CN110791256A - 一种生物质复合蓄热材料及其制备方法 - Google Patents

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周俊虎
刘树刚
张永亮
文光旭
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Abstract

本发明提供一种生物质复合蓄热材料，其特征在于：包括相变材料和载体基质，相变材料填充于载体基质的空隙内，其中所述相变材料为熔点为55～65℃的石蜡，载体基质为生物质材料经过预处理后得到的多孔生物质碳材料。该蓄热材料通过下述步骤制备：1)生物质材料经加热干燥、破碎得到生物质粉末；2)生物质粉末经酸碱解离处理，干燥后进行加热活化，得到载体基质；3)载体基质石蜡混合，经真空处理将石蜡填充于载体基质的空隙内，冷却得到复合蓄热材料。该材料能减少农业生物废物污染环境同时实现资源回收再利用，且制备过程简单，成本低廉。

Description

一种生物质复合蓄热材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及新材料和能源再生利用领域，尤其涉及一种利用生物质材料与石蜡制备复合相变型蓄热材料的方法。
背景技术
面对资源约束趋紧、环境污染严重的严峻形势，高效清洁的新能源利用，生物废弃物的循环再利用等领域的研究显得尤为迫切，应运而生的蓄热技术的研究是近年来清洁能源高效利用和资源节约、环境保护重要技术手段。相变材料(PCM-Phase Change Material)则是近年来常用的一种蓄热技术。
相变材料是指温度不变的情况下而改变物质状态并能提供潜热的物质。转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。由于具有相变蓄热的特性，目前相变材料广泛应用于航空、建筑、制冷、通讯、电力等行业。
石蜡是一种很稳定的导热相变蓄热材料，无毒、无腐蚀性，而且无过冷及层析现象，但是它存在导热系数很小，传热速率低以及蓄热量低的缺点。目前主要的改良措施是在相变蓄热材料中添加各种形态金属、石墨、肋片等来强化导热速率。但是添加金属材料、肋片、石墨等措施的制备工艺复杂，相应的成本也比较高，而且一些金属基体稀少昂贵，加入蓄热材料后难以再次回收利用，造成资源浪费和环境污染。
生物质材料是以生物质废弃物为原料的块状物，是我国当前可以大量廉价取得材料，目前对生物质废弃物的处理一般用作填埋堆肥，燃烧等领域，利用效率低，大量露天堆积的生物质材料还会污染环境。如何有效解决石蜡和生物质材料目前容易造成资源浪费和环境污染的问题成为技术人员需要攻克的难题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明第一个目的是提供一种利用生物质材料和石蜡制备的高导热效率的复合相变型蓄热材料。
第二个目的是提供了一种利用生物质材料和石蜡制备高导热效率的复合相变型蓄热材料的方法，该方法能减少农业生物废物污染环境同时实现资源回收再利用。
本发明解决问题采用的技术方案是：
一种生物质复合蓄热材料，包括相变材料和载体基质，相变材料填充于载体基质的空隙内，其中所述相变材料为熔点为55-65℃的石蜡，载体基质为生物质材料经过预处理后得到的多孔生物质碳材料。
进一步的，所述生物质材料选用自农业的废弃生物质材料，如秸秆，果壳等。
更进一步的，相变材料与载体基质的重量比为1～2:3～5。
上述生物质符合蓄热材料的制备方法，包括以下步骤；
1)生物质材料的预处理，经加热干燥、破碎得到生物质粉末；
2)生物质粉末置于酸性溶液中加热处理，过滤取滤渣，滤渣经碱性溶液中和、水洗、冷冻干燥后进行加热活化，得到载体基质。
3)研磨成粉状的载体基质与加热融化后的石蜡混合，并加热至熔融态，保持熔融态混合物温度于75℃以上搅拌使其混合均匀，后置于真空装置中经真空处理将石蜡填充于载体基质的空隙内，得到液体状复合蓄热材料。
4)液体状复合蓄热材料置于成型容器内冷却，得到成品。
进一步的，步骤1)中，生物质粉末粒径为300～500目，优选400目。
进一步的，步骤1)中，生物质材料在180～200℃的马弗炉内持续加热8-10个小时进行加热干燥。
更进一步的，生物质材料的破碎使用循环炉渣破碎机进行粉碎，之后过20目的筛，炉渣研磨使用干磨方式，研磨时间为1-1.5h，之后过300～500目筛，优选400目筛。
进一步的，步骤2)中的酸性溶液中加热处理为，取生物质粉末于酸性溶液中，使用超声分散10min～30min，放入80℃烘箱中，用水热法加热2h～3h，酸性溶液优选质量分数为8％的乙二酸。
进一步的，步骤2)中，酸性溶液加热处理完成后，过滤，滤渣置于碱溶液中搅拌分散2h～3h，进行中和。
更进一步的，所述碱溶液为浓度1g/ml的氢氧化钠碱溶液。
更进一步的，步骤2)中所述的加热活化为，在氮气气氛中，80℃烘箱中水热法加热2h～3h。
进一步的，步骤3)中所述的真空处理为，保持温度在75～80℃的范围内抽真空60-90min。
更进一步的，步骤3)中，载体基质与石蜡的重量比为3～5:1～2，优选3:1。
整个制备过程采用生物质材料和石蜡制备复合相变蓄热材料，首先用化学方法将生物质材料处理为多孔材料，由真空吸附将石蜡分散固定于生物质材料的空隙中，以生物质材料中富含的碳基结构作为蓄热材料中的交联网络基来增加石蜡的导热效率，制备一种蓄热性能良好、稳定的蓄热材料。其中生物质材料经过碳化处理后的化学成分与活性炭相似，是一种含碳量非常丰富的废弃资源，不仅价格低廉，还能减少农业生物废物污染环境同时实现资源回收再利用。
本发明的有益效果：
1.本发明选用含碳丰富的生物质材料制备蓄热材料基材，可以提高石蜡的导热系数，增加蓄热材料的蓄能密度。
2.本发明选用废弃生物质制备，可以减少高性能蓄热材料的生产成本，直接有效利用废生物质材料中的疏松多孔结构，方便石蜡回收。
3.本发明选用具有环境污染影响的废弃生物质制备蓄热材料，能够高效利用废弃资源，起到节能环保和废弃资源回收再利用的作用。
4.本发明制备方法简单，与一般蓄热材料相比，有成本低，蓄热能力高的优点。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
本发明产生的高性能相变蓄热材料选用废弃生物质材料及熔点为60℃的石蜡材料，具体制备方法如下：将马弗炉预热至150℃，称取一定质量的废弃生物质材料放入温度于于200℃的马弗炉内进行持续加热9个小时后降至室温干燥保存。放入循环材料破碎机进行循环粉碎，之后过20目的筛得到初步破碎的生物质粗粉，将初步破碎的生物质粗粉放入研磨机中进行干磨1.5h后过400目的筛，得到要求细度的生物质粉末。
取生物质粉末于质量分数为8％的乙二酸溶液中，使用超声分散10min～30min。放入80℃烘箱中，用水热法加热2h～3h。过滤，固液分离后，滤渣置于浓度为1g/ml氢氧化钠碱溶液中搅拌分散2h～3h，再使用沸水淋洗至中性。将分散液进行冷冻，后将其置于冷冻干燥机中进行干燥，在氮气氛中将加热活化，使用500℃加热4小时，进一步形成空洞效应，得到多孔生物质碳材料，即载体基质。
按质量百分比为3：1的比例取用研磨干燥后载体基质和石蜡待用，将石蜡预先加热至60℃，使石蜡处于完全容融化状态，然后将待用的载体基质加入到融化状态的石蜡中，对载体基质和石蜡混合物进行加热达到熔融状态，进行机械搅拌40min，保持熔融态混合物温度于75℃以上，进行超声波搅拌25min，得到混合均匀的生物质材料和石蜡复合相变材料。将混合均匀的生物质材料和石蜡复合材料加入到真空反应釜中，开启真空泵抽真空，同时保持温度在75℃抽真空60min。将抽过真空的生物质材料-石蜡复合相变蓄热材料迅速的注入成型容器内，然后缓慢的冷却，待蓄热材料冷凝成固体成品时，封好成型容器既可以得到成品生物质材料-石蜡复合相变蓄热材料，即生物质复合蓄热材料。
经实验，其相变时间比石蜡相变时间提前了45min，相变潜热为172.6J/g，相变温度为52℃，其导热系数比石蜡导热系数提高了28％。
实施例2
与实施例1相比，该实施例中载体基质与石蜡的重量比不同，活化温度不同，其他制备过程均相同，其中载体基质与石蜡的重量比为5：2，活化温度450℃。
经实验，得到的生物质复合蓄热材料其相变时间比石蜡相变时间提前了47min，相变潜热为174.3J/g，相变温度为50℃，其导热系数比石蜡导热系数提高了27％。
实施例3
与实施例1相比，该实施例中载体基质与石蜡的重量比不同，活化温度不同，其他制备过程均相同，其中载体基质与石蜡的重量比为4：1，活化温度550℃。
经实验，得到的生物质复合蓄热材料其相变时间比石蜡相变时间提前了43min，相变潜热为170.3J/g，相变温度为50℃，其导热系数比石蜡导热系数提高了26％。

Claims (10)

1.一种生物质复合蓄热材料，其特征在于：包括相变材料和载体基质，相变材料填充于载体基质的空隙内，其中所述相变材料为熔点为55～65℃的石蜡，载体基质为生物质材料经过预处理后得到的多孔生物质碳材料。
2.如权要求1中所述的生物质复合蓄热材料，其特征在于：所述生物质材料选用自农业的废弃生物质材料。
3.如权利要求1中所述的一种生物复合蓄热材料，其特征在于：相变材料与载体基质的重量比为1～2:3～5，优选1:3。
4.生物质复合蓄热材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤；
1)生物质材料的预处理，经加热干燥、破碎得到生物质粉末；
2)生物质粉末置于酸性溶液中加热处理，过滤取滤渣，滤渣经碱性溶液中和、水洗、冷冻干燥后进行加热活化，得到载体基质；
3)研磨成粉状的载体基质与加热融化后的石蜡混合，并加热至熔融态，保持熔融态混合物温度于75℃以上搅拌使其混合均匀，后置于真空装置中经真空处理将石蜡填充于载体基质的空隙内，得到液体状复合蓄热材料；
4)液体状复合蓄热材料置于成型容器内冷却，得到成品。
5.如权利要求4中所述的生物质复合蓄热材料的制备方法，其特征在于:步骤1)中，生物质粉末粒径为300～500目，优选400目。
6.如权利要求4中所述的生物质复合蓄热材料的制备方法，其特征在于:步骤1)中，生物质材料在180～200℃的马弗炉内持续加热8～10个小时进行加热干燥。
7.如权利要求4中所述的生物质复合蓄热材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中的酸性溶液中加热处理为，取生物质粉末于酸性溶液中，使用超声分散10min～30min，放入80℃烘箱中，用水热法加热2h～3h，酸性溶液优选质量分数为8％的乙二酸。
8.如权利要求4中所述的生物质复合蓄热材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中所述的加热活化为，在氮气气氛中，450～550℃加热3h～5h，优选500℃加热4h。
9.如权利要求4中所述的生物质复合蓄热材料的制备方法，其特征在于：步骤3)中所述的真空处理为，保持温度在75-80℃的范围内抽真空60-90min。
10.如权利要求4中所述的生物质复合蓄热材料的制备方法，其特征在于：步骤3)中，载体基质与石蜡的重量比为3～5:1～2，优选3:1。
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