CN111249757A - 碳纤维光热转换材料及其在纯化回收多介质溶剂中的用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维光热转换材料及其在纯化回收多介质溶剂中的用途。所述碳纤维光热转换材料包括碳纤维，所述碳纤维表面原位生长有连续的水热碳层。所述用途包括：将多介质溶剂体系与碳纤维光热转换材料接触，并以设定光线照射碳纤维光热转换材料，使碳纤维光热转换材料进行光热转换并产生热能，从而促使多介质溶剂体系中的至少部分溶剂受热蒸发，实现多介质溶剂体系的纯化回收。本发明的高效碳纤维光热转换材料具有高比表面积、高粗糙度和大量的官能团，在光热转换应用中具有高效的太阳能转化效率，不仅可用于太阳能高效脱盐、快速水蒸发，而且在污水介质、海水、有机溶剂纯化、油水分离等多介质溶剂体系中仍具有高效、稳定的分离性能。

Description

碳纤维光热转换材料及其在纯化回收多介质溶剂中的用途
技术领域
本发明涉及一种多介质溶剂纯化回收方法，具体涉及一种采用高效碳纤维作为光热转换材料，通过太阳能溶剂蒸发纯化回收溶剂的方法，属于材料化学和太阳能转换技术领域。
背景技术
太阳能作为一种清洁的可再生绿色能源成为近年来能源利用的焦点，太阳能光热转换膜蒸馏技术被认为是一种经济和有效的解决方案。而目前以蒸馏法为主的太阳能溶剂纯化技术普遍存在光热转换效率低和稳定性差，即盐分析出导致蒸发装置老化、耐有机溶剂差等问题，因此对光热转换技术的研究大多数集中在海水淡化、污水处理等方面。
有机溶剂在生活和生产中广泛应用的有机化合物，分子量不大，它存在于涂料、粘合剂、漆和清洁剂中。有机溶剂种类繁多，使用广泛且用量巨大，有机溶剂不经处理就排入环境，不但有毒副作用，还会在大气的对流层产生酸烟雾、光化学烟雾等，在大气的平流层消耗臭氧，最终会危害人类和动植物的生命安全。现有的有机溶剂纯化回收处理方法无法精处理或精处理效率非常低，没有经济效益，不符合低碳的发展趋势。
研发耐有机溶剂、耐高浓度盐腐蚀、高效光热转换材料及光热转换装置，并广泛应用于多种溶剂介质的纯化回收，打破本领域技术壁垒，将切实有力地推动国家绿色、可持续发展进程，具有深远的战略意义和良好的社会效益。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种碳纤维光热转换材料及其制备方法，从而克服现有技术的不足。
本发明的另一目的在于提供所述碳纤维光热转换材料于纯化回收多介质溶剂体系中的用途。
本发明的又一目的在于提供一种碳纤维光热转换装置。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种碳纤维光热转换材料的制备方法，其包括：使包含有碳纤维和0.01～10wt％碳源的水热反应液于温度为150～300℃、压力为0.6～5MPa的条件下水热反应1～24h，从而在碳纤维表面原位生成连续的水热碳层。
进一步地，所述碳源包括水溶性糖类物质、水溶性多糖类物质和易水解多糖类物质中的任意一种或两种以上的组合。
本发明实施例还提供了一种碳纤维光热转换材料，其包括碳纤维，所述碳纤维表面原位生长有连续的水热碳层。
本发明实施例还提供了由前述方法制备的碳纤维光热转换材料或前述的碳纤维光热转换材料于纯化回收多介质溶剂体系中的用途。
在一些优选实施例中，所述的用途包括：将多介质溶剂体系与碳纤维光热转换材料接触，并以设定的光线照射碳纤维光热转换材料，使碳纤维光热转换材料进行光热转换并产生热能，从而促使多介质溶剂体系中的至少部分溶剂受热蒸发，实现多介质溶剂体系的纯化回收。
本发明实施例还提供了一种碳纤维光热转换装置，其包括由前述方法制备的碳纤维光热转换材料或前述的碳纤维光热转换材料。
在一些优选实施例中，所述的碳纤维光热转换装置包括光热转换膜、液体容器以及冷凝回收单元，所述光热转换膜由所述碳纤维光热转换材料编制形成，当所述液体容器盛装有多介质溶剂体系时，至少是所述光热转换膜的局部区域浮于所述多介质溶剂体系的液面上，且在以设定的光线照射碳纤维光热转换材料时，所述碳纤维光热转换材料能进行光热转换而促使多介质溶剂体系中的至少部分溶剂受热蒸发，所述冷凝回收单元用于将该被蒸发的至少部分溶剂冷凝回收。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少在于：
本发明提供的高效碳纤维光热转换材料具有高比表面积、高粗糙度和大量的官能团，其在光热转换应用中，具有高效的太阳能转化效率，不仅可用于太阳能高效脱盐、快速水蒸发，而且因高效碳纤维光热转换材料的具有高强度、高化学和结构稳定性、耐有机溶剂等优点，在污水介质、海水、有机溶剂纯化、油水分离等多介质溶剂体系中仍具有高效、稳定的分离性能。同时，本发明提供的多介质溶剂纯化回收方法简单，蒸发效率高，绿色无污染；原材料易得，非常适合工业化生产；碳纤维光热转换装置简单，易于放大。
附图说明
图1是本发明一典型实施方案之中高效碳纤维光热转换装置的结构示意图。
图2a是本发明实施例1中的碳纤维的扫描电镜图。
图2b是本发明实施例1中覆盖水热碳层的碳纤维的扫描电镜图。
图3是本发明实施例1中高效碳纤维光热转换装置中染色溶剂蒸发前后染料的紫外吸收谱图。
图4是本发明实施例2中高效碳纤维光热转换装置的实物图。
附图标记说明：1-光热转换膜，2-PS泡沫，3-混合溶液容器，4-倾斜冷凝面板，5-冷凝箱体，6-冷凝液出口。
具体实施方式
如前所述，鉴于现有技术的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，提出了本发明的技术方案，其主要是提供一种高效碳纤维光热转换材料及光热转换装置，以及一种多介质纯化回收方法，此方法为采用高效碳纤维光热转换材料及光热转换装置对包括污水介质、海水、油水乳液体系、印染废溶剂、混合溶剂体系等多介质溶剂体系进行纯化回收。
如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例的一个方面提供了一种碳纤维光热转换材料的制备方法，其包括：使包含有碳纤维和0.01～10wt％碳源的水热反应液于温度为150～300℃、压力为0.6～5MPa的条件下水热反应1～24h，从而在碳纤维表面原位生成连续的水热碳层。
其中，反应釜压力为0.6～5MPa、温度为150～300℃。
进一步地，所述碳源包括天然物质碳源：如水溶性糖类物质、水溶性多糖类物质和易水解多糖类物质等中的任意一种或两种以上的组合，例如，可以优选为葡萄糖、蔗糖、羧甲基纤维素、果糖、麦芽糖等，但不限于此。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种碳纤维光热转换材料，其包括碳纤维，所述碳纤维表面原位生长有连续的水热碳层。
进一步地，所述水热碳层表面具有羰基、醌基和羟基中的任意一种或两种以上的组合的官能团，所述水热碳层的表面粗糙度为5～100nm，所述水热碳层的比表面积为1～5m2/g。
其中，所述水热碳层具有高比表面积、高粗糙度和大量的官能团，在光热转换应用中，具有高效的太阳能转化效率，不仅可用于太阳能高效脱盐、快速水蒸发，而且因高效碳纤维的高强度、高化学和结构稳定性、耐有机溶剂等优点，在污水介质、海水、有机溶剂纯化、油水分离等多介质溶剂体系中仍具有高效、稳定的分离性能。
本发明实施例的另一个方面还提供了由前述方法制备的碳纤维光热转换材料或前述的碳纤维光热转换材料于纯化回收多介质溶剂体系中的用途。
在一些优选实施例中，所述的用途，即一种多介质溶剂纯化回收的方法包括：将多介质溶剂体系与碳纤维光热转换材料接触，并以设定的光线照射碳纤维光热转换材料，使碳纤维光热转换材料进行光热转换并产生热能，从而促使多介质溶剂体系中的至少部分溶剂受热蒸发，实现多介质溶剂体系的纯化回收。
进一步地，所述设定的光线为太阳光，但不限于此。
进一步地，所述多介质溶剂体系包含至少一种挥发性溶剂与至少一种非挥发或难挥发性物质溶质的组合或两种以上挥发性不同的溶剂的组合，例如，可以优选为污水介质、海水、盐水、油水乳液体系、印染废有机溶剂、混合溶剂体系等，但不限于此。
进一步地，所述多介质溶剂体系中的溶剂可以是水、有机溶剂等。
进一步地，所述碳纤维光热转换材料被编织为膜状。
综上，本发明提供的多介质溶剂纯化回收方法简单，蒸发效率高，绿色无污染；原材料易得，非常适合工业化生产。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种碳纤维光热转换装置，其包括由前述方法制备的碳纤维光热转换材料或前述的碳纤维光热转换材料。
在一些优选实施例中，所述的碳纤维光热转换装置包括光热转换膜、液体容器以及冷凝回收单元，所述光热转换膜由所述碳纤维光热转换材料编制形成，当所述液体容器盛装有多介质溶剂体系时，至少是所述光热转换膜的局部区域浮于所述多介质溶剂体系的液面上，且在以设定的光线照射碳纤维光热转换材料时，所述碳纤维光热转换材料能进行光热转换而促使多介质溶剂体系中的至少部分溶剂受热蒸发，所述冷凝回收单元用于将该被蒸发的至少部分溶剂冷凝回收。
进一步地，当所述液体容器盛装有多介质溶剂体系时，所述光热转换膜的局部区域浮于所述多介质溶剂体系的液面上，其余区域位于所述多介质溶剂体系的液面下方。
在一些优选实施例中，所述冷凝回收单元包括冷凝箱体和倾斜设置的冷凝面板，所述冷凝面板扣合在冷凝箱体上部的敞口端处，所述液体容器置于所述冷凝箱体内，且所述冷凝箱体上还设置有冷凝液出口。
进一步地，所述冷凝面板的倾斜角度为20-80°。
进一步地，所述光热转换膜的至少局部区域结合在浮体材料上部形成双层结构，所述浮体材料的密度小于多介质溶剂体系。
其中，所述浮体材料的密度低、热导率低隔热性能好、可漂浮于多介质溶剂体系表面，优选可以是PS泡沫，但不限于此，PS泡沫周围的碳纤维光热转换材料伸入多介质溶剂体系内。
具体的，请参阅图1所示，为本发明一典型实施例中一种碳纤维光热转换装置的结构示意图。所述碳纤维光热转换装置包括高效碳纤维光热转换材料编制而成的光热转换膜1、PS泡沫2、混合溶液容器3、倾斜冷凝面板4、冷凝箱体5和冷凝液出口6。
所述混合溶液容器3置于冷凝箱体5内，所述倾斜冷凝面板4扣合在冷凝箱体5上部的敞口端处，在冷凝箱体5与混合溶液容器3之间的底部设置有一冷凝液出口6，所述由碳纤维光热转换材料编制而成的光热转换膜1紧密贴合在PS泡沫2的上部构成双层结构，双层结构的光热转换膜1和PS泡沫2漂浮在混合溶液容器3内的混合溶液液面上，PS泡沫周围的碳纤维光热转换材料伸入所述混合溶液内。
进一步地，所述的PS泡沫密度低、热导率低隔热性能好、可漂浮于混合溶液表面。所述倾斜冷凝面板4的倾斜角度α为20-80°。
综上所述，本发明提供的碳纤维光热转换装置简单，易于放大。
以下结合若干较佳实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的解释说明，但其中的实验条件和设定参数不应视为对本发明基本技术方案的局限。并且本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
将葡萄糖配制成3wt％的水溶液，作为水热反应液。将碳纤维100g加入0.5升不锈钢高压反应釜中，加入水热反应液将碳纤维淹没。密封反应釜，压力为0.6MPa，升温至180℃，保温6小时。降温至室温，大量的去离子水清洗五次。将水热碳纤维放入托盘，放进真空烘箱，50℃真空干燥12小时，得到水热碳层覆盖的高效碳纤维光热转换材料。其中，碳纤维的扫描电镜图如图2a所示，覆盖水热碳层的碳纤维的扫描电镜图如图2b所示，水热碳层的表面粗糙度为40nm，比表面积为5m2/g。
将制备的高效碳纤维光热转换材料编制而成光热转换膜，组装到光热转换装置中，并纯化回收含有1000ppm苏丹Ⅲ的二甲基乙酰胺(DMAc)溶液，对高沸点(165.1℃)DMAc溶剂的蒸发速率高达0.98Kg m-2h-1，回收的DMAc含量高达99.99％，光热转换效率高达93％。图3是本实施例中高效碳纤维光热转换装置中染色溶剂蒸发前后染料浓度(紫外吸收谱图)。将制备的水热碳层覆盖的高效碳纤维光热转换材料在DMAc溶剂中长期浸泡，碳纤维无变化，保持强的机械性能及高效光热转换效率。
实施例2
按照实施例1的方法制备水热碳层覆盖的高效碳纤维光热转换材料，然后将制备的高效碳纤维光热转换材料编制而成光热转换膜，组装到光热转换装置(如图4所示)中，并纯化回收油含量10000ppm的油水乳液。经测试，溶剂蒸发速率高达1.25Kg m-2h-1，是自然蒸发速率(0.2Kg m-2h-1)的6倍，纯化回收的水中含油量降低至11.9ppm，光热转换效率高达94％。
实施例3
将蔗糖配制成2wt％的水溶液，作为水热反应。将碳纤维100g加入0.5升不锈钢高压反应釜中，加入水热反应液将碳纤维淹没。密封反应釜，压力为0.8MPa，升温至150℃，保温10小时。降温至室温，大量的去离子水清洗五次。将水热碳纤维放入托盘，放进真空烘箱，50℃真空干燥12小时，得到水热碳层覆盖的高效碳纤维光热转换材料，水热碳层的表面粗糙度为35nm，比表面积为4m2/g。
将制备的高效碳纤维光热转换材料编制而成光热转换膜，组装到光热转换装置中，并用于浓度为3.5wt％的海水淡化。经测试，水的蒸发速率高达1.47Kg m-2h-1，光热转换效率高达92.5％。
实施例4
将羧甲基纤维素配制成0.01wt％的水溶液，作为水热反应液。将碳纤维100g加入0.5升不锈钢高压反应釜中，加入水热反应液将碳纤维淹没。密封反应釜，压力为5MPa，升温至300℃，保温20小时。降温至室温，大量的去离子水清洗五次。将水热碳纤维放入托盘，放进真空烘箱，50℃真空干燥12小时，得到水热碳层覆盖的高效碳纤维光热转换材料，水热碳层的表面粗糙度为80nm，比表面积为5m2/g。
将制备的高效碳纤维光热转换材料编制而成光热转换膜，组装到光热转换装置中，处理高浓度死海水体系，其中Na+、K+、Mg2+、Ca2+浓度分别为29198、936、2520、898mg/L，蒸发后Na+、K+、Mg2+、Ca2+浓度分别为9、0.56、0.26、2.03mg/L，达到直饮水标准，室外产水率高达5.4Lm-2day-1，光热转换效率高达93％。
实施例5
将果糖配制成10wt％的水溶液，作为水热反应液。将碳纤维100g加入0.5升不锈钢高压反应釜中，加入水热反应液将碳纤维淹没。密封反应釜，压力为1.5MPa，升温至200℃，保温24小时。降温至室温，大量的去离子水清洗五次。将水热碳纤维放入托盘，放进真空烘箱，50℃真空干燥12小时，得到水热碳层覆盖的高效碳纤维光热转换材料，水热碳层的表面粗糙度为100nm，比表面积为5m2/g。
将制备的高效碳纤维光热转换材料编制而成光热转换膜，组装到光热转换装置中，并纯化回收含有1000ppm苏丹Ⅲ的二甲基甲酰胺DMF溶液,对高沸点(152.8℃)DMF溶剂的蒸发速率高达0.99Kg m-2h-1，回收的DMF含量高达99.99％，光热转换效率高达94％。将制备的水热碳层覆盖的高效碳纤维在DMF溶剂中长期浸泡，碳纤维无变化，保持强的机械性能及高效光热转换效率。
实施例6
将麦芽糖配制成3wt％的水溶液，作为水热反应液。将碳纤维100g加入0.5升不锈钢高压反应釜中，加入水热反应液将碳纤维淹没。密封反应釜，压力为2MPa，升温至250℃，保温1小时。降温至室温，大量的去离子水清洗五次。将水热碳纤维放入托盘，放进真空烘箱，50℃真空干燥12小时，得到水热碳层覆盖的高效碳纤维光热转换材料，水热碳层的表面粗糙度为30nm，比表面积为1m2/g。
制备的高效碳纤维光热转换材料编制而成光热转换膜，组装到光热转换装置中，并纯化回收油含量10000ppm的油水乳液。经测试，溶剂蒸发速率高达1.26Kg m-2h-1，是自然蒸发速率(0.2Kg m-2h-1)的6倍，纯化回收的水中含油量降低至10ppm，光热转换效率高达93％。
此外，本案发明人还利用前文所列出的其它原料以及其它工艺条件等替代实施例1-6中的各种原料及相应工艺条件进行了相应试验，所获高效碳纤维光热转换材料及碳纤维光热转换装置对多介质溶剂的纯化回收效果亦较为理想，基本与实施例1-6产品相似。
应当指出，以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种碳纤维光热转换材料的制备方法，其特征在于包括：使包含有碳纤维和0.01～10wt％碳源的水热反应液于温度为150～300℃、压力为0.6～5MPa的条件下水热反应1～24h，从而在碳纤维表面原位生成连续的水热碳层；优选的，所述碳源包括水溶性糖类物质、水溶性多糖类物质和易水解多糖类物质中的任意一种或两种以上的组合。
2.一种碳纤维光热转换材料，其特征在于包括碳纤维，所述碳纤维表面原位生长有连续的水热碳层；优选的，所述水热碳层表面所含的官能团包括羰基、醌基和羟基中的任意一种或两种以上的组合，所述水热碳层的表面粗糙度为5～100nm，所述水热碳层的比表面积为1～5m2/g。
3.由权利要求1所述方法制备的碳纤维光热转换材料或权利要求2所述的碳纤维光热转换材料于纯化回收多介质溶剂体系中的用途。
4.根据权利要求3所述的用途，其特征在于包括：将多介质溶剂体系与碳纤维光热转换材料接触，并以设定的光线照射碳纤维光热转换材料，使碳纤维光热转换材料进行光热转换并产生热能，从而促使多介质溶剂体系中的至少部分溶剂受热蒸发，实现多介质溶剂体系的纯化回收。
5.根据权利要求4所述的用途，其特征在于：所述设定的光线为太阳光；和/或，所述多介质溶剂体系包含至少一种挥发性溶剂与至少一种非挥发或难挥发性物质溶质的组合或两种以上挥发性不同的溶剂的组合；和/或，所述碳纤维光热转换材料被编织为膜状。
6.根据权利要求4或5所述的用途，其特征在于：所述多介质溶剂体系中的溶剂包括水和/或有机溶剂。
7.一种碳纤维光热转换装置，其特征在于包括由权利要求1所述方法制备的碳纤维光热转换材料或权利要求2所述的碳纤维光热转换材料。
8.根据权利要求7所述的碳纤维光热转换装置，其特征在于包括光热转换膜、液体容器以及冷凝回收单元，所述光热转换膜由所述碳纤维光热转换材料编制形成，当所述液体容器盛装有多介质溶剂体系时，至少是所述光热转换膜的局部区域浮于所述多介质溶剂体系的液面上，且在以设定的光线照射碳纤维光热转换材料时，所述碳纤维光热转换材料能进行光热转换而促使多介质溶剂体系中的至少部分溶剂受热蒸发，所述冷凝回收单元用于将该被蒸发的至少部分溶剂冷凝回收。
9.根据权利要求8所述的碳纤维光热转换装置，其特征在于：当所述液体容器盛装有多介质溶剂体系时，所述光热转换膜的局部区域浮于所述多介质溶剂体系的液面上，其余区域位于所述多介质溶剂体系的液面下方；和/或，所述冷凝回收单元包括冷凝箱体和倾斜设置的冷凝面板，所述冷凝面板扣合在冷凝箱体上部的敞口端处，所述液体容器置于所述冷凝箱体内，且所述冷凝箱体上还设置有冷凝液出口。
10.根据权利要求9所述的碳纤维光热转换装置，其特征在于：所述冷凝面板的倾斜角度为20-80°；和/或，所述光热转换膜的至少局部区域结合在浮体材料上部形成双层结构，所述浮体材料的密度小于多介质溶剂体系。
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