CN116712939A - 用于高效太阳能界面蒸发的多孔碳水凝胶 - Google Patents
用于高效太阳能界面蒸发的多孔碳水凝胶 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及太阳能蒸发器领域，具体是涉及用于高效太阳能界面蒸发的多孔碳水凝胶，所述蒸发器由水凝胶和富氧多孔碳构成，所述水凝胶由葡甘聚糖和聚乙烯醇形成交联网络结构，富氧多孔碳均匀掺设于水凝胶的交联网络结构中，所述水凝胶的交联网络状结构提供了连续互通的毛细输水通道以及富氧多孔碳也提供了额外的输水通道，本发明能够更多地吸收与利用太阳光使之转化为热能，并减少能量损失，提高能源利用效率，本发明降低了水分子蒸发所需要的能量，本发明在蒸发过程中竖直方向上形成盐浓度梯度，促进了盐离子吸收和扩散使之放电平衡，达到耐盐性保持蒸发器蒸发性能。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能蒸发器领域，具体是涉及用于高效太阳能界面蒸发的多孔碳水凝胶。
背景技术
然而传统反渗透法、多级闪蒸及多效蒸发等海水淡化技术存在化石能源消耗大、温室气体排放多、系统结构复杂等问题[3]，迫切需要开发低碳环保简便的净水生产技术，以解决水资源短缺问题。太阳能耦合界面蒸发的海水淡化研究近年来由于其零成本、低能耗、无污染等优点而被科研团队广泛研发，用于生产环保纯净的蒸馏水。
近年来太阳能界面蒸发中的界面加热手段与水体加热相比，优势在于吸光器将热量集中于蒸发界面上更多地用于蒸发水而不是加热水，减少对水体热量散失且降低蒸发所需的太阳能能耗。实现高效太阳能界面蒸发主要依靠优异的能量管理、较低的蒸发能垒、快速的物质输运，但目前存在的例如碳基太阳能蒸发器、纳米材料涂覆蒸发器、浸涂形成薄膜蒸发器等，普遍存在能量管理不足、较高的蒸发能垒、物质输运效率低等问题，同时其需要外加隔热及浮动装置，抑制其对水体的热量散失且将蒸发器控制在界面加热，结构较为复杂，故研发高效经济的太阳能蒸发器是众科研团队现阶段的目标。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术问题，提供一种用于高效太阳能界面蒸发的多孔碳水凝胶。
为解决现有技术问题，本发明采用的技术方案为：
用于高效太阳能界面蒸发的多孔碳水凝胶，所述多孔碳水凝胶由水凝胶基质和富氧多孔碳构成，所述水凝胶基质由葡甘聚糖和聚乙烯醇形成交联网络结构，富氧多孔碳均匀掺设于水凝胶基质的交联网络结构中；
所述多孔碳水凝胶的交联网络状结构提供有连续互通的毛细输水通道，所述富氧多孔碳提供有额外的输水通道；
所述富氧多孔碳、脱乙酰葡甘聚糖和聚乙烯醇中的亲水基团通过与部分水分子结合形成强氢键从而削弱自由水分子间的氢键，以降低水蒸发所需的能量；
所述富氧多孔碳通过其丰富的孔隙结构吸收水凝胶中的自由水并进行光热转换将其蒸发成水蒸气扩散；
所述蒸发器中的输水通道在垂直方向上形成盐浓度梯度。
进一步的，所述富氧多孔碳的制备方法如下：
S1，取100ml浓度为100g/L的小球藻液与33.3ml的甲醇氯化胆碱DES溶液混合，在160℃水热预处理10min，取其固相得到藻渣并将其冷冻干燥；
S2，把冻干藻渣按1:1加入活化剂KOH放入管式炉内，在惰性气体气氛下升温至600℃热解2小时得到藻渣生物碳；
S3，向藻渣生物碳加入适量盐酸洗涤至中性，得到富氧多孔碳。
进一步的，所述脱乙酰葡甘聚糖的制备方法如下：
S1，将30g KGM粉末和200ml 50％乙醇溶液混合，混合悬浮液在50℃下搅拌溶胀30分钟(150r/min)；
S2，再加入Na2CO3溶液在40℃反应24小时，脱乙酰后用乙醇水溶液(50％、75％和95％)洗涤3次去除多余的Na2CO3，最后用无水乙醇洗涤；
S3，在通风橱中蒸发过量的乙醇，然后在40℃下真空干燥6小时，得到粉末状脱乙酰KGM。
进一步的，所述多孔碳水凝胶的制备方法如下：
将4g聚乙烯醇、0.5g脱乙酰葡甘聚糖、0.1g富氧多孔碳、0.52ml戊二醛交联剂加入烧杯并放置超声机中震荡4小时形成均质溶液，随后于70℃烘箱中静置一夜，得到多孔碳水凝胶。
进一步的，所述透明蒸汽收集装置为亚克力板。
进一步的，所述疏水涂层为二氧化硅涂层。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
其一，本发明能够更多地吸收与利用太阳光使之转化为热能，并减少能量损失，提高能源利用效率；
其二，本发明降低了水分子蒸发所需要的能量，使得低热流密度的太阳能能源可以使更多的水蒸发；
其三，本发明形成水平垂直方向的多层次孔隙及连续的水通道，使蒸发器在蒸发过程中竖直方向上形成盐浓度梯度，从而促进盐离子吸收和扩散使之放电平衡，达到耐盐性保持蒸发器蒸发性能。
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图；
图中标号为：1-富氧多孔碳；2-连续水通道；3-交联网络。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明的用于高效太阳能界面蒸发的多孔碳水凝胶，参照图1所示，所述多孔碳水凝胶由水凝胶基质和富氧多孔碳构成，所述水凝胶基质由葡甘聚糖和聚乙烯醇形成交联网络结构，富氧多孔碳均匀掺设于水凝胶基质的交联网络结构中；
所述水凝胶的交联网络状结构提供了连续互通的毛细输水通道，富氧多孔碳提也供了额外的输水通道；
所述富氧多孔碳、脱乙酰葡甘聚糖和聚乙烯醇中的亲水基团通过与部分水分子结合形成强氢键从而削弱自由水分子间的氢键，以降低水蒸发所需的能量；
所述富氧多孔碳通过其丰富的孔隙结构吸收水凝胶中的自由水并进行光热转换将其蒸发成水蒸气扩散；
在多孔碳水凝胶的上方设置有耐候性强、加工性能好、透光性最强的有机材料亚克力板作为蒸汽冷凝装置，涂上二氧化硅疏水涂层，使蒸汽回流至下方而不模糊透光层，同时装置内部拥有一定的温室效应用于加热体积水，充分提高能源利用效率；
水凝胶内部聚合物网络形成的互连毛细通道是极好的太阳能蒸发器输水结构，连续的水通道使其在竖直方向上形成盐浓度梯度而向下输送盐离子达到耐盐的效果，以及聚合物网络结构限制水分子的对流传热降低其热通量从而拥有稳定的能量管理，同时其中的亲水性聚合物链可以加快水凝胶中的水分蒸发，但其低吸光度无法让水凝胶在接收太阳能时产生足够多的蒸汽。
现有研究多在水凝胶中融入聚吡咯、氧化石墨烯、碳纳米管等材料作为太阳能吸收器，但在成本高的同时其疏水性质导致蒸发器效率有所下降，而微藻基富氧多孔碳的高孔隙率有利于充分捕获太阳能、丰富的亲水基团可以加快水分子蒸发，同时其多级孔隙可以为水凝胶额外地提供输水通道，与水凝胶聚合物网络形成连续的水通道。
因此本发明通过将富氧多孔碳分散到水凝胶聚合物网络中形成多孔碳水凝胶太阳能蒸发器，水凝胶网络特性提供连续互通的毛细输水通道、低热通量，富氧多孔碳提供高吸光度以及额外的输水通道，二者协同降焓的同时由连续的水通道在竖直方向盐梯度扩散效果共同提高其蒸发速率和使用寿命。
所述多孔碳水凝胶的制备方法如下：
将4g聚乙烯醇、0.5g脱乙酰葡甘聚糖、0.1g富氧多孔碳、0.52ml戊二醛交联剂加入烧杯并放置超声机中震荡4小时形成均质溶液，随后于70℃烘箱中静置一夜，得到多孔碳水凝胶。
所述富氧多孔碳的制备方法如下：
S1，取100ml浓度为100g/L的小球藻液与33.3ml的甲醇氯化胆碱DES溶液混合，在160℃水热预处理10min，取其固相得到藻渣并将其冷冻干燥；
S2，把冻干藻渣按1:1加入活化剂KOH放入管式炉内，在惰性气体气氛下升温至600℃热解2小时得到藻渣生物碳；
S3，向藻渣生物碳加入适量盐酸洗涤至中性，得到富氧多孔碳。
作为碳基太阳能吸收器的多孔碳，通过提高多孔碳的孔隙率而延长光的传播路径，可以使太阳光更多地在多孔碳内部实现多次反射与再吸收，从而提高太阳能吸收器的吸收性能；同时富含氮氧官能团的天然小球藻在深共熔溶剂处理后，在碳化时可以保留较多的氮氧官能团，从而提高输水性能以及降低水的蒸发焓。
所述脱乙酰葡甘聚糖的制备方法如下：
S1，将30g KGM粉末和200ml 50％乙醇溶液混合，混合悬浮液在50℃下搅拌溶胀30分钟(150r/min)；
S2，再加入Na2CO3溶液在40℃反应24小时，脱乙酰后用乙醇水溶液(50％、75％和95％)洗涤3次去除多余的Na2CO3，最后用无水乙醇洗涤；
S3，在通风橱中蒸发过量的乙醇，然后在40℃下真空干燥6小时，得到粉末状脱乙酰KGM。
天然丰富成本低的葡甘聚糖拥有大量的羟基亲水基团与少量的乙酰基团，在进行脱乙酰基的醇解反应后，将疏水乙酰基替换为亲水性的羟基，在提高水凝胶内部水含量的同时降低水的蒸发焓。
聚乙烯醇作为聚合物网络的骨架，富含羟基且具备多个交联点，与脱乙酰葡甘聚糖进行化学交联后形成强交联网络，二者兼具丰富的羟基可以降低水的蒸发焓，且聚合物网络在蒸发过程中溶胀变化极小从而保证蒸发的连续进行。
多孔碳嵌入多孔互连聚合物交联网络形成一体化的水凝胶太阳能蒸发器：
1)既具备水凝胶的输水性能，又能够捕获太阳能转化为热能；
2)二者都具备降低水蒸发焓的能力，协同形成更强的降焓效果；
3)一体化水凝胶形成的连续水通道与多层次孔隙结构有助于盐离子的竖直向下扩散，确保太阳能蒸发器表面盐离子不结晶，从而使太阳能蒸发器可长效使用。
工作原理：
当太阳光入射到多孔碳水凝胶表面上时，由于丰富的孔隙结构，使得太阳光在表面上进行多次反射，引起更多的碳基分子热振动，充分地捕获太阳光使之转化为热能。由于水凝胶的低热导率，使热能定位在多孔碳周围而不散失至体积水，提高能源利用效率。多孔碳水凝胶周围的水分子由其中的多级孔隙进入凝胶内部，由多孔碳水凝胶内部的毛细效应、亲水基团使水分子从下往上运输，从而保持蒸发界面水分子的连续补充并蒸发。多孔碳由于被聚合物网络包围，聚合物网络的水分子到达多孔碳周围时，自由水直接吸收多孔碳光热转换的热能并蒸发，蒸汽通过多孔碳水凝胶丰富的孔隙运输至大气。
其中水凝胶中聚乙烯醇、脱乙酰葡甘聚糖、富氧多孔碳中丰富的亲水基团，通过与部分水分子结合形成强氢键，从而削弱自由水分子间的氢键，降低水蒸发所需的能量。多孔碳嵌入水凝胶聚合物网络，可以为水凝胶提供更多的输水通道，增加输水速率，水凝胶也使得多孔碳可以稳固嵌入而不易脱落，延长水凝胶太阳能蒸发器使用寿命。形成的多孔碳水凝胶太阳能蒸发器由于其连续的水通道以及多层次的孔隙结构，使其在垂直方向上形成盐浓度梯度，从而促进盐离子吸收和扩散使之放电平衡，确保太阳能蒸发器表面盐离子不结晶，达到耐盐性保持蒸发器蒸发性能。
蒸汽从多孔碳水凝胶透出后，传递到上层亚克力板冷凝界面，凝结于界面上，由于其加涂了疏水涂层，水分子随着斜亚克力板回流到集水装置，实现水资源淡化。
效果：
1)模拟太阳光蒸发实验：制备质量分数为3.5wt％的模拟海水(世界海水平均盐度)，使用太阳光模拟灯模拟一个太阳的光照强度，在预热10分钟后开始测量，记录装置总质量后每隔60分钟进行一次质量测量，计算得其平均蒸发速率为2.74kg/(m2·h)。
2)自然太阳光蒸发实验：将装置安装于贵州大学电气工程学院楼顶，与纯水进行蒸发对比，于2022年5月4日(平均温度24℃、湿度64％，多云)进行蒸发实验，在14:00-17:00进行三个小时蒸发实验后，通过冷凝界面上的蒸汽凝结面积可以直接观察出多孔碳水凝胶蒸发量大大高于纯水，测得多孔碳水凝胶的蒸发速率为0.92kg/(m2·h)，相比纯水的蒸发速率0.29kg/(m2·h)提升约3.2倍。
效益分析：
多孔碳水凝胶通过实际应用、节能减排效益与成本效益三方面效益对比分析。
实际应用：根据上述蒸发速率的测量，并假设每天照射时间为12h，照射强度为一个太阳时，仅需使用0.216m2多孔碳水凝胶太阳能蒸发器即可满足典型三口人家庭的每天饮水需求(女性每天约2.7升，男性每天约3.7升，儿童每天约0.8升)。
经济效益：与传统海水淡化装置对比，多孔碳水凝胶太阳能蒸发器建造成本大大降低，按照饮用水市场价约500元/吨，1m2多孔碳水凝胶材料成本约87.3元，每天在一个太阳下工作12小时可以生产32.88升淡水，价值16.44元，故投资回收期为5-6天，具有极高的经济效益。
表1与传统海水淡化装置对比表
节能减排效益：与传统海水淡化装置对比，多孔碳水凝胶蒸发过程仅消耗太阳能(不计能耗)，且无任何温室气体排放，计算的极小能耗仅用于水泵将水抽入蒸发器内部，生产1m3淡水至少可节约1.61kg的标准煤，减少3.97kg CO2排放，具有极高的节能减排效益。
本系统具有制作成本低、结构维护简单及蒸发效率高等优点，相对传统海水淡化技术而言实现低能耗且减少温室气体排放，具有显著的节能减排效果，是一种兼具社会、经济和生态效益的太阳能海水淡化装置。
以上实施例仅表达了本发明的一种或几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.用于高效太阳能界面蒸发的多孔碳水凝胶，其特征在于，所述多孔碳水凝胶由水凝胶基质和富氧多孔碳构成，所述水凝胶基质由葡甘聚糖和聚乙烯醇形成交联网络结构，富氧多孔碳均匀掺设于水凝胶基质的交联网络结构中；
所述多孔碳水凝胶的交联网络状结构提供有连续互通的毛细输水通道，所述富氧多孔碳提供有额外的输水通道；
所述富氧多孔碳、脱乙酰葡甘聚糖和聚乙烯醇中的亲水基团通过与部分水分子结合形成强氢键从而削弱自由水分子间的氢键，以降低水蒸发所需的能量；
所述富氧多孔碳通过其丰富的孔隙结构吸收水凝胶中的自由水并进行光热转换将其蒸发成水蒸气扩散；
所述蒸发器中的输水通道在垂直方向上形成盐浓度梯度。
2.根据权利要求1所述的用于高效太阳能界面蒸发的多孔碳水凝胶，其特征在于，所述富氧多孔碳的制备方法如下：
S1，取100ml浓度为100g/L的小球藻液与33.3ml的甲醇氯化胆碱DES溶液混合，在160℃水热预处理10min，取其固相得到藻渣并将其冷冻干燥；
S2，把冻干藻渣按1:1加入活化剂KOH放入管式炉内，在惰性气体气氛下升温至600℃热解2小时得到藻渣生物碳；
S3，向藻渣生物碳加入适量盐酸洗涤至中性，得到富氧多孔碳。
3.根据权利要求1所述的用于高效太阳能界面蒸发的多孔碳水凝胶，其特征在于，所述脱乙酰葡甘聚糖的制备方法如下：
S1，将30gKGM粉末和200ml50％乙醇溶液混合，混合悬浮液在50℃下搅拌溶胀30分钟(150r/min)；
S2，再加入Na2CO3溶液在40℃反应24小时，脱乙酰后用乙醇水溶液(50％、75％和95％)洗涤3次去除多余的Na2CO3，最后用无水乙醇洗涤；
S3，在通风橱中蒸发过量的乙醇，然后在40℃下真空干燥6小时，得到粉末状脱乙酰KGM。
4.根据权利要求1所述的用于高效太阳能界面蒸发的多孔碳水凝胶，其特征在于，所述多孔碳水凝胶的制备方法如下：
将4g聚乙烯醇、0.5g脱乙酰葡甘聚糖、0.1g富氧多孔碳、0.52ml戊二醛交联剂加入烧杯并放置超声机中震荡4小时形成均质溶液，随后于70℃烘箱中静置一夜，得到多孔碳水凝胶。
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| CN118684296A (zh) * | 2024-08-23 | 2024-09-24 | 青岛理工大学 | 一种浒苔多糖水凝胶蒸发器、制备方法及应用 |
| CN118771411A (zh) * | 2024-09-06 | 2024-10-15 | 山东昌邑海能化学有限责任公司 | 一种氢氧化钾的制备方法 |
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