CN111978592A - 一种光热材料的制备方法及其在水蒸发中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种吸光‑输水隔热一体化的光热蒸发材料的制备方法，以及该制备方法所获得的吸光‑输水隔热一体化的光热蒸发材料，本发明还涉及该吸光‑输水隔热一体化的光热蒸发材料用于吸收阳光并产生热量加速水蒸发的用途。通过本发明的方法制备的吸光‑输水隔热一体化的光热蒸发材料，能够解决水在运输过程中的热量损失，使得光热转化率提高。本发明中提供的光热蒸发材料还能解决吸光体与隔热体脱离，导致装置稳定性降低的技术问题。

Description

一种光热材料的制备方法及其在水蒸发中的应用
技术领域
本发明涉及光热材料技术领域，具体涉及一种有效利用太阳能能加速水蒸发的光热材料，可应用于海水淡化和污水处理等方面。
背景技术
随着社会的发展以及国内对环保意识重要性的进一步认识，我国逐渐重视开发太阳能资源，以提高社会的环保水平。使用太阳能来驱动水蒸发，是太阳能中应用光热转换的典型例子。其转换的效率比较高，具有清洁水的工业生产潜力。
太阳能驱动水蒸发技术一般分为两种，一种利用太阳能的方式是将太阳能转换为热能，来驱动水的相变过程；另一种利用太阳能的方式是将太阳能转换为电能，来驱动水的渗析。其中第一种即为太阳能的光热技术。现实生活中，水对太阳能的吸收能力有限，光热的转换效率较低，阻碍了太阳能驱动水蒸发技术的发展。因此，光热的转换效率是现阶段研究的重点，其很大程度上取决于吸收太阳能的光热材料。
在最近研发的利用太阳能进行水蒸发装置中，通常需要用到光热材料，光热材料一般放置在水面上（即在空气-水界面处），吸收太阳光并将其转化为热，从而加热并蒸发吸收的水。在此过程中，由于光热材料与水体之间的直接接触，热量直接扩散到水体中，从而造成热量的损失。因此，如何将热量限定在光热材料的表面上，降低热量损失，并提高能源的利用效率，是目前该技术需解决的关键问题。
一种典型的光热材料是金属材料，通过金属粒子表面的等离子体共振效应激发内部自由电子气体振荡而形成热能，目前研究报道的比较多的材料是金、银和钯，研究的最多的为金纳米材料，但上述贵金属材料的成本过高，限制了其大规模使用，另有一些金属材料比如低成本的铜或者铝，但转换效率不如贵金属。另一类典型的光热材料是半导体，例如铜的硫族化合物，或者一些过渡金属以及它们的氮化物、碳化物、硼化物和硫化物等都具有光谱选择性吸收特性。该材料通过载流子发生迁移，形成类似于金属纳米颗粒表面的等离子体共振效应。另外一类光热材料是有机材料，可分为小分子材料和高分子材料。小分子材料多为大π共轭体系染料，高分子材料多为共轭高分子有机物。
中国专利申请CN201910370640.4提供了一种吸光隔热一体化光热蒸发材料，包括隔热体和覆盖在隔热体外表面的吸光体，所述吸光体为表面经亲水官能团修饰的垂直取向石墨烯，所述隔热体为石墨烯泡沫。但上述材料的制备复杂，不利于大规模生产，仅存在于理论研究中。
另外现有技术中还存在热量损失较大的缺陷，光热转换率还有待进一步提高。目前也已有研究报道，采用了棉花等纤维材料作为光热蒸发材料和输水载体，但由于材料本身的缺陷，上述纤维材料与高分子材料（尤其是聚多巴胺）的结合能力较弱，在多次循环使用之后，高分子材料涂层容易脱落；并且在大面积使用过程中，需要将其均匀固定的装置的制作过程比较复杂。有鉴于此，有必要开发一种新的光热蒸发材料。
发明内容
在现有光热材料的蒸发装置中，大多由两个功能部分组成：光热水蒸发表面和水路径/物理分隔器构成的双层结构，本发明提供了一种吸光-输水隔热一体化的光热蒸发材料。能够解决水在运输过程中热量损失，光热转化率下降的技术问题。本发明中提供的光热蒸发材料还能解决吸光体与隔热体脱离，导致装置稳定性降低的技术问题。
为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种吸光-输水隔热一体化的光热蒸发材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）、配制Tris缓冲溶液，所述Tris缓冲溶液的pH为7.4-8.9；
（2）、配制多巴胺盐酸盐溶液，所述多巴胺盐酸盐溶液中含有浓度为1-5mg/mL的多巴胺盐酸盐；
（3）、配制硫酸铜的过氧化氢水溶液，所述硫酸铜的过氧化氢水溶液中，硫酸铜的浓度为1-2mg/mL，过氧化氢的浓度为2-4mg/mL；
（4）、取一载体，将载体依次浸入步骤（1）所得Tris缓冲溶液、步骤（2）所得多巴胺盐酸盐溶液、步骤（3）所得硫酸铜的过氧化氢水溶液中，浸泡时间分别独立地为5-15min；
（5）、用水冲洗步骤（4）的载体，并在室温环境下干燥，即得到载体表面或者内部涂覆有聚多巴胺的光热蒸发材料。
其中，所述载体选自海绵或者木头。海绵材料或者木头是一种普通廉价的材料，广泛用于制造各种生活产品。海绵材料或者木头具有极低导热率，约0.2 W m-1 K-1，且为亲水材料，高温下可有效吸收水分。更重要的是，海绵材料或者木头是常见的生活原料，环保且无毒。这些特性使海绵材料或者木头可作水蒸发装置中的理想材料。但是，海绵材料或者木头本身并不是很好的光热材料，并且无法有效吸收阳光并产生热量加速水蒸发。在本发明中，使用具有光热效应聚多巴胺修饰层使材料具有光热活性。聚多巴胺是一种贻贝仿生类材料，可由多巴胺在弱碱性环境下自聚而得。聚多巴胺具有良好的生物相容性以及优异的光热特性，作为一种光热材料，其对光的吸附范围可跨越紫外区、可见光及近红外区域。通过本发明的制备方法，可以使的聚多巴胺涂覆于海绵或者木头的表面，从而赋予海绵材料或者木头出色的光热性能。因此可作为光热材料，实现太阳能向热能的转化。由于海绵材料或者木头和聚多巴胺都是天然的，具有较低成本效益且为可生物降解材料，非常适合用于太阳能水处理。作为最优选的技术方案，所述载体选自海绵。海绵材料本身的塑形方便，同时与高分子材料的亲和性较好，尤其是与聚多巴胺容易结合，不容易导致涂层脱落。
作为优选的技术方案，所述Tris缓冲溶液的pH为8.0-8.5；作为最优选的技术方案，所述Tris缓冲溶液的pH为8.5。
作为优选的技术方案，多巴胺盐酸盐的浓度典型但非限制性地为1mg/mL、2mg/mL、3mg/mL、4mg/mL、5mg/mL，优选为2 mg/mL。
作为优选的技术方案，硫酸铜的浓度范围优选为1-2mg/mL，典型但非限制性地为1mg/mL、1.25 mg/mL、1.5 mg/mL、1.75 mg/mL、2 mg/mL，最优选为1.25mg/mL；过氧化氢的浓度范围优选为2-4mg/mL，典型但非限制性地为2mg/mL、2.25mg/mL、3mg/mL、3.5mg/mL、4mg/mL，最优选为2.25mg/mL。
作为优选的技术方案，步骤（4）中的浸泡时间典型但非限制性地为5min、8 min、10min、12 min、15 min，优选为10min。
本发明的另一个目的是提供一种由上述方法制备获得的光热蒸发材料。所述光热蒸发材料包含载体，以及分散于载体表面或者内部的聚多巴胺。
作为优选的技术方案，载体的至少10%、或者至少20%、或者至少30%、或者至少40%、或者至少50%、或者至少60%，甚至至少70%、甚至至少80%、甚至至少90%、甚至100%的表面或者内部空间涂布分散有所述聚多巴胺。
本发明的另一个直接目的是提供所述光热蒸发材料的一种用途，所述用途用于吸收阳光并产生热量加速水蒸发。
本发明的另一个潜在应用是可以用于海水脱盐或者海水淡化。
本发明有益的技术效果是：
（1）、本发明中的聚多巴胺层可以吸收太阳能，并将太阳能转化为热能，形成局部高温；而载体（例如海绵）可以阻滞热流传递，减少热量向水体扩散，提高太阳光利用率；同时载体还作为输水层，通过毛细作用吸收并运输水分到吸光高温层，实现快速水热蒸发。
（2）、通过本发明的方法制备的吸光-输水隔热一体化的光热蒸发材料，能够解决水在运输过程中的热量损失，使得光热转化率提高。本发明中提供的光热蒸发材料还能解决吸光体与隔热体脱离，导致装置稳定性降低的技术问题。本发明中的制备方法简单，制作成本低，适合于大规模工业化生产。
附图说明
图1 是本发明制备光热蒸发材料的原理图。
图2是本发明实施例1和纯水的光热效应图。
图3是本发明实施例1的水蒸发速率图。
图4是空白对照（纯水）的水蒸发速率图。
图5是本发明室外测试的装置和材料示意图。
图6是本发明实施例1和纯水的水位随时间下降图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，是本发明制备光热蒸发材料的原理图。通过多巴胺的自聚合，将聚多巴胺涂覆到海绵载体的表面。
实施例1
一种吸光-输水隔热一体化的光热蒸发材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）、配制Tris缓冲溶液，所述Tris缓冲溶液的pH为8.5；
（2）、配制多巴胺盐酸盐溶液，所述多巴胺盐酸盐溶液中含有浓度为2mg/mL的多巴胺盐酸盐；
（3）、配制硫酸铜的过氧化氢水溶液，所述硫酸铜的过氧化氢水溶液中，硫酸铜的浓度为1.25mg/mL，过氧化氢的浓度为2.25mg/mL；
（4）、取一海绵，将海绵依次浸入步骤（1）所得Tris缓冲溶液、步骤（2）所得多巴胺盐酸盐溶液、步骤（3）所得硫酸铜的过氧化氢水溶液中，浸泡时间分别独立地为10min；
（5）、用水冲洗步骤（4）的载体，并在室温环境下干燥，即得到海绵载体表面涂覆有聚多巴胺的光热蒸发材料。
实施例2
一种吸光-输水隔热一体化的光热蒸发材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）、配制Tris缓冲溶液，所述Tris缓冲溶液的pH为9.0；
（2）、配制多巴胺盐酸盐溶液，所述多巴胺盐酸盐溶液中含有浓度为3mg/mL的多巴胺盐酸盐；
（3）、配制硫酸铜的过氧化氢水溶液，所述硫酸铜的过氧化氢水溶液中，硫酸铜的浓度为1.25mg/mL，过氧化氢的浓度为2.25mg/mL；
（4）、取一软木，将软木依次浸入步骤（1）所得Tris缓冲溶液、步骤（2）所得多巴胺盐酸盐溶液、步骤（3）所得硫酸铜的过氧化氢水溶液中，浸泡时间分别独立地为10min；
（5）、用水冲洗步骤（4）的载体，并在室温环境下干燥，即得到软木载体表面涂覆有聚多巴胺的光热蒸发材料。
性能与测试
1.1光热效应测试
将纯水以及水面放置实施例1所得光热蒸发材料的纯水，置于4个太阳光强度下（氙灯），分别测量表面（位置1）、中部（位置2）和底部（位置3）的温度。实验结果如图2和表1所示：
表1：光热效应结果
位置 空白（纯水） 实施例1
1 34.6℃ 49.0℃
2 30.5℃ 24.6℃
3 29.8℃ 21.2℃
由图2可以看出，在模拟太阳照射下，在照射数十分钟之后，实施例1的蒸发表面的温度达到49.0℃，而作为空白对照的纯水的蒸发表面的温度仅为34.6℃。而空白对照中纯水的温度随高度的变化并不明显，实施例1的监测点2和3的温度均低于空白对照。表明该光热蒸发材料使得太阳能在材料表面集中进行光热转换，可以有效地蒸发水。
1.2室内测试
室内实验中（无气流的实验室，环境温度25℃），用氙灯模拟太阳光，光强分别为1-5个太阳光强度，测试在实施例1光热材料和空白对照（纯水）下的水蒸发速率。测试结果如图3-4以及表2所示。
表2：蒸发速率
Figure 976589DEST_PATH_IMAGE002
通过使用实施例1中的光热蒸发材料，大大提高了水的蒸发效率。例如，在1个太阳强度照射下的水时，空白纯水的蒸发速率为0.29 kg h-1 m-2，而在实施例1中的光热蒸发材料上的蒸发速率为0.56 kg h-1 m-2，约为空白纯水的蒸发速率的2倍。在5个太阳强度照射下，空白纯水的蒸发速率为0.89 kg h-1 m-2，而在实施例1中的光热蒸发材料上的蒸发速率为3.03kg h-1 m-2，是空白纯水蒸发速率的3.4倍。优异的光热性能和独特的聚多巴胺-海绵结构带来了这种高蒸发性能。
1.3室外测试
本测试的目的在于测试光热蒸发材料在自然环境中的蒸发性能。本发明实施例1中制备的光热蒸发材料以及室外测试的示意图如图5所示，在30cm×30cm×20cm的玻璃箱内装满水，并在表面放置实施例1制备的光热蒸发材料。测试结果如图6所示。
从图6中可以看出，与空白纯水蒸发相比，在白天使用聚多巴胺-海绵使水蒸发率提高了70％。
通过本发明的方法制备的吸光-输水隔热一体化的光热蒸发材料，能够解决水在运输过程中的热量损失，使得光热转化率提高。本发明中提供的光热蒸发材料还能解决吸光体与隔热体脱离，导致装置稳定性降低的技术问题。本发明中的制备方法简单，制作成本低，适合于大规模工业化生产。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种吸光-输水隔热一体化的光热蒸发材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）、配制Tris缓冲溶液，所述Tris缓冲溶液的pH为7.4-8.9；
（2）、配制多巴胺盐酸盐溶液，所述多巴胺盐酸盐溶液中含有浓度为1-5mg/mL的多巴胺盐酸盐；
（3）、配制硫酸铜的过氧化氢水溶液，所述硫酸铜的过氧化氢水溶液中，硫酸铜的浓度为1-2mg/mL，过氧化氢的浓度为2-4mg/mL；
（4）、取一载体，将载体依次浸入步骤（1）所得Tris缓冲溶液、步骤（2）所得多巴胺盐酸盐溶液、步骤（3）所得硫酸铜的过氧化氢水溶液中，浸泡时间分别独立地为5-15min；
（5）、用水冲洗步骤（4）的载体，并在室温环境下干燥，即得到载体表面或者内部涂覆有聚多巴胺的光热蒸发材料；
其中，所述载体选自海绵或者木头。
2.根据权利要求1所述的一种吸光-输水隔热一体化的光热蒸发材料的制备方法，其特征在于：所述载体选自海绵。
3.根据权利要求1所述的一种吸光-输水隔热一体化的光热蒸发材料的制备方法，其特征在于：所述Tris缓冲溶液的pH为8.0-8.5。
4.根据权利要求3所述的一种吸光-输水隔热一体化的光热蒸发材料的制备方法，其特征在于：所述Tris缓冲溶液的pH为8.5。
5.根据权利要求1所述的一种吸光-输水隔热一体化的光热蒸发材料的制备方法，其特征在于：所述多巴胺盐酸盐的浓度为2mg/mL；所述硫酸铜的浓度范围是1.25mg/mL；过氧化氢的浓度范围是2.25mg/mL。
6.根据权利要求1所述的一种吸光-输水隔热一体化的光热蒸发材料的制备方法，其特征在于：所述浸泡时间为10min。
7.根据权利要求1-6任一项所述的制备方法获得的吸光-输水隔热一体化的光热蒸发材料。
8.根据权利要求7所述的吸光-输水隔热一体化的光热蒸发材料，其特征在于：所述载体的至少10%的表面或者内部空间涂布分散有所述聚多巴胺。
9.根据权利要求7-8中任一项所述吸光-输水隔热一体化的光热蒸发材料的用途，其特征在于：所述用途用于吸收阳光并产生热量加速水蒸发。
10.根据权利要求9所述的用途，其特征在于：所述用途用于海水脱盐或者海水淡化。
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