CN115259267B - 一种光风耦合驱动的生物质基光热材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种重金属污水处理技术领域的一种光风耦合驱动的生物质基光热材料的制备方法,主要用于重金属污水处理。旨在解决现有技术中成本高、能源效率低等问题,制备方法包括以下步骤:对采集的椰子树叶柄进行预处理;对叶柄进行机械切割、研磨和钻孔,得到具有交叉孔径机械结构的叶柄基圆筒;对叶柄基圆筒进行清洗、干燥;将干燥后的叶柄基圆筒进行多级高温碳化,即得到生物质基光热材料。本发明可以在太阳能界面蒸发系统中提高从太阳能到蒸汽的能源效率,从而将重金属污水等非常规水资源加工成清洁水,解决常规水资源短缺问题。

Description

一种光风耦合驱动的生物质基光热材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种光风耦合驱动的生物质基光热材料的制备方法,属于重金属污水处理技术领域。
背景技术
随着人口和工业化程度的增加,淡水资源的短缺越来越严重。因此,将非常规水资源加工成清洁水的技术受到各国和各地区的普遍关注探索。通常,反渗透、电渗析和热蒸馏技术是目前主流的清洁水资源获取技术,但存在高能耗、高成本等一系列问题,限制了其在偏远地区的应用。
近十年来,阳光驱动的界面热蒸发作为一种新型的光热清洁水资源获取策略,在海水淡化、污水处理、蒸汽杀菌、大气集水和发电等多个领域得到了广泛的应用。在上述所有应用中,太阳能到蒸汽的能源效率是阳光驱动的界面热蒸发追求市场化发展道路的最重要的指标。为了提升能源效率,研究人员提出了不同的方法来解决这个问题,比如增加蒸发器的光吸收能力,组装隔热层以减少热能损失,增加蒸发器高度以获得环境能量等等。
然而,似乎通过增加蒸发器的光吸收能力和依靠低导热材料来减少系统的热传导损失这两种提高能源效率的方法效果已经达到了极限。例如,南京大学朱嘉团队通过将Au纳米颗粒沉积在阳极氧化铝(AAO)上,获得了吸光度为99%的太阳能吸收剂,范围为400nm至10um。Au/AAO蒸发器几乎实现了对阳光的完美吸收,光损失仅为1%,在4个太阳照射下蒸发效率可达90%以上。Li等人设计了一种三维(3D)人工蒸腾装置,该装置由与一维(1D)水路连接的3D空心锥体吸收器组成。蒸发器表面避免与散装水直接接触,使导热性损失达到1%。因此,在提高太阳吸光率或鞋底减少热传导损失方面,能源效率的改善很难取得突破性进展。而太阳能界面蒸发系统中,通过热对流调节机制实现蒸发效率提高的机理尚未得到很好的认识和研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足,提供一种光风耦合驱动的生物质基光热材料的制备方法,及其在光风耦合驱动力作用下重金属污水处理中的应用,可以在太阳能界面蒸发系统中提高从太阳能到蒸汽的能源效率,从而将重金属污水等非常规水资源加工成清洁水,解决常规水资源短缺问题。
为达到上述目的,本发明是采用下述技术方案实现的:一种生物质基光热材料的制备方法,包括以下步骤,
S1、对采集的椰子树叶柄进行预处理;
S2、对叶柄进行机械切割、研磨和钻孔,得到具有交叉孔径机械结构的叶柄基圆筒;
S3、对叶柄基圆筒进行清洗、干燥;
S4、将干燥后的叶柄基圆筒进行多级高温碳化,即得到生物质基光热材料。
进一步的,步骤S1中的预处理为将采集的椰子树叶进行洗涤,并放置于55-65℃的真空烘箱内干燥。
进一步的,步骤S2中得到的叶柄基圆筒的交叉孔径结构的直径为1.8-2.2mm。
进一步的,步骤S3中将叶柄基圆筒用去离子水和乙醇溶液依次清洗,干燥。
进一步的,步骤S4中将叶柄基圆筒放置于有保护气体气氛下的马弗炉中,以5-6℃/min的升温速率,进行多级碳化直至温度升至600-700℃。
本发明还提供一种生物质基光热材料,由上述任一项所述的制备方法制得。
进一步的,所述生物质基光热材料具有宏观的交叉孔径结构和微观的微纳米级别的多尺度孔隙结构。
本发明还提供一种生物质基光热材料在光风耦合驱动力作用下重金属污水处理中的应用,所述重金属包括Cu2+、Li+和Ag+
进一步的,处理污水后的生物质基光热材料被Cu2+附着时,能够还原Cu2+为Cu1+,用于降解有机染料流出物;
处理污水后的生物质基光热材料被Li+附着时,能够形成湿度纳米发电机,通过水捕获能量的顶部和底部之间的梯度差异,用作电能生成;
处理污水后的生物质基光热材料被Ag+附着时,能够直接进行处理Ag+后的污水杀菌。
与现有技术相比,本发明所达到的有益效果:
本发明提供一种生物质基光热材料以椰子树叶柄为生物质原料,成本低,材料机械性能良好,来源充足且无毒可降解。材料密度小,易漂浮在气液界面实现蒸发功能。
并且椰子树叶柄沿生长方向的天然孔隙结构经碳化后固定,形成均匀且分布良好,有利于捕获太阳能,提高光热效率。经机械切割钻孔等形成的风车型的交叉孔径结构可以在气流切向方向产生反向力,增强强制对流的利用率,以降低圆筒温度,加快冷凝,从而实现蒸汽快速溢出。
本发明提供的生物质基光热材料对重金属离子的吸附性强,在以界面式光热蒸发处理污水多次后,本材料可视离子种类进行回收处理,用于处理有机染料流出物、其他金属离子流出物或作湿度纳米发电机,此可回收性质有效提高了资源利用效率。
附图说明
图1为本发明的实施例中的碳化前后的生物质基光热材料及使用后对比结构示意图;
图2为本发明的实施例中的生物质基光热材料表面交叉孔径结构示意图;
图3为本发明的实施例中的Comsol多物理场模拟的在太阳强度为1kw/m、风速为1m/s下蒸发装置有无交叉孔径结构的前后表面温度变化示意图;
图4为本发明的实施例中的叶柄基圆筒在太阳波长范围内不同碳化温度下反射率曲线的变化示意图;
图5为本发明的实施例中的生物质基光热材料的微米孔隙结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值,这些范围或值应该理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说,各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间,以及单独的点值之间可以彼此组合二得到一个或多个新的数值范围,这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
出于本说明书和所附权利要求书的目的,除非另有陈述,否则所有表达量、百分数或比例的数字及本说明书和所附权利要求书中所用的其他数值被理解为在所有情况下都由术语“约”修饰。此外,本文公开的所有范围都包括端点在内且可独立组合。
实施例1:
一种生物质基光热材料的制备方法,包括以下步骤:
S1、将采集的椰子树叶进行洗涤,并放置于55-65℃的真空烘箱内干燥;
S2、对叶柄进行机械切割、研磨和钻孔,得到直径为1.8-2.2mm的交叉孔径机械结构的叶柄基圆筒;
S3、将得到的叶柄基圆筒用去离子水和乙醇溶液依次清洗,干燥;
S4、将叶柄基放置于有保护气体气氛下的马弗炉中,以5-6℃/min的升温速率,进行多级碳化直至温度升至400℃,即得到生物质基光热材料。
实施例2:
一种生物质基光热材料的制备方法,包括以下步骤:
S1、将采集的椰子树叶进行洗涤,并放置于55-65℃的真空烘箱内干燥;
S2、对叶柄进行机械切割、研磨和钻孔,得到直径为1.8-2.2mm的交叉孔径机械结构的叶柄基圆筒;
S3、将得到的叶柄基圆筒用去离子水和乙醇溶液依次清洗,干燥;
S4、将叶柄基放置于有保护气体气氛下的马弗炉中,以5-6℃/min的升温速率,进行多级碳化直至温度升至500℃,即得到生物质基光热材料。
实施例3:
一种生物质基光热材料的制备方法,包括以下步骤:
S1、将采集的椰子树叶进行洗涤,并放置于55-65℃的真空烘箱内干燥;
S2、对叶柄进行机械切割、研磨和钻孔,得到直径为1.8-2.2mm的交叉孔径机械结构的叶柄基圆筒;
S3、将得到的叶柄基圆筒用去离子水和乙醇溶液依次清洗,干燥;
S4、将叶柄基放置于有保护气体气氛下的马弗炉中,以5-6℃/min的升温速率,进行多级碳化直至温度升至600℃,即得到生物质基光热材料。
实施例4:
一种生物质基光热材料的制备方法,包括以下步骤:
S1、将采集的椰子树叶进行洗涤,并放置于55-65℃的真空烘箱内干燥;
S2、对叶柄进行机械切割、研磨和钻孔,得到直径为1.8-2.2mm的交叉孔径机械结构的叶柄基圆筒;
S3、将得到的叶柄基圆筒用去离子水和乙醇溶液依次清洗,干燥;
S4、将叶柄基放置于有保护气体气氛下的马弗炉中,以5-6℃/min的升温速率,进行多级碳化直至温度升至700℃,即得到生物质基光热材料。
下面将结合附图对本发明实施例得到的生物质基光热材料性能进行分析。
如图1中的第一幅图所示,首先采集坚固耐用的椰子树叶柄生物质材料,加工成直径为1.1-1.3cm,高度为1.8-2.2cm的圆柱体,并在60°C的真空烘箱中洗涤和干燥。再通过机械切割、研磨和钻孔,获得具有直径为1.8-2.2mm的交叉孔径结构的叶柄基圆筒,并将其在去离子水和酒精中依次充分清洗,然后干燥,并在保护气体气氛下的马弗炉中以5-6℃/min的升温速率,进行碳化,得到具有直径为250-350nm的孔隙结构的生物质基光热材料,如图1中的第二幅图所示。
将所得生物质基光热材料制成蒸发装置,进行大约50次蒸发操作后,本材料表面有大量离子吸附,如图1中的第三幅图所示。此后,该材料可回收处理后进行再利用,如降解生物质燃料流出物、形成湿度纳米发电机、进行污水杀菌等。
结合图2和图3,所得生物质基光热材料采用的交叉孔径呈风车型,同时,利用Comsol多物理场进行模拟,分析有无交叉孔径结构的蒸发装置的前后表面温度变化,结果如图3所示,表明交叉孔径结构在气流切向方向会产生反向力,提高强制对流的利用率,以降低表面温度,加快冷凝,促进蒸汽溢出,使表面温度接近环境温度。
实施例1至实施例4分别将得到的叶柄基圆筒在保护气体气氛下的马弗炉中以5-6℃/min的升温速率,进行直至400℃、500℃、600℃和700℃的碳化,得到不同的孔隙结构。结合图4,图4为叶柄基圆筒在太阳波长范围内不同碳化温度下反射率曲线的变化示意图。由图可知,在200nm-2500nm范围内,400℃、500℃、600℃和700℃时的吸光度分别为86.84%、94.71%、95.66%和95.66%。
由此可知,为了选择光学性能最优越、最环保的材料,应选取600-700℃为碳化温度,在此碳化温度内制成的生物质基光热材料在可见光波长范围(400-760nm)内可以实现95%以上的太阳光吸收率。
如图5所示,椰子树制成的叶柄基圆筒表面有很多生长出的细小孔径,在经过多级碳化后可以成为生物质基光热材料的微米、纳米孔隙结构,作为蒸汽上升通道。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种生物质基光热材料的制备方法,其特征在于:包括以下步骤,
S1、对采集的椰子树叶柄进行预处理;
S2、对叶柄进行机械切割、研磨和钻孔,得到具有风车型的交叉孔径机械结构的叶柄基圆筒;
S3、对叶柄基圆筒进行清洗、干燥;
S4、将干燥后的叶柄基圆筒放置于有保护气体气氛下的马弗炉中,以5-6℃/min的升温速率,进行多级碳化直至温度升至600-700℃,即得到生物质基光热材料。
2.根据权利要求1所述的一种生物质基光热材料的制备方法,其特征在于:步骤S1中的预处理为将采集的椰子树叶进行洗涤,并放置于55-65℃的真空烘箱内干燥。
3.根据权利要求1所述的一种生物质基光热材料的制备方法,其特征在于:步骤S2中得到的叶柄基圆筒的交叉孔径结构的直径为1.8-2.2mm。
4.根据权利要求1所述的一种生物质基光热材料的制备方法,其特征在于:步骤S3中将叶柄基圆筒用去离子水和乙醇溶液依次清洗,干燥。
5.一种生物质基光热材料,其特征在于:由权利要求1-4任一项所述的制备方法制得。
6.根据权利要求5所述的一种生物质基光热材料,其特征在于:所述生物质基光热材料具有宏观的交叉孔径结构和微观的微纳米级别的多尺度孔隙结构。
7.如权利要求5所述的生物质基光热材料在光风耦合驱动力作用下重金属污水处理中的应用。
8.根据权利要求7所述的生物质基光热材料在光风耦合驱动力作用下重金属污水处理中的应用,其特征在于:所述重金属包括Cu2+、Li+和Ag+
9.根据权利要求8所述的生物质基光热材料在光风耦合驱动力作用下重金属污水处理中的应用,其特征在于:处理污水后的生物质基光热材料被Cu2+附着时,通过微波处理,能够还原Cu2+为Cu1+,用于降解有机染料流出物;
处理污水后的生物质基光热材料被Li+附着时,能够形成湿度纳米发电机,通过水捕获能量的顶部和底部之间的梯度差异,用作电能生成;
处理污水后的生物质基光热材料被Ag附着时,能够作为污水抑菌材料。
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