CN110746657A - 一种复合生物质气凝胶光热转换材料的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合生物质气凝胶光热转换材料的制备方法，将废弃的生物质材料回收利用，通过碳化、研磨和过筛后与壳聚糖溶液混合制备光热转换气凝胶复合材料，制备工艺简单，成本低廉，得到的材料无毒、可降解、绿色环保，具有高效的太阳能蒸汽效率，满足当今可持续发展的要求，可用于海水淡化和污水处理，具有广泛应用前景。

Description

一种复合生物质气凝胶光热转换材料的制备方法及其应用
技术领域：
本发明涉及太阳能光热转换技术领域，具体涉及一种复合生物质气凝胶光热转换材料的制备方法及其应用。
背景技术：
目前为了解决日益匮乏的能源危机，人类提出了可持续发展战略，寻求可再生、绿色环保的能源而聚焦到了太阳能、风能、潮汐和地热等各种形式的能源开中；目前太阳能光热转换材料的研究成为热点，利用光热转换材料将太阳能转化为热能局部加热水体，获取可饮用的淡水具有十分可观的应用前景；水资源在地球上的总储量为14亿立方千米，然而淡水资源储量仅仅占总储量的2.53％，而且其中的68.7％又属于固体冰川，分布在难以利用的高山和南、北两极地区，还有一部分淡水埋藏于地下很深的地方，很难进行开采，加上随着人类社会不断的现代化进程，宝贵的淡水资源受到污染，留给人类的淡水资源十分有限，这制约着人类生存和发展。
所以光热转换材料的研究十分契合时代需求，目前研究的光热材料主要有贵金属纳米颗粒、碳基纳米材料、一些黑纳米半导体和一些具有对于可见光具有良好吸收能力的高分子材料；然而大多数光热转换材料的合成方法复杂、成本高昂、副产物和本身对环境有害制约了其广泛应用。
发明内容：
本发明的目的是提供一种复合生物质气凝胶光热转换材料的制备方法，将废弃的生物质材料回收利用，通过碳化、研磨和过筛后与壳聚糖复合制备复合生物质气凝胶光热转换材料，制备工艺简单，成本低廉，得到的材料无毒、可降解、绿色环保，具有高效的太阳能蒸汽效率，满足当今可持续发展的要求，可用于海水淡化和污水处理，具有广泛应用前景。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种复合生物质气凝胶光热转换材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
1)将废弃的生物质材料60～100℃烘干处理后，300～900℃进行碳化、研磨后过120目筛，得到生物质碳粉末；
2)将壳聚糖粉末溶于2wt％乙酸溶液制备1～2wt％的壳聚糖溶液；
3)将步骤1)得到的生物质碳粉末和步骤2)得到的壳聚糖溶液二者按质量比1：10～40混合置于冷冻干燥机内进行冷冻干燥或者超临界干燥30～40h，制备生物质气凝胶；然后通过0.1～0.5mol/L的氨水或者NaOH溶液中和固化后，用去离子水清洗至中性，即制得复合生物质气凝胶光热转换材料。
步骤1)所述生物质材料选自柚子皮、椰子壳、香蕉皮、西瓜皮等果皮、植物的根、茎、叶、种子、果实中的任一种。
特别地，当所述生物质材料选自柚子皮时，步骤1)优选为：将废弃柚子皮放入鼓风干燥箱内60～100℃恒温干燥，称取5～10g干燥的柚子皮置于真空管式炉中，通入氮气作为保护气体，流速为20sccm，分别以500～900℃温度碳化柚子皮，升温速率为1～5℃/min，保温3～5h；分别将不同碳化温度的碳化柚子皮经玛瑙研钵研磨，用120目(125μm)不锈钢筛网过筛。
本发明还保护所述复合生物质气凝胶光热转换材料的应用，用于海水淡化和污水处理。
本发明的有益效果如下：
1.本发明成本低廉，原材料广泛，制备工艺简单，可大规模生产，有望工业化生产。
2.本发明获得的复合生物质气凝胶光热转换材料为双层，具有良好的亲水性，通过生物质碳粉层进行高效的光热转换达到局部集热效果，表面无序多孔结构利于水蒸气的逃逸，多级结构增加光的多重散射，利于光的吸收；壳聚糖气凝胶层起到隔热和保证充足的水供应，实现高效的水蒸发。
3.本发明获得的复合生物质气凝胶光热转换材料具有良好的吸光性能，对250～2500nm范围内太阳光吸收率达到90％以上。
4.本发明获得的复合生物质气凝胶光热转换材料在1kW m-2太阳光强下，光热蒸汽效率最高可达90.4％。
5.本发明获得的复合生物质气凝胶光热转换材料可用于污水处理和海水淡化等。
总之，本发明将废弃的生物质材料回收利用，通过碳化、研磨和过筛后与壳聚糖复合制备复合生物质气凝胶光热转换材料，成本低廉，原材料广泛，制备工艺简单，可大规模生产，获得的双层复合生物质气凝胶光热转换材料无毒、可降解、绿色环保，具有良好的亲水性，通过生物质碳粉层进行高效的光热转换达到局部集热效果，表面无序多孔结构利于水蒸气的逃逸，多级结构增加光的多重散射，利于光的吸收；壳聚糖气凝胶层起到隔热和保证充足的水供应，实现高效的水蒸发；对250～2500nm范围内太阳光吸收率达到90％以上，在1kW m-2太阳光强下，光热蒸汽效率最高可达90.4％，满足当今可持续发展的要求，可用于污水处理和海水淡化，具有广泛应用前景。
附图说明：
图1是实施例1得到的复合生物质气凝胶光热转换材料的微观结构扫描电镜图；
图2是实施例1得到的复合生物质气凝胶光热转换材料的紫外/可见/近红外吸收光谱图；
图3是实施例2得到的复合生物质气凝胶光热转换材料的微观结构扫描电镜图；
图4是实施例2得到的复合生物质气凝胶光热转换材料的紫外/可见/近红外吸收光谱图；
图5是实施例3得到的复合生物质气凝胶光热转换材料的微观结构扫描电镜图；
图6是实施例3得到的复合生物质气凝胶光热转换材料的紫外/可见/近红外吸收光谱图；
图7是实施例4得到的复合生物质气凝胶光热转换材料的微观结构扫描电镜图；
图8是实施例4得到的复合生物质气凝胶光热转换材料的紫外/可见/近红外吸收光谱图；
图9是实施例5的自制蒸汽测试装置剖面示意图；
其中，1、聚乙烯泡沫层，2、储水容器，3、无尘纤维纸，4、凹槽；
图10为实施例6对于实施例3得到的复合生物质气凝胶光热转换材料在1kWm-2光强下，用3.5wt％NaCl溶液模拟海水淡化蒸发速率图。
具体实施方式：
以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：300℃碳化柚子皮粉末与壳聚糖复合
一种复合生物质气凝胶光热转换材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
1)先将废弃的柚子皮放入鼓风干燥箱内60～100℃恒温干燥，称取5～10g干燥的柚子皮置于真空管式炉中，通入氮气作为保护气体，流速为20sccm，以300℃温度碳化柚子皮，升温速率为1～5℃/min，保温3～5h；将碳化柚子皮经玛瑙研钵研磨，用120目(125μm)不锈钢筛网过筛得到生物质碳粉末；
2)将4.5g壳聚糖粉末倒入2wt％的300ml乙酸溶液中，置于磁力搅拌机搅拌制备1.5wt％的壳聚糖溶液；
3)将步骤1)得到的生物质碳粉末0.1克和步骤2)得到的溶液二者按质量比1：20混合，搅拌均匀后置于冷冻干燥机内进行冷冻干燥，制备生物质气凝胶；通过0.1～0.5mol/L的氨水或者NaOH溶液中和固化2h后，反复用去离子水清洗至中性，即制得复合生物质气凝胶光热转换材料,移入有去离子水的培养皿中储存。冷冻干燥机操作设置如下：
1)“Freezing”步骤参数为-48℃温度下预冻5h；
2)“Freezing+warm Up”步骤预热机械泵腔体温度-48℃，15min；
3)“Main-Drying”步骤下腔体温度-48℃，真空度0.04mbar干燥23h；
4)“Final-Drying”步骤下腔体温度+25℃，真空度0.630mbar干燥2h。
制备的复合生物质气凝胶光热转换材料可以看到明显的分层现象，吸光层为无序的生物质碳化粉末自组装的多孔结构和多级结构，壳聚糖层为有序的三维蜂窝状多孔结构(如图1)，复合生物质气凝胶光热转换材料在250～2500nm范围内太阳光吸收率为91.29％(如图2所示)。
实施例2：
参考实施例1，不同之处在于步骤1)碳化温度为500℃。
制备的复合生物质气凝胶光热转换材料可以看到明显的分层现象，吸光层为无序的生物质碳化粉末自组装的多孔结构和多级结构，且碳粉颗粒内部保留植物的孔道结构利于水蒸气的逃逸，壳聚糖层为有序的三维蜂窝状多孔结构(如图3)，复合气凝胶在250～2500nm范围内太阳光吸收率为96.26％(如图4所示)。
实施例3：
参考实施例1，不同之处在于步骤1)碳化温度为700℃。
制备的复合生物质气凝胶光热转换材料可以看到明显的分层现象，吸光层为无序的生物质碳化粉末其内部保留植物原有的管道，为三维蜂窝状多孔结构，壳聚糖层为有序的三维蜂窝状多孔结构(如图5)，复合气凝胶在250～2500nm范围内太阳光吸收率为95.42％(如图6所示)。
实施例4：
参考实施例1，不同之处在于步骤1)碳化温度为900℃。
制备的复合生物质气凝胶光热转换材料可以看到明显的分层现象，吸光层为无序的生物质碳化粉末其内部保留植物原有的管道，为三维蜂窝状多孔结构，壳聚糖层为有序的三维蜂窝状多孔结构(如图7)，复合气凝胶在250～2500nm范围内太阳光吸收率为95.99％(如图8所示)。
实施例5：蒸汽产生实验：
本发明实施例1-4得到的复合生物质气凝胶光热转换材料，置于自制的实验装置(参见图9)的凹槽中进行光热蒸汽测试，产生一定的蒸汽。如图9所示，所述实验装置包括盛有水的储水容器2、储水容器2周围包裹的作为隔热层的聚乙烯泡沫层1和作为输水通道的无尘纤维纸3，此外还包括聚乙烯泡沫层顶端的用来放置复合生物质气凝胶光热转换材料的凹槽4，所述无尘纤维纸3的下端浸没在储水容器2的水中，上端贯穿聚乙烯泡沫层1连接凹槽4中复合生物质气凝胶光热转换材料构建二维的水通道。
具体实验条件如下：
蒸汽液体为40ml的去离子水，由模拟太阳光光源经过AM1.5滤光片滤光后光强为1kW m-2，湿度为50±2％温度为25±1℃实验室环境下光照1h。
蒸汽产生速率见表1。
表1.蒸汽产生实验数据
Figure BDA0001739552870000071
实施例6：模拟海水淡化实验：
本发明实施例3得到的复合生物质气凝胶光热转换材料，置于自制的实验装置的凹槽(如图9)中进行光热蒸汽测试，产生一定的蒸汽。
具体实验条件如下：
蒸汽液体为40ml的3.5wt％NaCl溶液，由模拟太阳光光源经过AM1.5滤光片滤光后光强为1kWm-2，湿度为50±2％温度为25±1℃实验室环境下光照1h。
如实施例3所述，复合生物质气凝胶光热转换材料具有良好的太阳光吸收能力和三维多孔结构，使得该生物质复合水凝胶获得优异的模拟海水蒸汽产生速率，如图10所示，蒸汽速率在15min达到稳定，并获得1.39kgm-2h-1蒸发速率，可用于海水淡化。

Claims (5)

1.一种复合生物质气凝胶光热转换材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将废弃的生物质材料60～100℃烘干处理后，300～900℃进行碳化、研磨后过120目筛，得到生物质碳粉末；
2)将壳聚糖粉末溶于2wt％乙酸溶液制备1～2wt％的壳聚糖溶液；
3)将步骤1)得到的生物质碳粉末和步骤2)得到的壳聚糖溶液二者按质量比1：10～40混合置于冷冻干燥机内进行冷冻干燥或者超临界干燥30～40h，制备生物质气凝胶；然后通过0.1～0.5mol/L的氨水或者NaOH溶液中和固化后，用去离子水清洗至中性，即制得复合生物质气凝胶光热转换材料。
2.根据权利要求1所述的复合生物质气凝胶光热转换材料的制备方法，其特征在于，步骤1)所述生物质材料选自植物的根、茎、叶、种子、果皮和果实中的任一种。
3.根据权利要求2所述的复合生物质气凝胶光热转换材料的制备方法，其特征在于，果皮选自柚子皮、椰子壳、香蕉皮、西瓜皮中的任一种。
4.根据权利要求1所述的复合生物质气凝胶光热转换材料的制备方法，其特征在于，当所述生物质材料选自柚子皮时，步骤1)为：将废弃柚子皮放入鼓风干燥箱内60～100℃恒温干燥，称取5～10g干燥的柚子皮置于真空管式炉中，通入氮气作为保护气体，流速为20sccm，分别以500～900℃温度碳化柚子皮，升温速率为1～5℃/min，保温3～5h；分别将不同碳化温度的碳化柚子皮经玛瑙研钵研磨，用120目不锈钢筛网过筛。
5.权利要求1得到的复合生物质气凝胶光热转换材料的应用，其特征在于，用于海水淡化和污水处理。
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