CN108408813B - 一种光-热-蒸汽转化材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种光‑热‑蒸汽转化材料及其制备方法，包括以下步骤：吸水材料的选择：选择多孔、高吸水、质轻的衬底材料，对衬底材料进行清洗，清洗后备用；碳黑光热转化涂层的碳黑的制备：燃烧高碳有机物，取耐火材料将其水平放置在高碳有机物的上方，收集燃烧生成的碳黑颗粒，收集完成后将耐火材料冷却；碳黑颗粒的转移：擦拭耐火材料具有碳黑涂层表面，转移到吸水材料表面，碳黑使吸水材料的表面完全被碳黑颗粒覆盖为止。本发明制成的海水淡化或其他废水淡化简易***操作简单，材料廉价易取，不需要消耗任何电能，且其稳定性十分良好，适合大面积低成本制备。

Description

一种光-热-蒸汽转化材料及其制备方法

技术领域

本发明属于海水淡化技术领域，具体涉及一种用于海水淡化的一种光-热-蒸汽转化材料及其制备方法。

背景技术

近年来随着社会人口的增长，人均淡水资源占有量大幅度下降，如何获取大量的淡水逐渐成为一个亟待解决的热点问题。然而，在当前的工业应用中，通过燃煤等方式产热加热装有海水的蒸汽机产生水蒸气的方法显得不太实际，因为煤炭的燃烧产生的空气污染以及能源消耗量与当下日趋节能环保的工业发展模式相背离。

而太阳能驱动水蒸发的方法无疑为解决这个问题提供了一个有发展前途的关键点。在地球上有97％以上的水资源是海水，如果能够通过太阳能驱动水蒸发将这些水资源加以利用，通过太阳能将淡水与盐分离，这无疑能够从根本上解决淡水短缺的问题。尤其是在当今的世界正面临着能源，环境，淡水的三重困境的当下，利用太阳能驱动水蒸发是一个完全符合时代需求的重要方向。

通过使用太阳能进行海水蒸发制备淡水的装置在很早就已经被提出，最原始海水淡化装置需要配备反射镜以及蒸发塔。反射镜以一定的角度将太阳光进行收集并反射到装有海水的蒸汽塔中，海水受热产生水蒸气，经过进一步冷凝后形成淡水。但是，这一类的旧式装置由于需要大量的反射镜来收集阳光，不仅需要耗费大量成本购置镜面，而且需要很大的空间放置该装置。而且需要指出的是，这类装置的太阳能转化效率极其低下，最主要的原因是镜面收集的阳光投射到蒸汽塔的外部转化成热能时导致了大量的热量损耗。虽然这类装置的实用性较低，但是这些最原始的装置为我们提供了一个使用太阳能制备淡水的全新的方向。

要解决淡水短缺的问题，既然旧式的太阳能光热转化装置的转化效率以及庞大的装置费用明显不符合需求，那么精简其水蒸发的构架和寻找高效的涂层材料显得越来越重要。

随着时间的推移，初始的集热装置进行了一系列的改进和发展，如将集热装置改进为真空管，或通过添加有色的镀层材料在真空管的表面来增强太阳能的吸收率，其表面镀层材料的发展也经历了从非选择性的黑漆到有选择性的金属氧化物涂料的历程。

如何进一步提高太阳能光热转化的效率，重点在于怎么保持最大限度地收集太阳能的同时尽可能地减少其对流和辐射带来的热量损失。而近年来科学家设想将等离子体材料运用于高效驱动水蒸发的装置中，通过等离子体材料的等离子振荡效应，将投射到该涂层上的太阳能辐射最大限度地采集和吸收，并转化成为热能传递到海水中进而形成水蒸气。这类新型的太阳能驱动的水蒸气产生***被称为Plasmonic solar-driven steamgeneration system(简称PSSG***)，PSSG***仅在少量的光照下就能快速的进行水蒸发，而水蒸气脱离液相后经收集即可得到纯净的蒸馏水，能够有效地将盐分和水分分离开来。该新型***将旧式的集热装置以及导热蒸发装置进行了集合，减少了热量的损失，基于该***的研究目前已经取得了部分成效。

目前的PSSG***可分为两类，一类是悬浮***(suspending solar-driven steamgeneration system)，即是将等离子材料颗粒如金，银的小颗粒直接均匀地分布在水中；另外一类是飘浮***(floating solar-driven steam generation system)即等离子材料分布在液相和气相的界面上。

最早，在悬浮***上Halas等人提出了使用SiO₂·Au核壳结构作为光热转化层的装置在一个太阳的光照强度下(1000W·m^-2)仅获得了24％的效率，随后Deng等人提出的纳米金和聚苯乙烯混合体系中在35.36W·m^-2光照强度下提高到了58.9％的效率。

在漂浮体系中Bae等人使用黑色的金颗粒薄膜在一个太阳强度下获得了24％的效率，Deng等人制备的金纳米薄膜在10.18W·m^-2的光照强度下获得了44％的效率。

这些较早PSSG***都有存在一定的不足，最主要的是这些方法都需要大量的贵金属作为原材料，因此造价十分昂贵，很难以大规模地制备，因此在推广使用上形成了很大的阻碍。因此如何廉价的、大范围地制备一种光热转化***成为了目前一个重要的研究方向。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种上述制备方法制成的光-热-蒸汽转化材料，此转化材料的光热转化效率高，且制造成本低廉。

本发明的第二个目的在于提供一种用于海水淡化的光-热-蒸汽转化材料的制备方法，此方法基于高吸水多孔材料的强吸水能力，以及物理转移来制备的高效光-热-蒸汽转化材料。

本发明一种光-热-蒸汽转化材料，包括衬底吸收层和在衬底吸收层表面的光热转化层；所述衬底吸收层为多孔、吸水的材料；所述光热转化层为由高碳有机物不完全燃烧生成的微米级的碳黑颗粒组成的涂层。

所述衬底吸收层选用PVA、海绵、或气凝胶。

本发明的原理是：高碳有机化合物不充分燃烧时会产生细小的碳黑颗粒，使用耐火材料对其进行收集后，使用涂抹法转移到载体PVA等的表面进行耦合形成黑色的吸光涂层。

本发明的上述目的是通过如下技术方案来实现的：一种用于海水淡化的光-热-蒸汽转化材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)衬底材料的清洗：选择多孔、吸水的衬底材料，对衬底材料进行清洗，清洗后备用；

(2)碳黑转移板的制作：点燃高碳有机物，取一块耐火材料将其水平放置在高碳有机物的上方，收集燃烧生成的碳黑颗粒，收集完成后将耐火材料冷却；

(3)碳黑颗粒的转移：将耐火材料与衬底材料接触，摩擦使耐火材料上的碳黑黑颗粒转移至衬底材料上，使衬底材料的表面完全被碳黑颗粒覆盖为止，形成吸水的衬底材料和在衬底材料表面的具有光热转化性能的涂层。

优选的，所述步骤(1)的清洗为：对衬底材料依次使用去离子水、无水乙醇、去离子水清洗。

优选的，所述步骤(2)为：点燃高碳有机物，取一块耐火材料将其水平放置与火焰内焰中或火焰上方，将耐火材料水平移动，使燃烧生成的碳黑颗粒附着与耐火材料中，收集燃烧生成的碳黑颗粒，收集完成后将耐火材料附着碳黑颗粒的一面向上放置冷却。

优选的，所述耐火材料为玻璃片、钢、铝、或陶瓷。

优选的，所述步骤(3)将耐火材料上的碳黑颗粒转移至衬底材料采用涂抹法。

优选的，将衬底材料附着碳黑颗粒的一面向上放置，干燥6-8h；或将耐火材料置入70-90℃的烘箱中恒温15-20mi n。

优选的，所述高碳有机物包括蜡烛、C≥6的烷烃、烯烃、炔烃、苯和苯的同系物、或其他碳含量≥75％的有机物。

本发明具有如下优点：

(1)本发明所使用的吸水材料吸水性强、来源广泛，成本低廉。

(2)本发明的吸光涂层为微米级的熏制碳黑颗粒，廉价、稳定而且操作简单，可以实现长期高效工作。

(3)本发明制备流程简单易推广，工业上容易实现的大面积生产。

(4)本发明总的太阳能驱动水蒸气产生效率高，且无需电力，具有很高的性价比优势。

附图说明

图1是本发明所制作的太阳能驱动水蒸发的工作原理图。

图2是本发明基于物理转移方法制备光热转化涂层的的制备流程图。

图3为本发明实施例1中衬底材料PVA干态下放大2500倍的扫描电子显微镜(SEM)图片；

图4为本发明实施例1中衬底材料PVA表面耦合碳黑颗粒后干态下放大2500倍的扫描电子显微镜(SEM)图片；

图5为为本发明实施例1中干态下PVA与表面耦合碳黑颗粒后的PVA的实物图；

图6为本发明实施例1中表面耦合碳黑颗粒后的PVA在模拟自然光条件下(1000W·m^-2)的0min，10min，30min，60min的红外摄像；

图7为本发明实施例1中表面耦合碳黑颗粒，碳黑纳米管，氧化石墨烯以及无耦合的PVA在模拟自然光条件下(1000W·m^-2)各自在3600s内水的质量发生的变化示意图。

具体实施方式

下面提供具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明的太阳能驱动水蒸发的工作原理如图1所示，吸收层将海水吸收至本发明制备的具有光热转化功能涂层的转化层中，转化层吸收太阳能转化为热能使得转化层中的海水中的水分蒸发，产生水蒸气；将产生的水蒸气收集即为海水经淡化后的淡水。同理，也可以用于对一些废水进行洁净淡水回收。

本发明的基于物理转移来制备光热转化涂层的流程如图2所示，左上角顺时针顺序分别是表明：将耐火材料放置于高碳有机物火焰中或上方，高碳有机物不完全燃烧产生的碳黑颗粒黑烟转移到耐火材料上，形成黑色的碳黑转移板。然后将碳黑颗粒涂抹到湿润的衬底上，干燥后即可得到耦合的炭黑-衬底材料。

实施例1

本实施例的制备方法如图2所示，图示其中包含两个步骤，分别是碳黑转移板的制作以及碳黑与衬底材料PVA的耦合。耦合前后的干态样品实物图如图5，放大2500倍的微观结构如图3，图4。本实施例1将对运用此发明制备高效太阳能驱动水蒸发的方法进行叙述。

本实施例以PVA作为衬底材料，蜡烛作为高碳有机物燃烧提供碳黑颗粒，玻璃片作为耐火材料，包括五个步骤：(1)衬底材料PVA的清洗；(2)碳黑转移板的制作；(3)碳黑粉的转移；(4)干燥；(5)水蒸发测试。

各步骤的详细过程如下：

(一)衬底材料PVA的清洗

由于工业生产的PVA材料中通常会存在有机杂质残留，所以需要进行清洗，清洗后可保证其内部的三维多孔结构间的输运水的能力保持良好，减少由于堵塞引起的输水能力不足。

详细清洗衬底材料PVA的步骤如下：

(1)使用去离子水将干态PVA淋洗至完全湿润状态后挤压脱水；

(2)在烧杯中加入无水乙醇，将已湿润的PVA置入其中，用镊子反复挤压PVA材料，取出后挤压除去多余的无水乙醇；

(3)将PVA用去离子水淋洗后挤出水分，重复2-3遍，将样品放置于培养皿上备用。

(二)碳黑转移板的制作

本实施例的碳黑来源选用蜡烛不完全燃烧时产生的碳黑颗粒。点燃蜡烛，用镊子将洁净的玻璃片覆压于蜡烛内焰处，蜡烛因氧气不足产生带有碳黑颗粒的黑烟。来回移动玻璃片直至玻璃片上附着碳黑颗粒后完全变黑，将熏制的玻璃板附着有碳黑颗粒的一面向上置于台面上，静置2-3mi n使碳黑转移板完全冷却。

(三)碳黑颗粒的转移

用镊子将玻璃片带有碳黑颗粒的一面直接涂抹于PVA衬底上，使PVA衬底其中的一个表面完全覆盖黑色的碳黑颗粒。

(四)干燥

将PVA衬底与碳黑颗粒的耦合面朝上放置于空气中，待其自然干燥6-8h，转移前后的干态样品实物如图5所示。

(五)水蒸发测试

将干燥的样品组装成水蒸发***，如图1所示。置于模拟同等太阳光强度(1000W·m^-2)的氙光灯下照射，进行水蒸发实验，光照下碳黑颗粒耦合的PVA表面温度明显升高，随时间变化的表面温度红外摄像图片如图6。该装置表面在太阳光强度(1000W·m^-2)的氙光灯下照射条件下能形成肉眼可见的水蒸气。

利用这种碳黑粉转移的方法制备出了高效的光-热-蒸汽转化材料，其制备出得样品的效率可比肩碳黑纳米管和氧化石墨烯悬涂的同衬底PVA，效率比较如图7所示。

实施例2

本实施例的制备方法如图2所示，图示其中包含两个步骤，分别是碳黑转移板的制作以及碳黑与衬底材料PVA的耦合。本实施例1将对运用此发明制备高效太阳能驱动水蒸发的方法进行叙述。

本实施例以PVA作为衬底材料，苯作为高碳有机物燃烧提供碳黑颗粒，玻璃片作为耐火材料，包括四个步骤：(1)衬底材料PVA的清洗；(2)碳黑转移板的制作；(3)碳黑颗粒的转移；(4)干燥；(5)水蒸发实验。

(一)衬底材料PVA的清洗

与实施例1相同，由于工业生产的PVA材料中通常会存在有机杂质残留，所以需要进行清洗，清洗步骤与实施例1相同。

(二)碳黑转移板的制作

本实施例的碳黑来源为苯不完全燃烧时产生的碳黑颗粒。取一根粉笔，将粉笔垂直***苯中，待粉笔通过毛细作用吸附满苯后将其点燃。用镊子将洁净的玻璃片置于苯的火焰内焰处，或火焰较大内、外焰区分不明显时放置于火焰的上方。来回移动玻璃片直至玻璃片完全变黑，将熏制的玻璃板倒置于台面上，静置2-3mi n使碳黑转移板完全冷却；

由于苯分子内含有“π”键，含碳黑量高，故燃烧难以充分，会产生大量带有碳黑颗粒黑烟；相比于使用蜡烛，改用苯燃烧制取更容易获得含有大量碳黑颗粒的转移板；当用于大面积碳黑转移板的制备时，使用苯效果优于蜡烛。

(三)碳黑颗粒的转移

用镊子将碳黑转移板带有碳黑颗粒的一面直接涂抹于PVA衬底上，使表面完全覆盖黑色的碳黑颗粒。

(四)干燥

将PVA与碳黑颗粒的耦合面朝上放置于空气中，待其自然干燥6-8h。

实施例3

本实施例以海绵作为衬底材料，乙烯作为高碳有机物燃烧提供碳黑颗粒，陶瓷片作为耐火材料，包括四个步骤：(1)衬底材料海绵的清洗；(2)碳黑转移板的制作；(3)碳黑颗粒的转移；(4)干燥。

(一)衬底材料海绵的清洗

海绵分为合成海绵和天然海绵，若为合成海绵与实施例1相同，由于工业生产的合成海绵材料中通常会存在有机杂质残留；若为天然海绵，打捞出水后经过运输、包装等工艺不可避免的会残留有细小灰尘等杂余物；所以需要进行清洗，清洗步骤与实施例1相同。

(二)碳黑转移板的制作

本实施例的碳黑来源为乙烯不完全燃烧时产生的碳黑颗粒。由于乙烯在通常环境下为气体，需要使用窄口的容器装有乙烯后点燃乙烯。然后用镊子将洁净的陶瓷片置于火焰内焰位置或火焰上方，来回移动陶瓷片直至陶瓷片完全变黑，将熏制的陶瓷片倒置于台面上，静置2-3mi n使碳黑转移板完全冷却；

同样的，由于乙烯分子内存在“C＝C”键，含碳黑量高，难以充分燃烧，会产生大量带有碳黑颗粒黑烟；相比于使用蜡烛，改用乙烯燃烧制取更容易获得含有大量碳黑颗粒的转移板。

(三)碳黑颗粒的转移

用镊子将陶瓷片带有碳黑颗粒的面直接涂抹于海绵衬底上，使表面完全覆盖黑色的碳黑颗粒。

(四)干燥

将海绵与碳黑颗粒耦合的一面朝上放置于空气中，待其自然干燥6-8h。

实施例4

本实施例以吸水的气凝胶作为衬底材料，间二甲苯作为高碳有机物燃烧提供碳黑颗粒，铝片作为耐火材料，包括四个步骤：(1)衬底材料的清洗；(2)碳黑转移板的制作；(3)碳黑的转移；(4)干燥。

(一)衬底材料的清洗

由于工业生产的气凝胶材料中通常会存在有机杂质残留，所以需要进行清洗，清洗步骤与实施例1相同。

(二)碳黑转移板的制作

本实施例的碳黑来源为间二甲苯不完全燃烧时产生的碳黑颗粒。取一根粉笔，将粉笔垂直***间二甲苯中，待粉笔通过毛细作用吸附慢间二甲苯后将其点燃。然后用镊子将洁净的铝片置于火焰内焰位置或火焰上方，来回移动铝片直至铝片完全变黑，将熏制的铝片倒置于台面上，静置2-3mi n使铝片完全冷却；

同样的，由于间二甲苯分子内存在“π”键，含碳黑量高，难以充分燃烧，会产生大量带有碳黑颗粒的黑烟；相比于使用蜡烛，改用间二甲苯燃烧制取更容易获得含有大量碳黑颗粒的转移板。

(三)碳黑颗粒的转移

用镊子将铝片带有碳黑颗粒的面直接涂抹于海绵衬底上，使表面完全覆盖黑色的碳黑粉颗粒。

(四)干燥

将样品碳黑粉耦合面朝上放置于空气中，待其自然干燥6-8h。

如图7所示，使用氧化石墨烯，碳黑纳米管材料制备吸光层的***，虽然效率较高，但成本相对昂贵。而通过基于物理转移方法制备光热转化涂层的方法利用蜡烛不完全燃烧产生的碳黑颗粒作为吸光层，能够达到与氧化石墨烯，碳纳米管一样的效率的同时，有着工艺简单，流程少，造价低廉，易于产业化等的明显优点。同时碳黑颗粒的来源广泛，可通过各种高碳有机物不完全燃烧获得，因此可不需考虑其稳定性高低所带来的后续维护带来的成本的问题、

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，例如制作制备样品的的衬底除了使用PVA、海绵外，还可以采用其他廉价的多孔吸水材料，只需满足在形状上具有多孔材质，用于制备碳黑转移板的燃烧材料除了蜡烛，苯外，还可以选用其他的可燃高碳有机物，如较长链的烷烃、烯烃、炔烃等具有较高碳含量的有机物。碳黑转移板除了玻璃片、陶瓷片外，还可以选用如铝片、铁片、不锈钢片等耐火材料，只要耐火度满足即可。

其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种光-热-蒸汽转化材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）衬底吸收层材料的清洗：选择多孔、吸水的材料作为衬底材料，对其进行清洗，清洗后备用；

(2) 碳黑转移板的制作：燃烧高碳有机物，取一块耐火材料将其水平放置在高碳有机物的上方，收集燃烧生成的碳黑颗粒，收集完成后将耐火材料冷却；

(3) 碳黑颗粒的转移：将耐火材料与衬底材料接触，摩擦使耐火材料上的碳黑颗粒转移至衬底材料上，使衬底材料的表面完全被碳黑颗粒覆盖为止，形成吸水的衬底材料和在衬底材料表面的具有光热转化性能的涂层。

2.根据权利要求1所述的光-热-蒸汽转化材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）的清洗为：对衬底材料依次使用去离子水、无水乙醇、去离子水进行清洗。

3.根据权利要求1所述的光-热-蒸汽转化材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）具体处理为：燃烧高碳有机物，取一块耐火材料将其水平放置于火焰内焰中或火焰上方，将耐火材料水平移动，使燃烧生成的碳黑颗粒附着于耐火材料中，收集燃烧生成的碳黑颗粒，收集完成后将耐火材料附着碳黑颗粒的一面向上放置冷却。

4.根据权利要求1或3所述的光-热-蒸汽转化材料的制备方法，其特征在于：所述耐火材料选用玻璃片、钢、铝、或陶瓷。

5.根据权利要求1所述的光-热-蒸汽转化材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）将耐火材料上的碳黑颗粒转移至衬底材料采用擦拭法。

6.根据权利要求1所述的光-热-蒸汽转化材料的制备方法，其特征在于：将衬底材料附着碳黑颗粒的一面向上放置，干燥6-8h；或将耐火材料置入70-90℃的烘箱中恒温15-20min。

7.根据权利要求1或3任一所述的光-热-蒸汽转化材料的制备方法，其特征在于：所述高碳有机物包括蜡烛、C≥6的烷烃、烯烃、炔烃、苯和苯的同系物、或其他碳含量≥75%的有机物。

8.一种由权利要求1-7任一项所述的光-热-蒸汽转化材料的制备方法制成的光-热-蒸汽转化材料，其特征在于：包括衬底吸收层和在衬底吸收层表面的光热转化层；

所述衬底吸收层为多孔、吸水的材料；所述光热转化层为由高碳有机物不完全燃烧生成的微米级的碳黑颗粒组成的涂层。

9.根据权利要求8所述的光-热-蒸汽转化材料，其特征在于：所述衬底吸收层选用PVA、海绵、或气凝胶。

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