CN115403095B - 一种拒盐的海绵基/廉价碳光热复合材料的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种拒盐的海绵基/廉价碳光热复合材料的制备方法及应用，属于太阳能光热转换技术领域。本发明要解决目前光热转换材料制备成本高、难以批量制备以及容易产生盐结晶降低使用时间的问题。本发明是以海绵类材料为基体，碳化后的农业垃圾为光吸收体原材料，聚苯乙烯泡沫作为隔热层，制备光热转换材料。本工艺的优越之处是：材料成本低廉，制备过程简易，可批量制备，还有着优良的抗盐结晶效果，可广泛应用于各种界面太阳能蒸汽发生器，对地表水、海水等蒸发冷凝后收集获得淡水，或直接利用太阳能蒸汽进行发电、灭菌，也具有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于太阳能界面光热转换材料制备领域、太阳能界面海水淡化和太阳能蒸汽发电及灭菌领域；具体涉及一种拒盐的海绵基/廉价碳光热复合材料的制备方法及应用。
背景技术
淡水资源紧缺是当前世界面临的一个严峻问题。尤其是人口数目的激增，淡水总量已经供不应求。目前获得淡水的方式有：淡水运输，污废水处理和太阳能蒸汽。太阳能蒸汽技术是一种将太阳光辐射转换为热能的技术，光热转换材料是技术核心，主要应用于海水淡化、蒸汽灭菌。这种淡水获得方式不消耗常规能源、不受地域限制、不会污染环境，可解决日趋严重的能源短缺和淡水紧缺的难题，对响应当今可持续发展理念有着重大意义。
光热转换材料是太阳能蒸汽产生的关键，需具有高效的蒸汽速率和光热转换效率。周昱帆等发明的CuS/炭黑复合光热转换材料，对前驱体高温高压操作制备得到光热转换材料，生产成本低，然而对原料及反应条件有一定的要求，也未对其隔热及供水方式进行设计(专利号110713203B)；王钰等发明的一种Mxene/陶瓷纤维光热转换材料，以Mxene纳米片为光热转换层，隔热层则选取了具有保温隔热效果的陶瓷纤维，降低了导热系数，却由于成本问题难以大规模制备(专利号114656288U)；郭海峰等提供的一种光热材料的制备方法，在经添加粘结层具有三维孔结构基体上涂覆光吸收材料并在结构表面形成了纳米凸起，从而具备了优良光吸收性能，这种方式虽然工艺简单，但是未对其抗盐功能设计，难以进行长期海水淡化(专利号111793243B)。
综上所述，目前太阳能光热转换材料的制备与应用均不能完全满足以下要求：(1)为来源广泛的原材料，低廉的成本和简便的制备工艺；(2)具有高效光吸收效能，保证水源源不断的运输的供水通道和良好保温性能；(3)具有良好的机械稳定性和重复使用性能；(4)具有抵抗盐在蒸发表面结晶的属性。
发明内容
本发明要解决的是现有光热转换材料原料来源单一、光热转换效率低及抗盐结晶效果差等问题，提供了一种拒盐的海绵基/廉价碳光热复合材料的制备方法及应用。所述的材料具有高效的光热转化效率，兼具供水和保温的作用，可以实现高效持久的海水淡化，满足用水需求。
为解决上述问题和实现本发明的目的，采用以下技术方案：
(1)以农业垃圾为原材料，经75wt％酒精和去离子水数次洗涤后沥干水分，在鼓风干燥箱中干燥。将干燥完成后的材料放进高温管式炉中在氩气保护气氛下碳化，在研钵中研成碳粉，过细筛网后留取筛下物。
(2)取一定厚度的海绵，以浸渍-干燥-交联的方式将碳粉均匀掺杂在海绵中，以聚苯乙烯泡沫作为支撑层和隔热层。对混合材料表面进行阵列钻孔，并对聚苯乙烯构造数条水通道，组装成光热蒸发器。
进一步地，步骤(1)中，原材料包括一切农业垃圾包括农田和果园残留物，如秸秆、残株、杂草、落叶、果实外壳等，牲畜和家禽粪便，农产品加工废弃物。
进一步地，步骤(1)中，在鼓风干燥箱中60℃～80℃下干燥20h～25h，鼓风干燥箱升温速率为5℃·min-1～10℃·min-1。
进一步地，步骤(1)中，干燥完成后的材料放进高温管式炉中，在300℃～800℃的温度下碳化1h～2h，高温管式炉升温速率为5℃·min-1～20℃·min-1。降温获得所需生物炭。
进一步地，步骤(1)中，细筛网的筛目为100目～500目。
进一步地，步骤(2)中，所使用的碳粉包括步骤(1)加工方式中的生物碳和成品炭黑、活性炭等碳材料。
进一步地，步骤(2)中，干燥的方式为真空干燥和鼓风干燥。真空干燥温度为60℃～80℃，时长5min～10min。鼓风干燥温度为60℃～80℃，时长6h～10h。
进一步地，步骤(2)中，海绵包括带有明显气孔的泡棉材料，如三聚氰胺海绵、聚氨酯海绵，厚度为0.5mm～40mm。
进一步地，步骤(2)中，钻孔直径为0.5mm～2mm，阵列间距为4mm～10mm。
进一步地，步骤(2)中，聚苯乙烯泡沫厚度为1.5cm～3cm，水通道直径为2mm～3mm，阵列间距为1cm～4cm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明方法制备的光热转换材料，原料来源广泛，成本造价较低，作为光吸收体的碳粉可对所有农业垃圾碳化得到，变废为宝，同时无危害环境和人体的副产物产生。同时制备方式简便，仅需在海绵材料上浸渍-干燥-交联即可完成，对反应条件要求小，制备周期短，成功制备概率高，再现性能稳定。即便在野外等不利条件下，人员就地取材进行制备，满足用水需求。
(2)本发明方法制备的光热转换材料，以双峰多孔的海绵作为基体，使得太阳光孔隙内部发生了多级散射，使材料在波长为300nm～2500nm这个范围内均具有较高的光吸收率达100％。光热转换材料的亲水特性，使其具有快速的水汽逸散和蒸发液运输通道。经过隔热材料聚苯乙烯泡沫的引入，使得蒸发过程中具有良好的保温效果。这些设计使材料的光热转换效率提升至95％以上。
(3)本方法制备的光热转换材料，经过在蒸发表面阵列钻孔和隔热层阵列供水通道的制作，大大抑制了盐在蒸发表面结晶的发生。这种构造可以长期蒸发并无需清洁和更换材料，有良好的重复使用性能。这种材料太阳能水蒸发领域具有广泛的应用范围，可包含地表水净化、海水淡化等水处理领域。
具体实施方式
本领域的技术人员容易理解，以下所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例1
一种以生物碳为原材料的海绵基BC/SA@MF水凝胶光热转换复合材料的制备方法，具体步骤如下：
首先对农业垃圾花生壳用去离子水和乙醇交替洗涤三次，除去表面杂质，放进鼓风干燥箱在80℃下进行干燥20h升温速率为10℃·min-1。将干燥后的材料于高温管式炉中碳化，在氩气保护气下以10℃·min-1的升温速率稳定升温，在保护气的氛围下，升温至600℃，保温90min，然后降温，降至室温后，将管式炉关闭取出制得初始生物碳。将花生壳碳放入研钵中研成细粉，该细粉过100目筛后进行收集。
制备100mL质量分数为0.75％高粘度海藻酸钠溶液，将0.5g花生壳碳均匀分散其中。将尺寸为3.5cm×3.5cm，厚度为0.5mm的三聚氰胺海绵片浸渍在溶液中，轻度挤压使其完全浸渍。然后抽真空5min，确保BC/SA-Na更紧密、均匀地沾附在海绵骨架上。再将海绵置于80℃的烘箱中使其干燥。然后将干燥的材料浸在5wt％的CaCl2溶液中6h，将材料中的Na+置换成Ca2+。下一步进行化学共价交联，将海绵分别在1-乙基-3-(-3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐溶液，以及在N-羟基琥珀酰亚胺和己二酸二肼溶液中各浸泡6h。最后用去离子水清洗获得不溶于水的海绵基光热转换材料，最终获得了成本低廉、制备简单、机械稳定性高、可扩展制备的海绵基BC/SA@MF水凝胶光热转换材料。在混合材料表面以1mm直径，5mm的距离，制作通孔阵列。在厚度为2cm的聚苯乙烯泡沫上以2mm直径，5mm的距离，制作水通道阵列。符合尺寸的海绵作为供水通道进行填充。将混合材料置于泡沫上组成蒸发组件。
将制得的BC/SA@MF水凝胶光热转换材料漂浮于装有自来水的100mL的烧杯水面上，烧杯放在实时记录数据的电子天平上，数据可直接传输至电脑上。氙灯作为太阳辐射模拟器提供太阳光，照射强度为1个太阳光照，垂直照射在材料和水面上，照射时长为1h，环境温度为25℃，湿度为35％，自来水温度为22℃。计算得到材料太阳能蒸汽产生速率为1.97kg·m-2·h-1，光热转换效率高达99％。同时对其他水质进行了测试，蒸发情况如表1所示。
表1 BC/SA@MF材料对不同水质的蒸发情况
将制得的BC/SA@MF水凝胶光热转换材料漂浮于装有20wt％NaCl溶液的烧杯上，用氙灯作为太阳辐射模拟器提供太阳光，照射强度为1个太阳光照，垂直照射在材料上。连续运行500h后没有盐积聚在材料表面且蒸发速率没有明显降低。该种材料的高效光吸收率，及结构的有效设计，使其不仅有高效光热转换效率和抗盐结晶的属性，保证了材料的可重复使用性。
实施例2
一种以廉价碳材料为原材料的海绵基CB/SA@MF水凝胶光热转换复合材料的制备方法，具体步骤如下：
制备100mL质量分数为0.75％高粘度海藻酸钠溶液，将1g炭黑均匀分散其中。将尺寸为3.5cm×3.5cm，厚度为0.5mm的三聚氰胺海绵片浸渍在溶液中，轻度挤压使其完全浸渍。然后抽真空5min，确保CB/SA-Na更紧密、均匀地沾附在海绵骨架上。再将海绵置于80℃的烘箱中使其干燥。然后将干燥的材料浸在5wt％的CaCl2溶液中6h，将材料中的Na+置换成Ca2+。下一步进行化学共价交联，将海绵分别在1-乙基-3-(-3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐溶液，以及在N-羟基琥珀酰亚胺和己二酸二肼溶液中各浸泡6h。最后用去离子水清洗获得不溶于水的海绵基光热转换材料，最终获得了成本低廉、制备简单、机械稳定性高、可扩展制备的海绵基CB/SA@MF水凝胶光热转换材料。在混合材料表面以1mm直径，5mm的距离，制作通孔阵列。在厚度为2cm的聚苯乙烯泡沫上以2mm直径，5mm的距离，制作水通道阵列。符合尺寸的海绵作为供水通道进行填充。将混合材料置于泡沫上组成蒸发组件。
将制得的BC/SA@MF水凝胶光热转换材料漂浮于装有自来水的100mL的烧杯水面上，烧杯放在实时记录数据的电子天平上，数据可直接传输至电脑上。氙灯作为太阳辐射模拟器提供太阳光，照射强度为1个太阳光照，垂直照射在材料和水面上，照射时长为1h，环境温度为25℃，湿度为35％，自来水温度为22℃。计算得到材料太阳能蒸汽产生速率为1.89kg·m-2·h-1，光热转换效率高达95％。同时对其他水质进行了测试，蒸发情况如表2所示。
表2 CB/SA@MF材料对不同水质的蒸发情况
将制得的BC/SA@MF水凝胶光热转换材料漂浮于装有20wt％NaCl溶液的烧杯上，用氙灯作为太阳辐射模拟器提供太阳光，照射强度为1个太阳光照，垂直照射在材料上。连续运行500h后没有盐积聚在材料表面且蒸发速率没有明显降低。该种材料的高效光吸收率，及结构的有效设计，使其不仅有高效光热转换效率和抗盐结晶的属性，保证了材料的可重复使用性。
上述实施例应在权利要求所限定的范围内广泛地理解，因此落入权利要求等效范围内的变化都应为权利要求所涵盖。以上所述为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种拒盐的海绵基廉价碳光热复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、以农业垃圾为原材料，经75wt%酒精和去离子水数次洗涤后沥干水分，在烘箱中干燥；将干燥完成后的原材料放进高温管式炉中在氩气保护气氛下碳化，在研钵中研成碳粉，过细筛网后留取筛下物；
步骤二、制备高粘度海藻酸钠溶液，将上述过筛后的碳粉均匀分散在其中，得到混合溶液，将海绵片浸渍在所述混合溶液中，抽真空5 min后，将海绵片置于烘箱中干燥；
步骤三、将干燥后的海绵片浸渍在5wt%氯化钙溶液中6 h，将海棉片中的Na+置换成Ca2 +；
步骤四、将置换后的海绵片分别在1-乙基-3-（-3-二甲氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐溶液，以及在N-羟基琥珀酰亚胺和己二酸二肼溶液中各浸泡6 h，最后用去离子水清洗获得海绵基廉价碳光热复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：原材料包括农田和果园残留物。
3.根据权利要求2所述的制备方法，所述残留物为秸秆、残株、杂草、落叶、果实外壳中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：碳化方式为将干燥的原材料放进高温管式炉中，在300℃-800℃的温度下碳化1 h-2 h，高温管式炉升温速率为5℃·min-1-20℃·min-1，降温后即可获得所需生物碳，并研磨成粉末，过筛细分碳源粒径，细筛网的筛目为100目-500目。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述海绵片为三聚氰胺海绵或聚氨酯海绵。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述的海绵包括带有明显气孔和支撑结构的泡棉材料，设置厚度为0.5 mm-40 mm。
7.一种拒盐的光热复合材料在太阳能蒸发器中的应用，其特征在于，根据权利要求1到权利要求6任一所述的一种拒盐的海绵基廉价碳光热复合材料的制备方法制备的拒盐的光热复合材料。
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