待壳聚糖与纤维素搅拌均匀后，逐步加入植物碳黑3.14 g，在常温下搅拌24 h。
（3）纸页抄造
利用实验室的抄片器，直接倒入步骤（2）的混合溶液，进行高浓抄造。将湿纸页进行干燥，在干燥过程中，氧化纤维素和壳聚糖进一步进行聚合，得到高强度的光热蒸发纸。
实施例2
一种高效太阳能光热蒸发纸的制备方法，包括以下步骤：
（1）纸浆的解离与氧化
称取绝干蔗渣浆板30g加水浸泡，用搅拌器搅拌分散12h，将浆料固含调节至10%利用PFI磨打浆机打浆至打浆度为50°SR左右。称取打浆完成的浆料加水调节至浆液浓度为1%。加入与浆液质量20%的高碘酸钾固体，在45℃的水浴下避光搅拌4h，搅拌完成后抽滤。将抽滤得到的浆料放入0.05mol/L的乙二醇溶液中搅拌清洗2h，除去残留的高碘酸钾，终止氧化反应，然后再次抽滤。再将浆料放在清水中搅拌清洗，搅拌10min，重复清洗两次，完成纤维的氧化。
（2）氧化纤维与壳聚糖的聚合反应与碳黑颗粒的镶嵌包裹
将壳聚糖溶于1%的冰醋酸溶液中，配制浓度为0.1%的壳聚糖溶液。按照纸张定量（单位面积纸张的质量）为100 g/m2计算，称取3.14g绝干浆量的氧化纤维，加水用疏解机疏解后，放于搅拌器下搅拌。缓慢注入500 mL的壳聚糖溶液，待壳聚糖与纤维素搅拌均匀后，逐步加入植物碳黑2.0 g，在60℃下搅拌6 h。
（3）纸页抄造
利用实验室的抄片器，直接倒入步骤（2）的混合溶液，进行高浓抄造。将湿纸页进行干燥，在干燥过程中，氧化纤维素和壳聚糖进一步进行聚合，得到高强度的光热蒸发纸。
实施例3
一种高效太阳能光热蒸发纸的制备方法，包括以下步骤：
（1）纸浆的解离与氧化
称取绝干麦草浆板30g加水浸泡，用搅拌器搅拌分散12h，将浆料固含调节至10%利用PFI磨打浆机打浆至打浆度为50°SR左右。称取打浆完成的浆料加水调节至浆液浓度为1%。加入与浆液质量200%的高碘酸钠固体，在45℃的水浴下避光搅拌4h，搅拌完成后抽滤。将抽滤得到的浆料放入0.5mol/L的乙二醇溶液中搅拌清洗2h，除去残留的高碘酸钠，终止氧化反应，然后再次抽滤。再将浆料放在清水中搅拌清洗，搅拌10min，重复清洗两次，完成纤维的氧化。
（2）氧化纤维与壳聚糖的聚合反应与碳黑颗粒的镶嵌包裹
将壳聚糖溶于1%的冰醋酸溶液中，配制浓度为2%的壳聚糖溶液。按照纸张定量（单位面积纸张的质量）为100 g/m2计算，称取3.14g绝干浆量的氧化纤维，加水用疏解机疏解后，放于搅拌器下搅拌。缓慢注入500 mL的壳聚糖溶液，待壳聚糖与纤维素搅拌均匀后，逐步加入植物碳黑0.314 g，在45℃下搅拌12 h。
（3）纸页抄造
利用实验室的抄片器，直接倒入步骤（2）的混合溶液，进行高浓抄造。将湿纸页进行干燥，在干燥过程中，氧化纤维素和壳聚糖进一步进行聚合，得到高强度的光热蒸发纸。
对比例1
普通纸张的制备方法，包括以下步骤：
（1）纸浆的解离
称取绝干木浆板30g加水浸泡，用搅拌器搅拌分散12h，将浆料固含调节至10%利用PFI磨打浆机打浆至打浆度为50°SR左右。
（2）纸浆称取与分散
按照纸张定量（单位面积纸张的质量）为100 g/m2计算，称取3.14 g绝干浆量的纸浆，加水用疏解机疏解后，放于搅拌器下搅拌。
（3）纸页抄造
利用实验室的抄片器，直接倒入上述纸浆分散液，进行高浓抄造，然后将湿纸页进行干燥。
对比例2
一种高效太阳能光热蒸发纸的制备方法，包括以下步骤：
（1）纸浆的解离
称取绝干木浆板30g加水浸泡，用搅拌器搅拌分散12h，将浆料固含调节至10%利用PFI磨打浆机打浆至打浆度为50°SR左右。
（2）纸浆与壳聚糖、碳黑颗粒的混合
将壳聚糖溶于1%的冰醋酸溶液中，配制浓度为0.5%的壳聚糖溶液。按照纸张定量（单位面积纸张的质量）为100 g/m2计算，称取3.14 g绝干浆量的纸浆纤维，加水用疏解机疏解后，放于搅拌器下搅拌。缓慢注入500 mL的壳聚糖溶液，待壳聚糖与纤维素搅拌均匀后，逐步加入植物碳黑3.14 g，在常温下搅拌24 h。
（3）纸页抄造
利用实验室的抄片器，直接倒入步骤（2）的混合溶液，进行高浓抄造，然后将湿纸页进行干燥。
对比例3
一种高效太阳能光热蒸发纸的制备方法，包括以下步骤：
（1）纸浆的解离与氧化
称取绝干木浆板30g加水浸泡，用搅拌器搅拌分散12h，将浆料固含调节至10%利用PFI磨打浆机打浆至打浆度为50°SR左右。称取打浆完成的浆料加水调节至浆浓为1%。加入与浆料质量相当的高碘酸钠固体，在45℃的水浴下避光搅拌4h，搅拌完成后抽滤。将抽滤得到的浆料放入0.1mol/L的乙二醇溶液中搅拌清洗2h，除去残留的高碘酸钠，终止氧化反应，然后再次抽滤。再将浆料放在清水中搅拌清洗，搅拌10min，重复清洗两次，完成纤维的氧化。
（2）氧化纤维与碳黑颗粒的混合
按照纸张定量（单位面积纸张的质量）为100 g/m2计算，称取3.14 g绝干浆量的氧化纤维，加水用疏解机疏解后，放于搅拌器下搅拌。逐步加入植物碳黑3.14 g，在常温下搅拌24 h。
（3）纸页抄造
利用实验室的抄片器，直接倒入步骤（2）的混合溶液，进行高浓抄造，然后将湿纸页进行干燥。
实施效果例
一、将实施例1-3及对比例1-3制备得到的纸张，进行性能测定
为了说明本发明制备的光热蒸发纸的优点，将实施例1制备的光热蒸发纸与普通纸张（对比例1）进行了对比。如图1所示，通过本实施例1制备的光热蒸发纸的拉伸应力可达到3.1×104 kPa，远大于对比例1的普通纸张的1.25×104 kPa；在完全湿润时, 本实施1例制备的光热蒸发纸的拉伸应力也可达到1.08×104 kPa，而对比例1的普通纸张的拉伸应力仅为0.37×104 kPa。如图2所示，通过本实施例制备的光热蒸发纸在250 ~ 2500 nm范围内的平均吸光率可达95%，而对比例1的普通纸张的平均吸光率仅为22.3%。如图3所示，在1个太阳光强度（100 mW/cm2）照射下，通过本实施例制备的光热蒸发纸在10 min内表面温度即可达到77℃并一直保持，而对比例1的普通纸张在20 min时表面温度仅有36℃。如图4的A图所示，在实际蒸发测试过程中，在1个太阳光强度（100 mW/cm2）照射下，通过本实施例制备的光热蒸发纸的表面温度可稳定保持42℃，而对比例1的普通纸张的表面温度仅有31℃。如图4的B图所示，在实际蒸发测试过程中，在1个太阳光强度（100 mW/cm2）照射下，通过本实施例制备的光热蒸发纸的蒸发速率可达1.23 kg/m2/h，而对比例1的普通纸张的蒸发速率仅为0.78 kg/m2/h。如图5所示，将本实施例制备的光热蒸发纸在户外进行了海水淡化测试，在阳光充足时，通过本实施例制备的光热蒸发纸每平方米每天可制取淡水10升以上。如图6所示，将本实施例制备的光热蒸发纸的海水淡化的淡水的水质进行了分析，淡化后水中的主要金属离子Na+、 Mg2+、 K+、 Ca2+都远小于世界卫生组织（WTO）制定的饮用水标准。
降解性能分析：
将实施例1-3及对比例1-3得到的可降解纸光热蒸发纸制成10×10 (单位，mm)的试样，浸没在土壤培养液中，然后放置在30℃的恒温培养箱中放置50天。称量实验前后试样的质量，计算降解率。
降解率＝(试验前试样的质量-试验后试样的质量)/试验前试样的质量×100％
表1实施例1-3及对比例1-3制备得到的纸张的性能分析
Figure DEST_PATH_IMAGE002
综上，可以看出实施例的光热蒸发纸的拉伸应力相对普通纸张提升了3倍左右，在湿润时下降的值虽然比较大，但是下降比例比普通纸张小；而且完全湿润后的拉伸应力可以与普通纸张的媲美，说明即使在完全湿润状态下，本发明的光热蒸发纸也能满足使用强度需要。

Claims (6)

1.一种高效太阳能光热蒸发纸，其特征在于，植物纤维经过高碘酸盐处理；加入壳聚糖与碳黑反应后抄造制备得到。
2.一种权利要求1所述的高效太阳能光热蒸发纸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）纸浆的解离与氧化：纤维浆板加水浸泡后打浆制备浆液，加入高碘酸盐，搅拌；抽滤；清洗除去残留的高碘酸钠；抽滤；清洗；
（2）氧化纤维与壳聚糖的聚合反应与碳黑颗粒的镶嵌包裹：步骤（1）的产品，疏解后搅拌；缓慢注入壳聚糖溶液，搅拌均匀，加入碳黑，搅拌；
（3）纸页抄造：将步骤（2）的溶液高浓抄造；干燥，得到高强度的光热蒸发纸。
3.根据权利要求2所述的高效太阳能光热蒸发纸的制备方法，其特征在于，步骤（1）的高碘酸钠的加入量为浆液质量的20%-200%；浆液的浓度为1%。
4.根据权利要求2所述的高效太阳能光热蒸发纸的制备方法，其特征在于，所述壳聚糖溶液为：壳聚糖溶于冰醋酸溶液中制得；壳聚糖溶液的浓度为0.1-2%；所述的壳聚糖的质量与步骤（1）的产品的干重的重量比为：0.16-3.18:1。
5.根据权利要求2所述的高效太阳能光热蒸发纸的制备方法，其特征在于，步骤（1）清洗除去残留的高碘酸钠所用的溶剂为乙二醇。
6.根据权利要求2所述的高效太阳能光热蒸发纸的制备方法，其特征在于，步骤（2）的碳黑为植物碳黑，加入量与步骤（1）产品干重的比例为10%-100%。
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