CN111874887A - 一种水处理用三维结构光热转换材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种水处理用三维结构光热转换材料及其制备方法。将水烛、香蒲或小香蒲碳化得到结构完整的圆柱状碳材料，由于具有独特的三维多孔结构和优良的亲水性，增加与太阳光的接触面积，增强对光的捕获和吸收；提供水的快速传输通道，使三维器件展现出良好的光热水蒸发效果。通过将碳化水烛、香蒲或小香蒲置于不同水源（海水、酸性废水、碱性废水、重金属离子废水以及染料废水）中，在太阳光照射下，能够将吸收的光能转换成热能，进而将不同水源蒸发，通过冷凝收集得到清洁水，达到水处理的目的。本发明原材料来源广泛，成本低廉，环境友好无污染；获得的一体化三维结构生物质炭器件性质稳定，可循环使用。

Description

一种水处理用三维结构光热转换材料
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，具体涉及碳化生物质的三维结构光热转换材料的制备方法及其在水处理中的应用。
背景技术
近年来，生活污水和工业废水的排放造成了严重的水污染问题，使我国淡水资源日益缺乏。我国海水资源丰富，海水淡化成为了解决淡水资源缺乏的有效途径，同时，对生活污水和工业废水进行净化，也可以达到缓解水资源短缺的目的。太阳能作为取之不尽、用之不竭的可再生、清洁资源，成为了理想的供能者。新兴的界面太阳能蒸汽产生技术利用光热转换材料将吸收的光能转换为热能，使界面水温升高而蒸发，减少了热量向水体中的损失，提高了光热转换效率和水蒸发速率。一般的光热转换材料为二维结构，只有表面吸收太阳光，当光热材料表面温度高于环境温度时，就会和环境进行热交换，使环境温度升高，造成热量损失，在这种情况下，存在着光热转换效率的极限值。为了进一步提高光热转换效率和水蒸发速率，三维结构的光热转换材料成为了研究的重点。在光照下，三维结构光热转换材料的表面温度高于环境温度，而侧面温度则低于环境温度，这就使得光热材料能够从环境中吸收热量，大大提高了对能量的利用。水烛、香蒲或者小香蒲属于水生宿根性植物，多生长在水边或池沼内。以其作为光热转换材料的前驱体，具有来源广泛，价格低廉，环境友好等特点；并且对水系中排放的污染物具有较好的吸收作用，对农业、工业生产造成的重金属离子和有机染料等污染物，起到净化水体的作用。通过将水烛、香蒲或者小香蒲进行碳化，得到具有三维结构的一体化光热转换材料，化学性质稳定，在酸性和碱性环境下均可稳定存在，因此在水处理领域具有广泛的应用前景。
发明内容
对上述技术存在的问题，本发明提供一种基于碳化生物质的三维结构光热转换材料的制备方法及其在水处理中的应用。本发明通过将不同尺寸的生物质炭置于不同水源（海水、酸性废水、碱性废水、重金属离子废水以及染料废水）中，在太阳光照射下，能够将吸收的光能转换成热能，进而将不同水源蒸发，通过冷凝收集得到清洁水，达到水处理的目的。本发明原材料来源广泛，成本低廉，环境友好无污染；制备的三维多孔碳材料性质稳定，可循环使用。
本发明的技术方案如下：
（1）基于三维结构生物质炭光热转换材料的制备方法
取结构完整的生物质，将其置于高温炉中，在N2气氛的保护下，通过直接碳化的方法得到三维结构光热转换材料。
优选地，所述结构完整的水烛、香蒲或者小香蒲，其长度为1-30 cm，直径为1-4cm。
优选地，所述的通过直接碳化的方法得到三维结构光热转换材料，根据碳化温度可分为两段或者三段式碳化。第一段是以2-10 ℃/min的升温速率升至100-200 ℃，保温1-2 h，第二段是以2-10 ℃/min的升温速率升至300-500 ℃，保温1-4 h，第三段是以2-10℃/min的升温速率升至520-800 ℃，保温1-4 h。
优选地，在N2气氛的保护下进行碳化，N2流速为20-250 mL/min。
优选地，所述的生物质炭材料具有优异的吸水性，碳化生物质吸水后的质量是吸水前的3-6倍。
（2）水处理过程
将不同尺寸的三维结构生物质炭材料置于含有不同水源的容器中，用隔热泡沫将其固定，使其一部分在溶液中，一部分裸露在环境中。打开光源，进行水蒸发测试，并将蒸发后的水进行收集。
优选地，所述的不同水源为海水、酸性废水、碱性废水、重金属离子废水以及染料废水。
优选地，使三维结构生物质炭一部分在溶液中，一部分裸露在环境中，裸露在环境中的高度可调，范围为0-30 cm。
具体实施方式
实例一
将结构完整的小香蒲置于高温炉中，采用两段式碳化过程。在150 mL/min的N2气氛保护下，先以2 ℃/min的升温速率升至100 ℃，保温2 h，再以5 ℃/min的升温速率升至450℃，保温4 h，冷却之后取出得到三维结构的碳化小香蒲。取直径为1.2 cm，长度为1 cm的碳化小香蒲，将其置于含有重金属离子废水（如：Pb2+、Zn2+、Cu2+、Ni2+、Ba2+、Mn2+）的烧杯中，并用隔热泡沫将其固定在烧杯中，裸露在环境中的高度为0 cm。打开模拟太阳光，调整功率密度为1.3 kW/m2，进行水蒸发测试，水蒸发速率为1.65 kg·m-2·h-1，将收集到的冷凝水进行离子浓度检测，其结果表明，收集的冷凝水中重金属离子的浓度均低于国家规定的饮用水中的各离子浓度。
实例二
将结构完整的水烛置于高温炉中，采用两段式碳化过程。在100 mL/min的N2气氛保护下，先以2 ℃/min的升温速率升温至200 ℃，保温1 h，再以3 ℃/min的升温速率升温至500℃，保温2 h，冷却完毕之后取出，得到三维结构的碳化水烛。取直径为3 cm，高度为15 cm的碳化水烛，将其置于含有海水的烧杯中，并用隔热泡沫将其固定在烧杯中，使裸露在环境中的高度为10 cm。打开模拟太阳光，调整功率密度为1 kW/m2，进行水蒸发测试，水蒸发速率为3.93 kg·m-2·h-1，器件循环20次后的光热水蒸发速率不变。将收集到的冷凝水进行离子浓度检测，其结果表明，收集的冷凝水中K+、Na+、Ca2+、Mg2+的离子浓度均低于国家规定的饮用水中的各离子浓度。
实例三
将结构完整的水烛置于高温炉中，采用三段式碳化过程。在200 mL/min的N2气氛保护下，先以4 ℃/min的升温速率升至100 ℃，保温1 h，再以4 ℃/min的升温速率升至400 ℃，保温2 h，最后以4 ℃/min的升温速率升温至800 ℃，保温2 h，冷却完毕之后取出，得到三维结构的碳化水烛。取直径为2 cm，高度为10 cm的碳化水烛，将其置于含有酸性（1 mol/LHCl）废水的烧杯中，并用隔热泡沫将其固定在烧杯中，使裸露在环境中的高度为5 cm。打开模拟太阳光，调整功率密度为0.6 kW/m2，进行水蒸发测试，水蒸发速率为2.12 kg·m-2·h-1，通过pH计对将收集到的冷凝水进行测试，其pH值为6.8，接近于中性。
实例四
将结构完整的香蒲置于高温炉中，采用两段式碳化过程。在20 mL/min的N2气氛保护下，先以5 ℃/min的升温速率升温至100 ℃，保温1 h，再以10 ℃/min的升温速率升温至500 ℃，保温4 h，冷却完毕之后取出，得到三维结构的碳化香蒲。取直径为2 cm，高度为10cm的碳化香蒲，将其置于含有碱性（1 mol/L NaOH）废水的烧杯中，并用隔热泡沫将其固定在烧杯中，使裸露在环境中的高度为5 cm。打开模拟太阳光，调整功率密度为0.6 kW/m2，进行水蒸发测试，水蒸发速率为2.16 kg·m-2·h-1，通过pH计对将收集到的冷凝水进行测试，其pH值为7.5，接近于中性。
实例五
将结构完整的水烛置于高温炉中，采用三段式碳化过程。在50 mL/min的N2气氛保护下，先以8 ℃/min的升温速率升温至100 ℃，保温1 h，再以8 ℃/min的升温速率升温至400℃，保温2 h，最后以8 ℃/min的升温速率升温至700 ℃，保温3 h，冷却完毕之后取出，得到三维结构的碳化水烛。取直径为1.6 cm，高度为10 cm的碳化水烛，将其置于含有重金属离子（如：Pb2+、Zn2+、Cu2+、Ni2+、Ba2+、Mn2+）废水的烧杯中，并用隔热泡沫将其固定在烧杯中，使裸露在环境中的高度为5 cm。打开模拟太阳光，调整功率密度为1.3 kW/m2，进行水蒸发测试，水蒸发速率为3.05 kg·m-2·h-1，将收集到的冷凝水进行离子浓度检测，其结果表明，收集的冷凝水中重金属离子的浓度均低于国家规定的饮用水中的各离子浓度。
实例六
将结构完整的水烛置于高温炉中，采用三段式碳化过程。在100 mL/min的N2气氛保护下，先以3 ℃/min的升温速率升温至100 ℃，保温1 h，再以3 ℃/min的升温速率升温至400℃，保温2 h，最后以3 ℃/min的升温速率升温至600 ℃，保温3 h，冷却完毕之后取出，得到三维结构的碳化水烛。取直径为2.4 cm，高度为17 cm的碳化将其置于含有染料（例如：亚甲基蓝）废水的烧杯中，并用隔热泡沫将其固定在烧杯中，使裸露在环境中的高度为10 cm。打开模拟太阳光，调整功率密度为1 kW/m2，进行水蒸发测试，水蒸发速率为4.01 kg·m-2·h-1，收集到的水呈无色透明状，并对其进行紫外-可见分光光度计测试，结果表明该吸光度接近于0。
上面对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不局限于上述实施例，在本
领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种一体化光热转换材料，其特征在于：具有三维多孔结构的生物质炭材料，该生物质可以是水烛、香蒲或者小香蒲中的一种。
2.一种基于三维结构光热转换材料的制备方法及其在水处理中的应用，包括以下步骤：
（1）选取不同尺寸的水烛、香蒲或者小香蒲，结构完整，表面无破裂；
（2）将其放置在高温炉中，采用直接碳化的方法制备三维结构光热转换材料；
（3）将碳化后的三维结构置于不同水源中，打开光源，进行水蒸发测试，并将蒸馏出来的水蒸气进行冷凝收集。
3.根据权利要求2所述的选取不同尺寸的水烛、香蒲或者小香蒲，其特征在于生物质的长度为1-30 cm，直径为1-4cm。
4.根据权利要求2所述的通过碳化的方法获得三维结构光热转换材料，其特征在于碳化过程根据碳化温度可分为两段或者三段：第一段是以2-10 ℃/min的升温速率升温至100-200 ℃，保温1-2 h，第二段是以2-10 ℃/min的升温速率升温至300-500 ℃，保温1-4h，第三段是以2-10 ℃/min的升温速率升温至520-800 ℃，保温1-4 h；整个碳化过程在20-250 mL/min的N2气保护下进行。
5.根据权利要求2所述的碳化生物质，其特征在于，碳化后的三维结构具有优异的吸水性，碳化生物质吸水后的质量是吸水前的3-6倍。
6.根据权利要求2所述的将碳化生物质置于不同水源中，其特征在于，将三维结构碳化生物质置于装有海水、酸性废水、碱性废水、重金属离子废水以及染料废水的容器中，用隔热泡沫将碳化生物质固定在容器中，使其一部分在溶液中，一部分裸露在环境中；裸露在环境中的碳化生物质的高度在0-30cm之间可调。
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