CN113968994A - 用于太阳能界面蒸发的光热生物质气凝胶及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于太阳能界面蒸发的光热生物质气凝胶及其制备方法，属于功能材料技术领域。本发明的太阳能界面蒸发的光热生物质气凝胶的制备方法，依次包括如下步骤：将纤维素生物质材料浸泡于单宁酸溶液中，随后加入三价铁离子发生络合反应；反应后的生物质材料通过冷冻干燥获得光热生物质气凝胶。本发明获得的用于太阳能界面蒸发的光热生物质气凝胶具有优异的光热性能，在太阳光的照射下可以持续高效的将水溶液转化为水蒸气，可以作为光热界面蒸发材料，用于海水淡化和废水净化。

Description

用于太阳能界面蒸发的光热生物质气凝胶及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于太阳能界面蒸发的光热生物质气凝胶及其制备方法，属于功能材料技术领域。
背景技术
随着工业化的快速发展和全球人口的快速增长，由于能源开采和城市定居造成的污染，饮用水水源经常遭到破坏。与此同时，由于世界各地水资源分布不均，以及大量替代水资源的存在，研究人员一直致力于处理和改善自然水循环过程。基于取之不尽、用之不竭的海水和太阳能资源，太阳能驱动的界面蒸发作为一种低成本解决清洁水资源短缺的策略应运而生，并逐渐丰富起来。为了提高太阳能的利用率，各种光热材料(如碳基、金属纳米粒子、聚合物和等离子体吸收剂)被引入太阳能蒸发***。为了降低获取水资源的成本，正在寻求一种经济和环境友好的战略，将可再生生物质转化为具有光热效应的增值材料。
作为自然界中丰富的可再生生物能源，大多数生物质原材料具有极低的成本和多孔的特殊结构，可以方便、快速地从各种来源获得。生物质材料的表面碳化技术通常用于制备大多数太阳能蒸汽发生装置。生物质太阳能蒸汽发生装置虽然取得了巨大的进步，但其制造工艺复杂、合成材料难以获得等问题仍然具有挑战性。因此，有必要设计一种具有制备工艺简单、光热性能优异、成本低廉的太阳能界面蒸发材料。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于太阳能界面蒸发的光热生物质气凝胶及其制备方法，该方法以天然多孔纤维素生物质为原料，利用单宁酸和三价铁离子的络合反应生成大量的纳米颗粒赋予其光热性能，再通过冷冻干燥获得光热生物质气凝胶。本发明的制备方法工艺简单，易于规模化，得到的生物质气凝胶具有优异的光热性能，在太阳能利用、海水淡化等领域具备良好的应用前景。
本发明的第一目的在于提供一种用于太阳能界面蒸发的光热生物质气凝胶及其制备方法，依次包括如下步骤：
(1)将纤维素生物质材料切块浸泡于单宁酸溶液中，加入三价铁离子发生络合反应生成光热纳米颗粒，反应后清洗；
(2)基于步骤(1)制得的材料进行冷冻，再冷冻干燥，得到光热生物质气凝胶。
作为本发明的其中一种实施方式，所述纤维素生物质材料为茄子、丝瓜、甘蔗、萝卜、山药、竹子和秸秆中的至少一种。优选为茄子、山药、甘蔗。进一步优选为茄子。
作为本发明的其中一种实施方式，所述单宁酸的浓度为1-2000mg/mL；所述三价铁离子的浓度为1-2000mg/mL。
优选地，所述单宁酸的浓度为1-1000mg/mL。进一步优选地，所述单宁酸的浓度为1-20mg/mL。
优选地，所述三价铁离子的浓度为1-1000mg/mL。进一步优选地，所述三价铁离子的浓度为5mg/mL。
作为本发明的其中一种实施方式，所述三价铁离子为硫酸铁、氯化铁、硝酸铁中的至少一种。
作为本发明的其中一种实施方式，所述步骤(1)中的反应条件为：温度为15℃～35℃，时间为2h～8h。
作为本发明的其中一种实施方式，所述步骤(1)中的所述清洗包括醇洗和水洗，所述醇洗采用95％乙醇或无水乙醇，所述的水洗采用去离子水。
作为本发明的其中一种实施方式，所述步骤(2)中冷冻的方式为冰箱冷冻或液氮冷冻。
作为本发明的其中一种实施方式，所述步骤(2)中的冷冻温度为-196℃～0℃，冷冻时间为2～180min。
作为本发明的其中一种实施方式，所述步骤(2)中的冷冻干燥的时间为12～48h。
本发明的第二目的在于提供由前述的方法制得的太阳能界面蒸发光热生物质气凝胶。
本发明的第三目的在于提供前述的太阳能界面蒸发生物质光热气凝胶在水蒸发、海水淡化、废水净化中的应用。
本发明的有益效果：
(1)本发明的制备方法工艺简单、易操作、成本低廉，可以实现大规模批量化生产。
(2)本发明的生物质气凝胶具有优异的光热性能：在太阳光照射下可以迅速升温并且将水转化为水蒸气，实现高效的界面蒸发，其界面蒸发速率可达到1.61Kg m-2h-1。
(3)本发明的生物质气凝胶可以作为优质高效的光热界面蒸发材料，用于海水淡化和废水净化。
附图说明
图1为实施例1、对比例1制得的生物质气凝胶产品进行形貌测试SEM照片，图1(a)原始生物质气凝胶(b)光热生物质气凝胶。
图2为实施例1、对比例1、对比例2制得的产品在一个太阳光(1000W m-2)照射下表面的温度升高对比。
图3为实施例1、对比例1、对比例2制得的产品在一个太阳光(1000W m-2)照射下烧杯中的水蒸发速率对比。
图4为实施例1、对比例1、对比例2制得的产品在一个太阳光(1000W m-2)照射下烧杯中样品表面的温度升高对比。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。
测试方法：
1.形貌测试：通过扫描电子显微镜(SEM，Hitachi Su1510 Co.，Ltd.,Japan)表征生物质气凝胶样品的形貌。
2.光热升温性能测试：通过热成像仪(Testo 871，Testo Se&Co.Kgaa)记录气凝胶样品在光照条件下表面温度变化。
3.水蒸发试验：将气凝胶置于含有大量水的烧杯中，并且使用配备有AM 1.5滤光片的氙灯(Cel-S500)模拟太阳光进行照射。同时，使用太阳能计(SM206-Solar)来校准太阳光光强维持在一个太阳光(1000W m-2)，电子天平(AX224ZH/E)记录烧杯中水的质量损失来衡量气凝胶样品的界面蒸发能力，热成像仪(Testo 871，Testo Se&Co.Kgaa)记录气凝胶样品在烧杯中表面温度变化。
实施例1
一种用于太阳能界面蒸发的光热生物质气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)将新鲜的茄子切块，称取2g放置到含有50mL水溶液的烧杯中，随后加入250mg单宁酸，在室温磁力搅拌的条件下将250mg硫酸铁加入上述溶液中，反应6h后将茄子取出清洗；
(2)将步骤(1)反应后的茄子放置于液氮中冷冻2min，冷冻结束后将冷冻的茄子放置到冷冻干燥机中进行干燥36h，得到光热生物质气凝胶。
对比例1
将新鲜的茄子切块，称取2g放置于液氮中冷冻2min，冷冻结束后将冷冻的茄子放置到冷冻干燥机中进行干燥36h，得到原始生物质气凝胶。
对比例2
一种用于太阳能界面蒸发的光热生物质材料的制备方法，包括如下步骤：
将新鲜的茄子切块，称取2g放置到含有50mL水溶液的烧杯中，随后加入250mg单宁酸，在室温磁力搅拌的条件下将250mg硫酸铁加入上述溶液中，反应6h后将茄子取出清洗，得到光热生物质材料。
一、形貌对比
分别对实施例1、对比例1制得的生物质气凝胶产品进行形貌测试，结果依次如图1所示，其中图1(a)为对比例1的原始生物质气凝胶，图1(b)为实施例1的光热生物质气凝胶。
图1(a)的扫描电镜图像显示了经冷冻干燥制备的原始生物质(茄子)气凝胶呈现独特的海绵状多孔形态。原始生物质气凝胶是由成百上千个纤维片/管组成的多孔结构，具有大约20-60μm的3D相互连接的孔。从图1(b)可以看出，经过含有单宁酸、三价铁的水溶液浸泡茄子后制得的光热生物质气凝胶在保持了原有的结构的基础上，表面出现了大量的纳米颗粒，证明了纳米颗粒(光热材料)的成功复合。从太阳能界面蒸发的观点来看，这种海绵状生物多孔材料有许多大小不一的大孔，可以促进水分子的快速输送以蒸发水。
二、光热升温性能测试对比
分别对实施例1、对比例1、对比例2制得的产品进行光热升温性能测试，在一个太阳光(1000W m-2)的照射下，不同样品表面温度随太阳照射时间的变化结果如图2所示。
从图2可以看出，原始生物质气凝胶、光热生物质气凝胶和光热生物质材料的表面温度在几十秒内逐渐上升。辐照120s后，光热生物质气凝胶获得了较高且均匀的表面温度(48.2℃)，同时，随着太阳光的关闭，光热气凝胶的表面温度发生动态变化，并逐渐恢复到室温，显示出良好的光热响应性能。光热生物质气凝胶和光热生物质材料相较于原始生物质气凝胶具有更快的升温速率，且在光照下表面达到的温度高于原始生物质气凝胶(32.1℃)，证明单宁酸和三价铁离子的反应可以成功引入光热材料纳米颗粒，可以提升光热升温性能。而省略冷冻干燥技术制得的光热生物质材料的升温效果(42.2℃)低于光热生物质气凝胶。
三、水蒸发试验对比
分别对实施例1、对比例1制得的气凝胶产品、对比例2制得的光热生物质材料及空白组(未添加光热材料的纯水)进行水蒸发试验，在一个太阳光照射下，不同样品在烧杯中水的质量随太阳照射时间的变化结果如图3所示，其中图例纯水(代表空白组)。
如图3所示，在一个太阳光照射的条件下纯水和不同样品随照射时间的增加，烧杯中的水质量不断发生变化。其中，光热生物质气凝胶的水分蒸发速率可达1.61kg m-2h-1，分别是纯水(0.33kg m-2h-1)，原始生物质气凝胶(0.7kg m-2h-1)和光热生物质材料(1.01kg m-2h-1)的4.8倍、2.3和1.59倍。证明本发明的光热生物质气凝胶具有优异的水蒸发效果。
四、水蒸发升温试验对比
分别对实施例1、对比例1、对比例2制得的产品在水蒸发试验中进行光热升温性能测试，在一个太阳光照射下，不同样品在含有水溶液的烧杯中表面温度的变化结果如图4所示。
研究发现，即使当太阳光照射在漂浮在水溶液的生物质气凝胶表面时，实施例1制得的产品表面温度也会有显著的差异。
从图4可以看出，光热生物质气凝胶置于水溶液中时，在一个太阳光照射下处理10min，其表面温度可达40℃左右，远高于原始生物质气凝胶的表面温度(28℃)和光热生物质材料(32℃)。表明光热生物质气凝胶在用于水蒸发试验时，其优异的光热作用可以用来加热水体产生蒸汽。
实施例2不同单宁酸含量对于光热性能的影响
参照实施例1，区别仅在于将单宁酸的用量调整为100mg，制得了不同单宁酸含量的光热生物质气凝胶(记为光热生物质气凝胶#1)。
参照实施例1，区别仅在于将单宁酸的用量调整为50mg，制得了不同单宁酸含量的光热生物质气凝胶(记为光热生物质气凝胶#2)。
参照实施例1，区别仅在于将单宁酸的用量调整为10mg，制得了不同单宁酸含量的光热生物质气凝胶(记为光热生物质气凝胶#3)。
参照实施例1，区别仅在于将单宁酸的用量调整为500mg，制得了不同单宁酸含量的光热生物质气凝胶(记为光热生物质气凝胶#4)。
参照实施例1，区别仅在于将单宁酸的用量调整为1000mg，制得了不同单宁酸含量的光热生物质气凝胶(记为光热生物质气凝胶#5)。
参照实施例1，区别仅在于将单宁酸的用量调整为2000mg，制得了不同单宁酸含量的光热生物质气凝胶(记为光热生物质气凝胶#6)。
对实施例1和实施例2中前述不同单宁酸含量的光热生物质气凝胶，进行了光热升温性能测试，在太阳光照射下，不同样品照射120s表面温度如表1所示。
表1实施例1和实施例2制备的光热生物质气凝胶的光热升温性能测试
Figure BDA0003364296630000051
Figure BDA0003364296630000061
由表1可以看出，经太阳光照射后，实施例1和实施例2的光热生物质气凝胶均具有一定的光热作用，表面温度可以在120s内持续升高。光热生物质气凝胶可以升温至48.2℃，而同条件下，光热生物质气凝胶#1，光热生物质气凝胶#2，光热生物质气凝胶#3，光热生物质气凝胶#4，光热生物质气凝胶#5和光热生物质气凝胶#6分别升温至44.6℃，38.7℃，28.7℃，46.8℃，37.8℃和36.4℃。证明了光热生物质气凝胶可以通过改变单宁酸的含量实现不同的光热升温效果，在单宁酸和三价铁离子的浓度分别为(1～1000mg/L)范围内具有良好的光热效果，其中以实施例1为最优用量。
实施例3不同制备方法对于光热性能的影响
参照实施例1，区别仅在于将新鲜茄子的调整为500℃高温碳化后的茄子，制得了不同的光热生物质气凝胶(记为碳化光热生物质气凝胶#1)。
参照实施例1，区别仅在于将新鲜茄子的调整为600℃高温碳化后的茄子，制得了不同的光热生物质气凝胶(记为碳化光热生物质气凝胶#2)。
参照实施例1，区别仅在于将新鲜茄子的调整为700℃高温碳化后的茄子，制得了不同的光热生物质气凝胶(记为碳化光热生物质气凝胶#3)。
参照实施例1，区别仅在于将新鲜茄子的调整为800℃高温碳化后的茄子，制得了不同的光热生物质气凝胶(记为碳化光热生物质气凝胶#4)。
参照实施例1，区别仅在于将新鲜茄子的调整为900℃高温碳化后的茄子，制得了不同的光热生物质气凝胶(记为碳化光热生物质气凝胶#5)。
对实施例1和实施例3中前述不同的碳化光热生物质气凝胶，进行了光热升温性能测试，在太阳光照射下，不同样品照射120s表面温度如表2所示。
表2实施例1和实施例3制备的光热生物质气凝胶和碳化光热生物质气凝胶的光热升温性能测试
样品 表面温度(℃)
光热生物质气凝胶 48.2
碳化光热生物质气凝胶#1 45.5
碳化光热生物质气凝胶#2 42.8
碳化光热生物质气凝胶#3 43.3
碳化光热生物质气凝胶#4 44.7
碳化光热生物质气凝胶#5 46.2
由表2可以看出，随着太阳光照射后，光热生物质气凝胶(实施例1)和碳化光热生物质气凝胶均具有一定的光热作用，表面温度可以在120s内持续升高。光热生物质气凝胶可以升温至48.2℃，而同条件下，碳化光热生物质气凝胶#1，碳化光热生物质气凝胶#2，碳化光热生物质气凝胶#3，碳化光热生物质气凝胶#4和碳化光热生物质气凝胶#5分别升温至44.6℃，38.7℃和46.8℃。证明了碳化过程并不会额外提高光热生物质材料的光热性能。
实施例4不同生物质材料对于光热性能的影响
参照实施例1，区别仅在于将新鲜的茄子调整为丝瓜，制得了不同的光热生物质气凝胶(记为丝瓜生物质气凝胶)。
参照实施例1，区别仅在于将新鲜的茄子调整为甘蔗，制得了不同的光热生物质气凝胶(记为甘蔗生物质气凝胶)。
参照实施例1，区别仅在于将新鲜的茄子调整为萝卜，制得了不同的光热生物质气凝胶(记为萝卜生物质气凝胶)。
参照实施例1，区别仅在于将新鲜的茄子调整为山药，制得了不同的光热生物质气凝胶(记为山药生物质气凝胶)。
参照实施例1，区别仅在于将新鲜的茄子调整为竹子，制得了不同的光热生物质气凝胶(记为竹子生物质气凝胶)。
参照实施例1，区别仅在于将新鲜的茄子调整为秸秆，制得了不同的光热生物质气凝胶(记为秸秆生物质气凝胶)。
对实施例1和实施例4中前述不同生物质材料的光热生物质气凝胶，进行了光热升温性能测试，在太阳光照射下，不同样品照射120s表面温度如表3所示。
表3实施例1和实施例4制备的光热生物质气凝胶的光热升温性能测试
样品 表面温度(℃)
茄子生物质气凝胶 48.2
丝瓜生物质气凝胶 38.1
甘蔗生物质气凝胶 40.2
萝卜生物质气凝胶 37.7
山药生物质气凝胶 44.6
竹子生物质气凝胶 32.8
秸秆生物质气凝胶 30.1
由表3可以看出，随着太阳光照射后，基于不同生物质材料制得的光热生物质气凝胶均具有一定的光热作用，表面温度可以在120s内持续升高。光热生物质气凝胶(茄子生物质气凝胶)可以升温至48.2℃，而同条件下，丝瓜生物质气凝胶，甘蔗生物质气凝胶，萝卜生物质气凝胶，山药生物质气凝胶，竹子生物质气凝胶和秸秆生物质气凝胶分别升温至38.1℃，40.2℃，37.7℃，44.6℃，32.8℃和30.1℃。证明了基于天然多孔纤维素生物质材料(例如茄子、丝瓜、甘蔗、萝卜、山药、竹子和秸秆)制得的光热生物质气凝胶可以通过改变生物质材料实现不同的光热升温效果。其中优选为茄子生物质气凝胶、山药生物质气凝胶、甘蔗生物质气凝胶的升温效果较好，而竹子生物质气凝胶和秸秆生物质气凝胶的升温效果较差。
综上可知，本发明提供的一种用于太阳能界面蒸发的光热生物质气凝胶及其制备方法，具有制备简单、成本低廉、易于规模制造的特点，其还具有卓越的光热性能：在太阳光照射下表面温度可以迅速升高，可以作为高效的太阳能界面蒸发材料，用于海水淡化和废水净化。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种用于太阳能界面蒸发的光热生物质气凝胶的制备方法，其特征在于，依次包括如下步骤：
(1)将天然多孔纤维素生物质材料切块浸泡于单宁酸溶液中，加入三价铁离子发生络合反应生成光热纳米颗粒，反应后清洗；
(2)基于步骤(1)制得的材料进行冷冻，再冷冻干燥，得到光热生物质气凝胶。
2.根据权利要求1所述的用于太阳能界面蒸发的光热生物质气凝胶的制备方法，其特征在于，所述天然多孔纤维素生物质材料为茄子、丝瓜、甘蔗、萝卜、山药、竹子和秸秆中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的用于太阳能界面蒸发的光热生物质气凝胶的制备方法，其特征在于，所述单宁酸的浓度为1-2000mg/mL；所述三价铁离子的浓度为1-2000mg/mL。
4.根据权利要求1所述的用于太阳能界面蒸发的光热生物质气凝胶的制备方法，其特征在于，所述三价铁离子为硫酸铁、氯化铁、硝酸铁中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的用于太阳能界面蒸发的光热生物质气凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的反应条件为：温度为15℃～35℃，时间为2h～8h。
6.根据权利要求1所述的用于太阳能界面蒸发的光热生物质气凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的所述清洗包括醇洗和水洗，所述醇洗采用95％乙醇或无水乙醇，所述的水洗采用去离子水。
7.根据权利要求1所述的用于太阳能界面蒸发的光热生物质气凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的冷冻温度为-196℃～0℃，冷冻时间为2～180min。
8.根据权利要求1所述的用于太阳能界面蒸发的光热生物质气凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的冷冻干燥的时间为12～48h。
9.由权利要求1-8中任一项所述的方法制得的太阳能界面蒸发光热生物质气凝胶。
10.权利要求9所述的光热生物质气凝胶在太阳能界面蒸发、海水淡化、废水净化中的应用。
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