CN115404698B - 一种基于生物质黑色素墨球的太阳能吸收材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物质材料技术领域，具体涉及一种基于生物质黑色素墨球的太阳能吸收材料及其制备方法和应用。该方法包括以下步骤：1)将洁净的生物质黑色素墨汁分散在蒸馏水中，在室温下磁力搅拌，随后用蒸馏水洗涤，真空冷冻干燥，得到墨粉；2)将步骤1)获得的墨粉用浓硫酸和碳酸钠溶液处理，随后用蒸馏水洗涤，通过离心、真空冷冻干燥，获得墨球；3)将纤维素织物浸泡在墨球的溶液中，随后放入真空干燥箱中干燥，并重复的进行浸泡和干燥，得到所述的基于生物质黑色素墨球的太阳能吸收材料。通过将光热生物质黑色素墨粉和纤维素织物结合，制备稳定高效的一体化太阳能蒸发器。将其应用在海水淡化，废水、污水处理等领域。
Description
技术领域
本发明属于生物质材料技术领域，具体涉及一种基于生物质黑色素墨球的太阳能吸收材料及其制备方法和应用。
背景技术
如今，能源短缺和环境污染已成为世界性难题，这使得开发利用可再生能源、环保能源成为人类的迫切需求。太阳能作为新能源领域的重要组成部分，是取之不尽、用之不竭的。丰富的太阳能可应用于光伏发电、污水处理、海水淡化等众多领域，被认为是可以部分替代化石燃料的理想能源。
传统的海水淡化技术包括：多级闪蒸、反渗透、电渗析、膜蒸馏等，这些虽然都是成型的技术，但其仍具有巨大的缺陷，例如：能耗高、污染大、步骤繁琐、大型集中基础设施以及核心设备使用寿命短等，这不仅加大了对环境与资源的负荷，而且极大地限制了它们的长期应用。光热转换技术是指通过反射、吸收或其他方式把太阳能集中起来，转换成足够高温度的过程。用光热转换技术进行污水、废水处理和海水淡化，不仅能够避免了使用已有方法带来的环境污染，而且能够缓解传统能源量不足的压力。
在光热转换技术领域，光吸收材料的选取尤为重要。目前光吸收材料主要分为：金属、半导体、聚合物、碳材料等。生物质材料，以其低成本、易获取、无污染、制备工艺简单等特点，已成为科研人员的研究重点。将生物质材料的获取与废物利用结合起来，更是实现了“资源节约、环境友好”的目标。
发明内容
为解决现有技术的不足，从光热材料的蒸发性能、经济性能出发，提供一种基于生物质黑色素墨球的太阳能吸收材料及其制备方法和应用。天然鱿鱼墨经过提纯、硫化等过程后与纤维素织物结合，最终形成光热转化生物质太阳能吸收材料。天然鱿鱼墨中的主要化合物是黑色素，因此其具有强光吸收性能，以及易制备、低成本等优势。通过将光热生物质黑色素墨粉和纤维素织物结合，制备稳定高效的一体化太阳能蒸发器。将其应用在海水淡化，废水、污水处理等领域。
本发明所提供的技术方案如下：
一种基于生物质黑色素墨球的太阳能吸收材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将洁净的生物质黑色素墨汁分散在蒸馏水中，在室温下磁力搅拌，随后用蒸馏水洗涤，真空冷冻干燥，得到墨粉；
2)将步骤1)获得的墨粉用浓硫酸和碳酸钠溶液处理，用于将聚集的墨球进行分散，然后中和多余的酸，随后用蒸馏水洗涤，通过离心、真空冷冻干燥，获得墨球；
3)将纤维素织物(表示为CF)浸泡在墨球的溶液中，随后放入真空干燥箱中干燥，并重复的进行浸泡和干燥，得到所述的基于生物质黑色素墨球的太阳能吸收材料(表示为SISCF)。
上述技术方案中：
生物质黑色素墨汁包括但不限于：鱿鱼黑色素墨汁、墨鱼黑色素墨汁、章鱼黑色素墨汁，优选的，为鱿鱼黑色素墨汁。黑色素墨汁为鱿鱼、墨鱼、章鱼食物加工过程的废弃物，属于废物利用，其可以将所吸收的光转化为热量；
纯纤维素织物为商用纤维素织物边角料，在此作为合成光热转化生物质太阳能吸收材料的基底，同样属于废物利用，纤维素织物具有优异的回弹性和机械性能，其孔隙可作为水传输通道，耐物理和化学腐蚀性强，可重复使用；
因此，得到的光热材料置于水中，在光照条件下即可进行太阳能水蒸发。
具体的，步骤1)中，将生物质黑色素墨汁分散在蒸馏水中，所述生物质黑色素墨汁与蒸馏水的体积比为1:(40～60)。
具体的，步骤1)中，搅拌的时间是4～8h，真空冷冻干燥的温度为-40～-50℃。
具体的，步骤2)中，浓硫酸的浓度在18mol/L以上，碳酸钠溶液的浓度为0.01～0.03mol/L，碳酸钠溶液的溶剂为去离子水，真空冷冻干燥的温度为-40～-50℃。
具体的，步骤3)中，纤维素织物浸入的墨球的溶液浓度为0.2～0.4wt％，浸泡时间为1～3分钟。
上述技术方案中，浓度过高会不好控制沉积过程，导致墨球沉积过多，在纤维素织物上不能稳定附着。相反浓度过低，会导致沉积量不足，影响性能。
具体的，步骤3)中，真空干燥箱温度为60～80℃，干燥时间为5～7h。
具体的，步骤3)中，重复进行浸泡和干燥的循环次数为5～8次。
本发明还提供了上述制备方法制备得到的太阳能吸收材料。
该材料具有高光吸收性，在250-2000nm的太阳辐射光谱中具有优异的光吸收率，平均太阳光吸收率高达97％；具有良好的石墨化程度，拉曼光谱中D峰与G峰的比值小于1；对SISCF进行动态水接触角测量，接触角为0°的水滴瞬间被吸收；具有良好的机械稳定性，SISCF的压应力达到峰值约0.4。
本发明还提供了上述太阳能吸收材料的应用，应用于污水、废水处理或海水淡化，具体性能如下：
在1sun光强下，2cm×2cm的SISCF在30分钟后表面温度达到最高温度39.7℃。
在1sun光强下，水蒸发速率为1.58kg·m-2·h-1。
本发明具有如下优点和积极效果：
1.本发明选用鱿鱼加工过程中的废弃物—鱿鱼墨黑色素，以及商用纤维素织物边角料，属于废物利用，将二者合成光热转换生物质太阳能吸收材料，制备的光热转换生物质太阳能吸收材料来源绿色环保，是环境友好型材料。
2.本发明选用的纤维素织物具有优异的机械性能，且含有丰富的孔隙，可为水传输提供通道。
3.本发明制备的基于生物质墨球的太阳能吸收材料因使用纤维素织物而表面粗糙，可使阳光在其表面多次折射，优选使用的鱿鱼墨粉具备优异的光吸收率，能有效的捕获太阳光。
4.本发明优选制备得到的基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料可淡化海水，净化雨水、雪水和湖水，处理污水、废水。通过与太阳能相结合，为生产清洁水，缓解水资源短缺提供了一条可持续发展的绿色策略。
5.本发明优选制备的基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料具备优良的可循环性和抗盐性，在高盐度盐水中循环24次之后，蒸发速率仍能保持稳定。
附图说明
图1为本发明实例中基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料合成简易流程图；
图2为本发明实例中基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料的SEM图片；
图3为本发明实例中基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料的XPS图片和UV图片；
图4为本发明实例中基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料与空白纤维素织物的拉应力对比图片，以及基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料的接触角测试图片；
图5为本发明实例中基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料在不同光照强度下的温度变化图片和质量损失图片；
图6为本发明实例中基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料在一个太阳光强照射下的红外热成像图；
图7为本发明实例中基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料海水淡化前后离子浓度对比图以及在海水中的24次蒸发循环测试图片。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料的制备
1)将1洁净的天然鱿鱼黑色素墨汁分散在50蒸馏水中，在室温下磁力搅拌6h，随后用蒸馏水洗涤，真空冷冻干燥后得到鱿鱼墨粉。
2)将由步骤1)获得的鱿鱼墨粉用浓硫酸和碳酸钠溶液处理，随后用蒸馏水洗涤,通过离心、真空冷冻干燥获得鱿鱼墨球。
3)将纯纤维素织物(表示为CF)浸入浓度为0.3wt％鱿鱼墨球溶液中，随后放入真空干燥箱中干燥。基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料(表示为SISCF)通过6次循环的“浸泡和干燥”过程获得。
图1为本发明实例中基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料的合成简易流程图。
图2为本发明实例中基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料的SEM图片。从图中可以看出鱿鱼墨黑色素微观结构为球状，且均匀沉积在纤维素织物上。
图3为本发明实例中基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料的XPS图片和UV图片。该材料主要存在C，O，N三种元素，高分辨率C1s XPS光谱被解卷积为C-C(283.6eV)、C＝C(284.6eV)和C＝O(287.3eV)。与CF相比，SISCF在250-2000nm的太阳辐射光谱中具有优异的光吸收率，平均太阳光吸收率高达97％。
图4为本发明实例中基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料与空白纤维素织物的拉应力对比图片以及基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料的接触角测试图片。SISCF表现出优异的机械稳定性，压应力达到峰值约0.4kPa。接触角为0°的水滴瞬间被SISCF吸收。
图5为本发明实例中基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料的温度变化图片和质量损失图片。在1sun光强下，SISCF在30分钟后表面温度达到最高温度39.7℃。在1sun光强下，水蒸发速率为1.58kg·m-2·h-1。其中，左部分图中五条曲线自下而上依次对应光强的增大。
图6为本发明实例中基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料在一个太阳光强照射下随着时间推移的红外热成像图。
图7为本发明实例中基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料海水淡化前后离子浓度对比图和在海水中的24次蒸发循环测试图片。测量海水和脱盐水中K+，Ca2+，Na+，Mg2+的离子浓度。净化水的离子浓度远低于世界卫生组织(WHO)的饮用标准，表明基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料在水处理方面的前景。在高盐度盐水中循环24次之后，蒸发速率仍能保持稳定。
实施例2
采用电子天平和热电偶监测基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料在光照下的光热转换性能，包括如下步骤：
1)打开氙灯光源，将光强调至于0.2sun；
2)使用织物将水流引流至制备好的基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料表面；
3)把上述装置置于电子天平上，用电脑分别记录基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料在0.2sun下的质量损失和表面温度变化，得到如图5的结果。
实施例3
采用电子天平和热电偶监测基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料在光照下的光热转换性能，包括如下步骤：
1)打开氙灯光源，将光强调至于0.4sun；
2)使用织物将水流引流至制备好的基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料表面；
3)把上述装置置于电子天平上，用电脑分别记录基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料在0.4sun下的质量损失和表面温度变化，得到如图5的结果。
实施例4
采用电子天平和热电偶监测基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料在光照下的光热转换性能，包括如下步骤：
1)打开氙灯光源，将光强调至于0.6sun；
2)使用织物将水流引流至制备好的基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料表面；
3)把上述装置置于电子天平上，用电脑分别记录基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料在0.6sun下的质量损失和表面温度变化，得到如图5的结果。
实施例5
采用电子天平和热电偶监测基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料在光照下的光热转换性能，包括如下步骤：
1)打开氙灯光源，将光强调至于0.8sun；
2)使用织物将水流引流至制备好的基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料表面；
3)把上述装置置于电子天平上，用电脑分别记录基于生物质鱿鱼墨球的太阳能吸收材料在0.8sun下的质量损失和表面温度变化，得到如图5的结果。
以上所述仅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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于生物质黑色素墨球的太阳能吸收材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将洁净的生物质黑色素墨汁分散在蒸馏水中，在室温下磁力搅拌，随后用蒸馏水洗涤，真空冷冻干燥，得到墨粉；
2)将步骤1)获得的墨粉用浓硫酸和碳酸钠溶液处理，随后用蒸馏水洗涤，通过离心、真空冷冻干燥，获得墨球；
3)将纤维素织物浸泡在墨球的溶液中，随后放入真空干燥箱中干燥，并重复的进行浸泡和干燥，得到所述的基于生物质黑色素墨球的太阳能吸收材料；
步骤2)中，浓硫酸的浓度在18mol/L以上，碳酸钠溶液的浓度为0.01～0.03mol/L，碳酸钠溶液的溶剂为去离子水，真空冷冻干燥的温度为-40～-50℃。
2.根据权利要求1所述的基于生物质黑色素墨球的太阳能吸收材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，将生物质黑色素墨汁分散在蒸馏水中，所述生物质黑色素墨汁与蒸馏水的体积比为1:(40～60)。
3.根据权利要求1所述的基于生物质黑色素墨球的太阳能吸收材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，搅拌的时间是4～8h，真空冷冻干燥的温度为-40～-50℃。
4.根据权利要求1所述的基于生物质黑色素墨球的太阳能吸收材料的制备方法，其特征在于：步骤3)中，纤维素织物浸入的墨球的溶液浓度为0.2～0.4wt％，浸泡时间为1～3分钟。
5.根据权利要求1所述的基于生物质黑色素墨球的太阳能吸收材料的制备方法，其特征在于：步骤3)中，真空干燥箱温度为60～80℃，干燥时间为5～7h。
6.根据权利要求1所述的基于生物质黑色素墨球的太阳能吸收材料的制备方法，其特征在于：步骤3)中，重复进行浸泡和干燥的循环次数为5～8次。
7.根据权利要求1至6任一所述的基于生物质黑色素墨球的太阳能吸收材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述生物质黑色素墨汁包括但不限于：鱿鱼黑色素墨汁、墨鱼黑色素墨汁、章鱼黑色素墨汁。
8.一种根据权利要求1至7任一所述的制备方法制备得到的太阳能吸收材料。
9.一种根据权利要求8所述的太阳能吸收材料的应用，其特征在于：应用于污水、废水处理或海水淡化。
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