CN112898954B - 杏鲍菇基光热转化材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种杏鲍菇基光热转化材料及其制备方法。按杏鲍菇生长方向对其进行裁剪后真空冷冻干燥，然后将其置于光热转换材料改性反应液中，反应一定时间，使得光热转换材料吸附于杏鲍菇的多孔结构及其表面上，再对其进行真空冷冻干燥，即得到杏鲍菇基光热转化材料。本发明利用盐酸多巴胺的超强黏附性和杏鲍菇的多孔性质巧妙地将多巴胺黏附在杏鲍菇的表面及孔壁上，得到了集光热转化部分、保温部分、水分传输部分为一体光热转换材料。不仅可以通过芯吸效应自动由下而上的运输水分，还可以保温以减少热量的损失，具有成本低、操作简单、可自然降解、对环境友好等特点。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光热转换蒸发技术领域，尤其涉及一种杏鲍菇基光热转化材料及其制备方法。
背景技术
随着科学的进步，人类生活质量的不断提高，人类对各种资源的需求量也越来越高，对环境造成的压力也越来越大，能源短缺和环境污染是困扰世界的难题。淡水资源的匮乏，生活废水，工厂废水，染料废水等不断地排放，造成可被人类直接使用的水资源越来越少，如何用清洁能源治理污水并避免二次污染是解决淡水资源匮乏的重要研究方向。光热转化材料是一种通过吸收太阳光的能量将其转化为热能的材料，属于一种清洁能源材料，对环境无污染。将光热转化材料应用到水蒸发技术上，对于海水淡化和污水处理有重要的意义。
专利CN109575886A公开了一种基于荷叶制备光热转化材料的方法，该方法将天然的荷叶冰冻后冻干，再置入高温条件下，在氮气中碳化，制成一种黑色的碳化荷叶。该方法制备的光热转化材料，具有良好的光热转化效率，并且制备方法简单，采用天然材料制备，对环境友好。但该方法制备的光热转化材料为一层薄薄的黑色的膜，机械性能较低，实际应用中容易破损，并且该方法制备的光热转化材料没有自动吸水和保温的功能，需要另外增加部件进行组装，操作繁琐。专利CN110924194A公开了一种高效光热蒸汽转化材料的制备方法，该发明采用印花法，先将防水剂印在粘胶织物上，再将氧化石墨烯分散液印在防水剂粘胶织物上并在交联液中二浸二扎，最后将织物浸入在还原液中，取出清洗烘干。该方法制备的光热转化材料具有高效转化效率，材料具有柔软性，自动吸水等优点。但是该方法制备的光热转化材料步骤繁琐，原料种类及化学反应多，环境友好性较差，并且氧化石墨烯价格昂贵，制造成本较高。
现有的光热转化材料使用生物材料为基材的较少，使用石墨烯及其衍生物的改性材料较多，致使材料成本大大提高，且大部分需要多次组装，集吸水、保温、光热转化为一体的材料较少。
有鉴于此，有必要设计一种改进的天然光热转化材料的制备方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种杏鲍菇基光热转化材料及其制备方法。该方法采用价廉易得的生物质材料杏鲍菇作为基体，按生长方向对其进行裁剪后真空冷冻干燥，然后吸附高太阳光吸收率材料。利用杏鲍菇的多孔结构，得到了集光热转化部分、保温部分、水分传输部分为一体的光热转换材料。不仅可以通过芯吸效应自动由下而上的运输水分，还可以保温减少热量的损失，具有成本低、操作简单、可自然降解、对环境友好等特点。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种杏鲍菇基光热转化材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.将裁剪为预设柱状体的杏鲍菇用去离子水超声清洗，取出清除表面水分，然后在-20～-5℃温度下冷冻6～24h，再转入-80～-20℃温度和真空环境下冷冻48～96h，得到预处理的杏鲍菇；
S2.配制光热转换材料改性反应液；
S3.将步骤S1得到的所述预处理的杏鲍菇置入步骤S2得到的所述光热转换材料改性反应液中，搅拌反应6～12h后，取出清除表面水分，然后在-20～-5℃温度下冷冻6～24h，再转入-80～-20℃温度和真空环境下冷冻48～96h，得到所述杏鲍菇基光热转化材料。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述光热转换材料改性反应液为盐酸多巴胺反应液。
作为本发明的进一步改进，所述盐酸多巴胺反应液的配制方法包括：配制浓度为1～4g/L的盐酸多巴胺水溶液，然后采用碱溶液将所述盐酸多巴胺水溶液的pH值调至8.0～8.5，得到所述盐酸多巴胺反应液。
作为本发明的进一步改进，所述碱溶液为浓度为0.1～1mol/L的氢氧化钠水溶液。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述预设柱状体包括但不限于为圆柱体、长方体或正方体，且所述预设柱状体的高度方向与所述杏鲍菇的生长方向相同。
作为本发明的进一步改进，所述圆柱体的直径为2～5cm，高为2～8cm；所述长方体的长为2～5cm，宽为2～5cm，高为2～8cm；所述正方体的边长为2～5cm。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述超声清洗的80～100Hz。
作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，所述光热转换材料改性反应液的温度为20～35℃，所述搅拌反应的搅拌速度为200～500r/min。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1和S3中，所述真空环境的真空度为1～10Pa。
一种杏鲍菇基光热转化材料，采用以上所述的制备方法制备得到。
本发明的有益效果是：
1.本发明提供的杏鲍菇基光热转化材料，以杏鲍菇作为基体材料，按其生长方向裁剪为柱状体，使得柱状体的高度方向与杏鲍菇的生长方向相同。然后真空冷冻干燥，能够得到机械性能较好的多孔生物质基体；再将其置于光热转换材料改性反应液中，反应一定时间，使得光热转换材料均匀地吸附于杏鲍菇的多孔结构及表面上，最后再进行进一步的冷冻干燥，即得到光热转换效率机械强度较高的杏鲍菇基光热转化材料。如此操作，能够很好地利用杏鲍菇生长方向上的多孔结构，得到了集光热转化部分、保温部分、水分传输部分为一体光热转换材料。该光热转换材料不仅可以通过芯吸效应自动由下而上的运输水分，还可以保温以减少热量的损失，具有成本低、操作简单、可自然降解、对环境友好等特点。
2.本发明优选吸附性较强的盐酸多巴胺为光热转换材料溶液，并将溶液的pH值控制在8.0～8.5范围内，使得反应活性最佳，且不会破坏杏鲍菇结构。利用盐酸多巴胺的超强黏附性和杏鲍菇的多孔性质巧妙地将多巴胺黏附在杏鲍菇的表面及孔壁上，得到了集光热转化部分、保温部分、水分传输部分为一体光热转换材料。
3.本发明以天然可食用菌类杏鲍菇为基材，经过简单的改性即获得了优良的光热转化性能，原料来源广，可大量人工种殖，一年四季均可获得，价格便宜成本低，可大量生产。本发明制备的杏鲍菇基光热转化材料对环境友好，可自然降解，对人体，对动植物均无毒无害，安全性能好。；
附图说明
图1中a1和a2为杏鲍菇基光热材料内部横截面不同放大倍数的SEM图，b1和b2为杏鲍菇基光热材料内部纵截面不同放大倍数的SEM图；
图2为杏鲍菇基光热材料的孔径分布图；
图3为实施例1制备的杏鲍菇基光热转化材料及杏鲍菇和纯水的光热效率随时间的变化曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在具体实施例中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本发明提供的一种杏鲍菇基光热转化材料的制备方法，包括以下步骤：
S1.将裁剪为预设柱状体的杏鲍菇用去离子水超声清洗，取出并清除其表面水分，然后在-20～-5℃温度下冷冻6～24h，再转入-80～-20℃温度和真空环境下冷冻48～96h，得到预处理的杏鲍菇。
切割后的杏鲍菇置入-20～-5℃环境内冷冻6～24h，是由于-20℃完全足够将杏鲍菇里面的水分冰冻，过低的温度浪费大量的能量，当温度高于-5℃时，冰冻速率慢。冰冻时间选择为6～24h，当时间高于24h时，杏鲍菇已冰冻完全，造成能量的高消耗；当时间低于6h时，杏鲍菇无法完全冰冻。真空冻干的温度为-80～-20℃的原因在于，高于-20℃会导致冻干速度过快，破坏杏鲍菇的结构，而高于-80℃的原因是-80℃已经可以很好的保留杏鲍菇的结构，并且低于-80℃的环境需要大量的能量，造成能量的浪费。
S2.配制光热转换材料改性反应液。所述光热转换材料选自无机纳米光热转换材料(例如Au、Ag、Pt、Pd等贵金属纳米晶体)、碳纳米光热转换材料(例如石墨、碳纳米管、石墨烯等碳纳米材料)或者共轭聚合物光热转换材料。所述光热转换材料改性反应液优选为吸附性较好的光热转换材料配制得到的反应液。
S3.将步骤S1得到的所述预处理的杏鲍菇置入步骤S2得到的所述光热转换材料改性反应液中，磁力搅拌反应6～12h后，取出并清除其表面水分，然后在-20～-5℃温度下冷冻6～24h，再转入-80～-20℃的真空环境下冷冻48～96h，得到所述杏鲍菇基光热转化材料。
通过上述技术方案，以杏鲍菇作为基体材料，按其生长方向裁剪为柱状体，使得柱状体的高度方向与杏鲍菇的生长方向相同。然后真空冷冻干燥，能够得到机械性能较好的多孔生物质基体；再将其置于光热转换材料改性反应液中，反应一定时间，使得光热转换材料均匀地吸附于杏鲍菇的多孔结构中，最后再进行进一步的冷冻干燥，即得到光热转换效率机械强度较高的杏鲍菇基光热转化材料。本发明能够很好地利用杏鲍菇生长方向上的多孔结构，得到了集光热转化部分、保温部分、水分传输部分为一体光热转换材料。该光热转换材料不仅可以通过芯吸效应自动由下而上的运输水分，还可以保温以减少热量的损失，具有成本低、操作简单、可自然降解、对环境友好等特点。
在步骤S2中，所述光热转换材料改性反应液优选为盐酸多巴胺反应液。利用盐酸多巴胺的超强黏附性和杏鲍菇的多孔性质巧妙地将多巴胺黏附在杏鲍菇的表面及孔壁上，得到了集光热转化部分、保温部分、水分传输部分为一体光热转换材料。
所述盐酸多巴胺反应液的配制方法包括：配制浓度为1～4g/L的盐酸多巴胺水溶液，然后采用碱溶液将所述盐酸多巴胺水溶液的pH值调至8.0～8.5，得到所述盐酸多巴胺反应液。盐酸多巴胺溶液的浓度低于1g/L会导致反应不够充分，高于4g/L会导致盐酸多巴胺的浪费。盐酸多巴胺反应液的pH值低于8.0会使反应活性不够，反应速度较慢，而pH值高于8.5会破坏杏鲍菇的结构。
所述碱溶液为浓度为0.1～1mol/L的氢氧化钠水溶液。氢氧化钠溶液的溶度低于0.1mol/L时，导致需要大量的氢氧化钠溶液，大大加长了添加的时间，而高于1mol/L会导致pH值变化较大，不便于控制。氢氧化钠溶液可以直接购买，也可以实验室自配。
在步骤S1中，所述预设柱状体包括但不限于为圆柱体、长方体或正方体，且所述预设柱状体的高度方向与所述杏鲍菇的生长方向相同。
所述圆柱体的直径为2～5cm，高为2～8cm；所述长方体的长为2～5cm，宽为2～5cm，高为2～8cm；所述正方体的边长为2～5cm。
在步骤S1中，所述超声清洗的80～100Hz。超声波清洗器的频率低于80Hz时不能完全清洗掉杏鲍菇表面的杂质，频率高于100Hz会破坏杏鲍菇的微观孔道结构。超声清洗时间优选为30～60min的，低于30min会清洗不干净，高于60min会破坏杏鲍菇的结构，把杏鲍菇切割成圆柱体或者长方体或者正方体是因为杏鲍菇本身的形状与这些形状接近，并且便于面积和蒸发效率的计算。
在步骤S3中，所述光热转换材料改性反应液的温度为20～35℃，所述搅拌反应的搅拌速度为200～500r/min。反应温度为20～35℃，是由于步骤S3的反应下在室温下进行，20～35℃是保证反应活性的条件下合适的室温温度。搅拌时间为6～12h是保证反应完全又不会浪费反应时间的时间范围。搅拌速度为200～500r/min，是因为低于200r/min会导致反应不完全，高于500r/min会溶于破坏杏鲍菇的结构。
在步骤S1和S3中，所述真空环境的真空度为1～10Pa。
一种杏鲍菇基光热转化材料，采用以上所述的制备方法制备得到。
实施例1
一种杏鲍菇基光热转化材料，通过以下步骤制备：
S1.杏鲍菇的预处理
将新鲜的杏鲍菇用去离子水浸泡并置入超声波清洗器中，使用80Hz频率超声清洗60min，用吸水纸擦除掉杏鲍菇表面的水分，然后将杏鲍菇切割成圆柱体或长方体或正方体，切割后的杏鲍菇置入-20℃环境内冷冻6h，冷冻后的杏鲍菇放入真空度为10Pa，温度为-80℃的环境96h，取出即可得到预处理的杏鲍菇。
其中，浸泡杏鲍菇所用去离子水和杏鲍菇的质量比为5:1，圆柱体的直径为5cm，高为8cm，高的方向为杏鲍菇的生长方向。
S2.盐酸多巴胺反应液的制备
称取盐酸多巴胺固体加入去离子水中，以400r/min的搅拌速率搅拌至盐酸多巴胺固体完全溶解，得到浓度为1g/L的盐酸多巴胺水溶液；把浓度为0.2mol/L的氢氧化钠水溶液以10滴/min的速率滴加入其中，同时以20r/min搅拌速率搅拌的盐酸多巴胺水溶液中，并用pH计测量盐酸多巴胺水溶液的pH值，当盐酸多巴胺水溶液的pH值达到8.0时，停止滴加氢氧化钠水溶液，得到盐酸多巴胺反应液，将盐酸多巴胺反应液转移至低温(2℃)环境冷藏，备用。
S3.杏鲍菇基光热转化材料的制备
将步骤S1制备的预处理的杏鲍菇置入步骤S2制备的盐酸多巴胺反应液中，在20℃下，以500r/min的搅拌速度于磁力搅拌器上搅拌6h；取出反应后的杏鲍菇，用吸水纸擦除反应后的杏鲍菇表面的液体；把反应后的杏鲍菇置入-20℃环境内冷冻6h，然后转入真空度为10Pa，温度为-80℃的环境放置96h，取出即可得到杏鲍菇基光热转化材料。
请参阅图1和2所示，可以看出，杏鲍菇基光热转化材料内部呈三维多通道多孔结构，且孔径集中分布在10～30μm。此种结构赋予杏鲍菇基光热转化材料光热转化、保温和水分传输功能，不仅可以通过芯吸效应自动由下而上的运输水分，还可以保温以减少热量的损失。
将步骤S3制备的杏鲍菇基光热转化材料放入烧杯中，加入适量的水，使杏鲍菇基光热转化材料浮在水面上(其高度方向与水平面垂直)，放入功率为1kW/m2的光照条件下，测量烧杯内水损失的质量，计算水损失质量与光照面积和时间的比值，得到水蒸发速率，单位为kg·m-2·h-1，计算结果如图3所示。可以看出，杏鲍菇基光热转化材料水蒸发速度为1.60±0.5kg·m-2h-1，是杏鲍菇的2倍。
实施例2-5及对比例1-3
实施例2-5及对比例1-3提供的杏鲍菇基光热转化材料，与实施例1相比，不同之处在于，在步骤S1中，冷冻温度和真空冷冻温度如表1所示，其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。
表1实施例2-5及对比例1-3的制备条件
| 试验例 | 冷冻温度(℃) | 真空冷冻温度(℃) |
| 实施例2 | -10 | -80 |
| 实施例3 | -5 | -80 |
| 实施例4 | -20 | -60 |
| 实施例5 | -20 | -20 |
| 对比例1 | 未进行冷冻处理 | -80 |
| 对比例2 | -20 | 未进行真空冷冻处理 |
| 对比例3 | 未进行冷冻处理 | 未进行真空冷冻处理 |
在步骤S1中，真空冻干前对样品的冷冻处理是真空冻干的前提，若未进行冷冻处理，则真空冻干无法进行。当冷冻后未进行真空冷冻处理时，制备的杏鲍菇基光热转化材料的结构会被破坏并且会导致步骤S3反应不够完全。这是因为，样品中的水分会直接融化，样品的结构则会坍塌导致。当既没有冷冻处理也没有真空冷冻时，会使样品中的水分没有去除，导致后续的步骤S3反应不完全。
实施例6-9及对比例4-6
实施例6-9及对比例4-6提供的杏鲍菇基光热转化材料，与实施例1相比，不同之处在于，在步骤S3中，冷冻温度和真空冷冻温度如表2所示，其他与实施1大致相同，在此不再赘述。
表2实施例6-9及对比例4-6的制备条件
| 试验例 | 冷冻温度(℃) | 真空冷冻温度(℃) |
| 实施例6 | -10 | -80 |
| 实施例7 | -5 | -80 |
| 实施例8 | -20 | -60 |
| 实施例9 | -20 | -20 |
| 对比例4 | 未进行冷冻处理 | -80 |
| 对比例5 | -20 | 未进行真空冷冻处理 |
| 对比例6 | 未进行冷冻处理 | 未进行真空冷冻处理 |
在步骤S3中，当未对杏鲍菇进行冷冻处理时真空冷冻处理无法进行。当冷冻后未进行真空冷冻处理时，制备的杏鲍菇基光热转化材料的结构会被破坏，力学性能会变差，样品会坍塌。当既没有冷冻处理也没有真空冷冻时，会使样品中的水分没有去除，不利于样品的保存并且会导致样品中的盐酸多巴胺与杏鲍菇基结合的不够紧密。
实施例10-11及对比例7-8
实施例10-11及对比例7-8提供的杏鲍菇基光热转化材料，与实施例1相比，不同之处在于，在步骤S2中，盐酸多巴胺水溶液的pH值如表3所示，其他与实施1大致相同，在此不再赘述。
表3实施例10-11及对比例7-8的制备条件
| 试验例 | 盐酸多巴胺水溶液的pH值 |
| 实施例10 | 8.25 |
| 实施例11 | 8.5 |
| 对比例7 | 9 |
| 对比例8 | 7.5 |
盐酸多巴胺反应液的pH值低于8.0时，反应活性偏低，反应速度较慢，而pH值高于8.5时会破坏杏鲍菇的结构。因此，PH值过高或过低得到的杏鲍菇基光热转化材料的样品的光热转换性能变差。
综上所述，本发明提供的杏鲍菇基光热转化材料，采用价廉易得的生物质材料杏鲍菇作为基体，按生长方向对其进行裁剪后冷冻干燥，然后吸附高光吸收材料。本发明利用盐酸多巴胺的超强黏附性和杏鲍菇的多孔性质巧妙地将多巴胺黏附在杏鲍菇的表面及孔壁上，得到了集光热转化部分、保温部分、水分传输部分为一体光热转换材料。不仅可以通过芯吸效应自动由下而上的运输水分，还可以保温减少热量的损失，具有成本低、操作简单、可自然降解、对环境友好等特点。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种杏鲍菇基光热转化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将裁剪为预设柱状体的杏鲍菇用去离子水超声清洗，取出清除表面水分，然后在-20～-5℃温度下冷冻6～24h，再转入-80～-20℃温度和真空环境下冷冻48～96h，得到预处理的杏鲍菇；
S2.配制光热转换材料改性反应液：配制浓度为1～4g/L的盐酸多巴胺水溶液，然后采用碱溶液将所述盐酸多巴胺水溶液的pH值调至8.0～8.5，得到所述盐酸多巴胺反应液；
S3.将步骤S1得到的所述预处理的杏鲍菇置入步骤S2得到的所述光热转换材料改性反应液中，搅拌反应6～12h后，取出清除表面水分，然后在-20～-5℃温度下冷冻6～24h，再转入-80～-20℃温度和真空环境下冷冻48～96h，得到所述杏鲍菇基光热转化材料。
2.根据权利要求1所述的杏鲍菇基光热转化材料的制备方法，其特征在于，所述碱溶液为浓度为0.1～1mol/L的氢氧化钠溶液。
3.根据权利要求1所述的杏鲍菇基光热转化材料的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述预设柱状体包括但不限于为圆柱体、长方体或正方体，且所述预设柱状体的高度方向与所述杏鲍菇的生长方向相同。
4.根据权利要求3所述的杏鲍菇基光热转化材料的制备方法，其特征在于，所述圆柱体的直径为2～5cm，高为2～8cm；所述长方体的长为2～5cm，宽为2～5cm，高为2～8cm；所述正方体的边长为2～5cm。
5.根据权利要求1所述的杏鲍菇基光热转化材料的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述超声清洗的频率为80～100Hz。
6.根据权利要求1所述的杏鲍菇基光热转化材料的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述光热转换材料改性反应液的温度为20～35℃，所述搅拌反应的搅拌速度为200～500r/min，搅拌方法为磁力搅拌。
7.根据权利要求1所述的杏鲍菇基光热转化材料的制备方法，其特征在于，在步骤S1和S3中，所述真空环境的真空度为1～100Pa。
8.一种杏鲍菇基光热转化材料，其特征在于，采用权利要求1至7中任一项权利要求所述的制备方法制备得到。
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