CN115260612B - 一种高光热转化效率的木质纤维基泡沫材料及制备和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有高光热转化效率的木质纤维基泡沫材料。所述的泡沫材料由木质纤维原料、橡胶胶乳和发泡剂组成，所述橡胶胶乳的用量为木质纤维原料重量的5‑60%；所述发泡剂的用量为木质纤维原料重量的0.5‑10%；所述泡沫材料的一个表面为碳化表面。其中，所述的碳化表面的碳化层厚度为1‑3mm，所述碳化层通过高温加热的碳化处理得到。本发明所述的泡沫材料采用的主要原料为木质纤维和天然橡胶胶乳，均为天然生物质材料，不但来源广泛、价格低，而且可再生、绿色环保。本发明还提供了所述泡沫材料的制备方法及应用，制备方法简单、成本低，无需复杂的生产设备；而且蒸发效率高，可以用于实现高效的太阳能光热海水淡化。

Description

一种高光热转化效率的木质纤维基泡沫材料及制备和应用

技术领域

本发明属于海水淡化技术领域，涉及一种具有高光热转化效率的木质纤维基泡沫材料，可用于海水蒸发淡化、溶液浓缩和废水处理等技术领域。

背景技术

如何通过清洁的方式从海水中提取淡水资源，是当前国际关注的热点问题。由于太阳能具有可持续性，利用太阳的热量蒸发水无需额外的能量输入，为水的净化和脱盐提供了一个简单的解决方案。在传统的太阳能光热蒸发海水淡化系统中，通常是利用太阳能直接加热整个海水主体，收集海水蒸发后的淡水。这种方法通常存在两个问题：(1)需要加热海水整体，太阳能利用率低；(2) 太阳能直接加热所得海水温度低，蒸发速率小。基于此，美国麻省理工学院Gang Chen课题组2014年提出了局域化加热的概念，与传统对海水整体加热的方法相比，减少了海水整体向环境散热等带来的能量损失，从而提高了太阳能的利用效率。

此后，研究人员对局域加热系统进行了一系列研究，包括对光热蒸发材料和淡化装置结构的改进，目的都是尽可能的增加热量的利用效率，使其全部用于水的气液相变。利用自发交联用金纳米离子形成光热薄膜漂浮于表层，其在光功率密度10Wcm^-2的极光下，蒸发效率可达44％(Small,2014,10(16):3234-3239)。用Fe₃O₄/C复合纳米粒子制备的漂浮式蒸发装置，在太阳光功率密度1.36kWm^-2下，蒸发速率可达2.3Lm^-2h^-1(Energy Environ Sci,2011,4(10): 4074-4078)。Ghasemi等人开发了局部加热双层蒸发系统在10sun条件下实现85％的蒸发效率，较普通的薄层漂浮式蒸发体系大为提高(Nat Commun,2014,5:4449-4455)。Zhu等利用贵金属纳米粒子和木材结构相结合在10sun下实现效率达85％(AdvEnergy Mater,2018,8(4):1701028.)。Zhou等设计铝/阳极氧化铝系统在6sun下实现91％的太阳光利用效率(Nat Photon, 2016,10(6):393-398)。上述研究均通过将光热转换材料置于蒸发层，使大部分热量用于加热表层水并使其迅速气化，从而达到提升蒸发速率的效果。但是，前述技术方案或存在材料制备较为复杂导致的成本偏高问题，或存在设备装置价格昂贵导致的成本偏高的问题，这大大限制了海水淡化技术的大规模应用。

因此，开发方法简单、低成本的太阳光水蒸发系统是海水淡化技术大规模应用必须解决的问题，现有技术中尚未见相关报道。

发明内容

针对现有技术中海水淡化技术的需求现状，本发明提供了一种具有高光热转化效率的木质纤维基泡沫材料，所述的泡沫材料以木质纤维原料和天然胶乳为原料，不但制备方法简单、成本低，而且蒸发效率高，可以用于实现高效的太阳能光热海水淡化。

本发明的技术方案：

一种高光热转化效率的木质纤维基泡沫材料，所述的泡沫材料由木质纤维原料、橡胶胶乳和发泡剂组成，所述橡胶胶乳的用量为木质纤维原料重量的5-60％；所述发泡剂的用量为木质纤维原料重量的0.5-10％；所述泡沫材料的一个表面为碳化表面。其中，所述的碳化表面的碳化层厚度为1-3mm，所述碳化层通过高温加热的碳化处理得到；通过所述的碳化层实现了在光照条件下对热量的高效吸收。所述的木质纤维原料为商品纸浆、废纸、秸秆和棉短绒中的一种或者几种。所述的发泡剂为十二烷基磺酸钠、辛胺、十二烷基对甲苯磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和天然植物皂苷中的一种或者几种。

本申请采用原材料中的木质纤维具有极好的导水性能，将泡沫材料浸入水中进行蒸发实验时，过多的水会使大量热量导入水中，从而降低了泡沫材料上表面的温度和蒸发效率。而发明人发现，橡胶胶乳不仅具有粘合性，而且具有一定疏水性；本申请所述的泡沫材料通过天然胶乳和木质纤维原料的合理配比，使泡沫的导水速率和保水性能达到最佳，从而减少无效导热的发生，增加了泡沫上表面的温度和蒸发效率。与相关研究领域一般采用石墨烯、碳纳米管、金属或者整块木材等价格较贵的材料，或者采用复杂的结构设计相比，本发明所述的泡沫材料，原料来源广泛、成本低，而实现的效果与现有技术相比，相近、甚至更好，因此具有明显的成本优势，这对于实际应用具有非常重要的意义。

如前所述的木质纤维基泡沫材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将木质纤维原料粉碎，搅拌条件下分散至水中，得到纤维分散液；所述分散液中木质纤维原料的质量浓度为2-6％。

(2)向步骤(1)得到的纤维分散液中加入橡胶胶乳和发泡剂，然后室温下在600-1500rpm 下搅拌10-30分钟充分发泡，得到泡沫混合物。

(3)将步骤(2)得到的泡沫混合物注入磨具中，过滤，得到湿泡沫，然后将湿泡沫干燥、成型，得到干泡沫。所述的过滤为真空抽滤或者常压自然过滤；所述的干燥具体为自然晾干、热风烘干、红外干燥、或者微波干燥。

(4)对干泡沫的一个表面，采用高温加热的方法进行碳化处理得到碳化层，即得到具有高光热转化效率的木质纤维基泡沫材料。所述的高温加热具体为：空气中200-300℃条件下碳化处理4-10秒或者惰性气体氛围下300-800℃碳化处理8秒-1分钟，直至被处理的表面全部变为黑色的碳化层为止。

优选的是，所述高温加热处理采用的装置为加热板或垫有石棉的电炉。

如前所述的木质纤维基泡沫材料的应用，将其应用于水分蒸发，具体包括海水淡化、污水处理或者液体浓缩。所述水分蒸发的具体方法为：将碳化的表面暴露在空气中(液面以上部分)，使光源照射在碳化的表面上；未碳化泡沫的一部分浸入待蒸发液体，即可发挥高效蒸发作用；所述的待蒸发液体为海水、污水或者其他待浓缩液体。这是因为，本发明所制备的泡沫材料具备高效的光热转化能力，可以快速蒸发对应的液体。前述应用当中，操作简单，无需昂贵的设备，具有重要的实际应用价值和广阔的市场前景。

本发明的有益效果：

(1)本发明所述的泡沫材料采用的主要原料为木质纤维和天然橡胶胶乳，均为天然生物质材料，不但来源广泛、价格低，而且可再生、绿色环保，符合科技发展的趋势，应用前景广阔。

(2)本发明所述的泡沫材料，通过高温加热碳化处理得到碳化层，实现了泡沫材料在光照条件下对热量的高效吸收；制备方法简单，无需复杂的生产设备、反应条件温和常温常压即可，因此，非常适合规模化生产和应用。

(3)本发明所述的泡沫不仅具备密度小、重量轻的特点，而且耐酸耐碱、水相和有机相均能稳定存在，蒸发水的光热效率高，与现有技术相比，在成本大幅度降低的条件下实现了效果的略有提升，对于实际应用具有重要的价值。

附图说明

附图1是本发明所述的泡沫材料浸泡在水中的实物图片：a泡沫浸泡在pH＝1的水中；b泡沫浸泡在pH＝14的水中。

附图2是本发明所述的泡沫材料中纤维与天然胶乳相互作用的扫描电镜图(虚线圈为天然胶乳)。

附图3是本发明所述的泡沫材料的碳化层的扫描电镜图。

附图4是光源照射下本发明所述的泡沫材料上表面的碳化层水蒸发产生蒸汽的照片。

附图5是本发明所述的泡沫材料连续使用30次(单次使用时间为30分钟)的光热效率变化。

附图6是本发明所述的泡沫材料表面盐消散的实物图。

附图7是不含天然橡胶的泡沫材料在水中溃散的图片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1：

用粉碎机打散漂白阔叶木浆后，取6g打散的原料置于容器中，加入200g水充分分散原料，然后加入60g浓缩天然胶乳和发泡剂十二烷基硫酸钠0.3g，在1000rpm的转速下搅拌 20min。通过真空抽滤方式去除多余泡沫和液体，获得湿泡沫，在环境温度中放置10min，然后在60℃烘箱中干燥成型。最后，将干燥成型的泡沫放置在盖有石棉网的电炉上烘烤8秒，使其上表面碳化变黑，获得所需要的光热利用泡沫。经测量，其碳化层厚度约为3mm。

泡沫的碳化表面具有网络结构，可以很好的增加太阳光的有效吸收面积(如图3所示)。该泡沫在1sun光源(1kW·m^-2)照射条件下，可以快速蒸发水(如图4所示)，具体水蒸发速率为1.6kg m^-2·h^-1，光热蒸发效率95％。光热蒸发效率基于以下公式计算：

其中，m是蒸发速率，h_LV是总显热焓和液-水相变焓(2550J·g^-1)，I是入射光功率密度。其它实施例的光热蒸发效率计算均采用此公式计算。

实施例2：

用粉碎机打散废报纸至绒絮状，取4g打散的原料置于容器中，然后加入200g水充分分散原料，然后加入60g浓缩天然胶乳和发泡剂辛胺0.3g，在1500rpm的转速下搅拌10min。将发泡的悬浮液倒入布氏漏斗，静置去除多余泡沫和液体，获得湿泡沫在环境温度中放置20 min，然后在45℃烘箱中干燥成型。最后，将干燥成型的泡沫放置在600℃的加热板上烘烤至表面均匀碳化变黑，获得所需要的光热利用泡沫。经测量，其碳化层厚度约为2mm。

该泡沫在3sun光源(3kW m^-2)照射条件下，水蒸发速率4.6kg m^-2h^-1，光热蒸发效率92％。

实施例3：

用粉碎机打散棉短绒纤维，大约切断其纤维长度原有的一半，随后取5g原料置于容器中，加入150g水充分分散原料，然后加入30g浓缩天然乳胶和发泡剂十二烷基甲基苯磺酸钠0.5 g，在1000rpm的转速下搅拌15min。然后将发泡的悬浮液倒入布氏漏斗，真空抽滤5秒除去多余的液体回用，得到的泡沫放入60℃烘箱中干燥成型。最后，将干燥成型的泡沫放置于带有石棉网的电炉上烘烤约5秒，使其一个表面碳化变黑。经测量，其碳化层厚度约为2mm。

利用得到的泡沫在2sun光源(2kW m^-2)照射条件下，水蒸发速率3.1kg m^-2h^-1，光热蒸发效率93％。

实施例4：

用粉碎机打散未漂草浆后，取8g打散的原料置于容器中，然后加入200g水充分分散原料，然后加入50g浓缩天然胶乳和发泡剂脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠0.25g，在1000rpm的转速下搅拌30min。通过真空抽滤方式去除多余泡沫和液体，并在环境温度中放置10min，然后在70℃烘箱中干燥成型。最后，将干燥成型的泡沫放置在盖有石棉网的电炉上烘烤至一面碳化变黑，获得所需要的光热利用泡沫。经测量，其碳化层厚度约为3mm。

利用得到的泡沫在5sun光源(5kW m^-2)照射条件下，水蒸发速率7.6kg m^-2h^-1，光热蒸发效率95％。

实施例5：

用粉碎机打散漂白阔叶木浆后，取12g打散的原料置于容器中，加入200g水充分分散原料，然后加入60g浓缩天然胶乳和发泡剂十二烷基硫酸钠0.3g，在600rpm的转速下搅拌20min。通过真空抽滤方式去除多余泡沫和液体，获得湿泡沫，在环境温度中放置10min，然后在60℃烘箱中干燥成型。最后，将干燥成型的泡沫置于氮气保护下，利用500℃的加热板处理20min，使泡沫的上表面碳化变黑，获得所需要的光热利用泡沫。经测量，其碳化层厚度约为2mm。

该泡沫在1sun光源(1kW·m^-2)照射条件下，水蒸发速率为1.7kg m^-2·h^-1，光热蒸发效率98％。

实施例6：对实施例1-5制备的泡沫采用进行结构表征和性能测试

对实施例1-5制备的泡沫进行表征和性能测试。以实施例1为例进行详细说明。

1.由图2的扫描电镜图可知，本申请所述的干燥后泡沫材料中，纤维之间是通过丝状橡胶连接的。若没有天然橡胶，纤维之间只能依赖氢键进行连接，易受到水分子破坏的氢键会导致降低泡沫的水中性状稳定性。本发明所述的泡沫材料，通过采用天然橡胶克服了纤维依赖单一氢键连接的弱点，从而增加了泡沫的稳定性。

2.将本申请制备的碳化泡沫放入强酸(pH＝1)和强碱(pH＝14)的水中浸泡，均能保持稳定形态(如图1所示)，这说明泡沫就较好的稳定性，不会轻易被酸碱液体损坏。

3.将本申请制备的碳化泡沫置于1sun光源(1kW m^-2)照射下进行光蒸发水的连续重复验证试验。泡沫经过连续30次测试(单次测试30min)，其光热蒸发效率均保持在90％以上 (图5)，泡沫也具有良好的应用稳定性。

实施例7：积盐现象的测试

将实施例1中制得的碳化泡沫置于20％NaCl的盐水中，在1sun(1kW m^-2)照射下连续工作10小时，未出现盐结块、堵塞从而影响蒸发速率问题。另外，向已经进入盐水的碳化泡沫上表面撒上盐，这些盐也很快消散(图6)，并不会影响正常的光热蒸发过程。本发明其它实施例制备的泡沫在盐水中进行水蒸发工作时，均不会出现积盐现象，蒸发效率稳定。

而常规光热界面蒸发材料在蒸发盐水时，容易发生盐结块、堵塞的问题，从而影响光热蒸发效率。光热界面蒸发材料需要高效的水蒸发速率、良好的隔热效果和导水速度。光照下水的快速蒸发会造成材料上表面的盐度增加，若没有良好的导水能力保证足够的水补充进而实现盐离子的向下传导，就会导致盐结晶的产生。另外，过多的水会降低材料的隔热性能，造成能量浪费，从而影响蒸发效率。光热蒸发过程中的各个因素需达到良好的动态平衡，才能获得理想的工作效率。本申请所述的泡沫材料与现有技术相比，由于其独特的材料特性和结构设计，其光热转换、导水导盐离子和隔热性能这些关键过程特性之间具有良好的平衡，从而获得了较高的蒸发效率和工作稳定性。

实施例8：蒸发介质为糖溶液

将实施例1中制得的泡沫材料的碳化表面暴露在空气中(液面以上部分)，使光源照射在碳化的表面上，未碳化泡沫的以部分浸入5％的葡萄糖溶液中，以2sun光源(2kW m^-2)的进行照射，一段时间之后，可以将葡萄糖溶液的浓度从5％浓缩至35％。浓缩过程中其水蒸发速率会从3.0kg m^-2h^-1降低至2.7kg m^-2h^-1，光热蒸发效率逐渐从92.8％降低至78.6％。由此可知，随着糖溶液浓度的增加，光热效率会略有降低；但该材料依然具有良好的光热蒸发浓缩糖溶液能力。

实施例9：蒸发介质为盐溶液

将实施例2中制得的泡沫材料的碳化表面暴露在空气中(液面以上部分)，使光源照射在碳化的表面上，未碳化泡沫的以部分浸入5％的NaCl溶液中，以1sun光源(1kW m^-2)的进行照射，一段时间之后，可以将NaCl溶液的浓度从5％浓缩至25％。浓缩过程中其水蒸发速率会从1.59kg m^-2h^-1降低至1.32kg m^-2h^-1，光热蒸发效率逐渐从95.3％降低至77.1％。由此可知，随着盐溶液浓度的增加，光热效率会略有降低；但该材料依然具有良好的光热蒸发浓缩盐溶液能力。发明人利用前述泡沫对浓缩KCl、Na₂SO₄等盐溶液进行处理，均可获得类似的效果。

对比实施例1：不添加天然橡胶的对比实施例

用粉碎机打散漂白阔叶木浆后，取6g打散的原料置于容器中，加入200mL水充分分散原料，然后加入发泡剂十二烷基硫酸钠0.3g，在1000rpm的转速下搅拌20min。通过真空抽滤方式去除多余泡沫和液体，获得湿泡沫在环境温度中放置10min，然后在60℃烘箱中干燥成型。

将此泡沫浸入水中进行蒸发测试，泡沫在水中浸泡10分钟后会失去其固有形态，溃散为纤维悬浮液(如图7所示)。而本申请的实施例1采用了同样的泡沫制备条件，其制备的泡沫在强酸或者强碱溶液中均可稳定存在，因此可以顺利进行光热转化蒸发水。

综上可知，本发明所述的泡沫材料不但制备方法简单，而且原材料便宜且易得、绿色环保。此外，本申请所述的泡沫材料，具备耐酸耐碱的性能，在水相和有机相均能稳定存在，而且蒸发水的光热效率高，在进行光热蒸发水时可以长时间保持较高的光热利用率。与现有技术相比，本申请所述的泡沫材料在成本大幅度降低的条件下实现了效果的略有提升，对于实际应用具有重要的价值。

Claims (10)

1.一种高光热转化效率的木质纤维基泡沫材料，其特征在于：所述的泡沫材料由木质纤维原料、橡胶胶乳和发泡剂组成，所述橡胶胶乳的用量为木质纤维原料重量的5-60%；所述发泡剂的用量为木质纤维原料重量的0.5-10%；所述泡沫材料的一个表面为碳化表面，所述碳化表面的碳化层厚度为1-3mm。

2.根据权利要求1所述的木质纤维基泡沫材料，其特征在于：所述碳化层通过高温加热的碳化处理得到。

3.根据权利要求2所述的木质纤维基泡沫材料，其特征在于：所述的木质纤维原料为商品纸浆、废纸、秸秆、棉花和棉短绒的一种或者几种。

4.根据权利要求2所述的木质纤维基泡沫材料，其特征在于：所述的发泡剂为十二烷基磺酸钠、辛胺、十二烷基对甲苯磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和天然植物皂苷中的一种或者几种。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的木质纤维基泡沫材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）将木质纤维原料粉碎，搅拌条件下分散至水中，得到纤维水分散液；所述分散液中木质纤维原料的质量浓度为2-6%；

（2）向步骤（1）得到的纤维水分散液中加入橡胶胶乳和发泡剂，然后室温下在600-1500rpm下搅拌10-20分钟充分发泡，得到泡沫混合物；

（3）将步骤（2）得到的泡沫混合物注入磨具中，过滤，得到湿泡沫，然后将湿泡沫干燥、成型，得到干泡沫；

（4）对干泡沫的一个表面，采用高温加热的方法进行碳化处理得到碳化层，即得到具有高光热转化效率的木质纤维基泡沫材料。

6.根据权利要求5所述的木质纤维基泡沫材料的制备方法，其特征在于：所述的高温加热具体为：空气中200-300℃条件下碳化处理4-10秒或者惰性气体氛围下300-800℃碳化处理8秒-1分钟，直至被处理的表面全部变为黑色的碳化层为止。

7.根据权利要求6所述的木质纤维基泡沫材料的制备方法，其特征在于：所述高温加热处理采用的装置为加热板或垫有石棉的电炉。

8.根据权利要求5所述的木质纤维基泡沫材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的过滤为真空抽滤或者常压自然过滤；所述的干燥具体为自然晾干、热风烘干、红外干燥、或者微波干燥。

9.如权利要求1-4中任意一项所述的木质纤维基泡沫材料的应用，其特征在于：将其应用于水分蒸发，具体包括海水淡化、污水处理或者液体浓缩。

10.根据权利要求9所述的木质纤维基泡沫材料的应用，其特征在于：所述水分蒸发的具体方法为：将碳化的表面暴露在空气中，位于液面以上，使光源照射在碳化的表面上；未碳化泡沫的一部分浸入待蒸发液体，即可发挥高效蒸发作用；所述的待蒸发液体为海水、污水或者其他待浓缩液体。

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