一种生物质炭太阳能水蒸发材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种生物质炭太阳能水蒸发材料及其制备方法，以浒苔为原材料，制备过程包括清洗、预成型、干燥、炭化等步骤，所制得的材料主要由无定形碳组成，具有长程贯通孔道，能强烈吸收太阳光并转化为热能，具有优异的太阳能水蒸发性能。本发明专利技术以灾害性绿藻为原料，变废为宝，工艺简单，可大规模生产，在太阳能海水淡化、工业废水处理等领域有良好应用前景。

A biomass carbon solar water evaporation material and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种生物质炭太阳能水蒸发材料及其制备方法
本专利技术涉及新材料领域，具体涉及一种由浒苔炭化制得的生物质炭太阳能水蒸发材料。
技术介绍
全球淡水短缺、化石能源危机、气候变暖是现代社会面临的重大问题。太阳能是清洁能源，使用过程不会产生温室气体，利用太阳能进行水蒸汽获得淡水是缓解上述三大问题的有效途径。事实上，地球上的大部分能源，不管中间过程有多复杂，最终都可以追溯到太阳能。太阳能水蒸发作为一种直接了当的方法，可以直接利用太阳能生产淡水，因此受到了广泛的关注，海水淡化、污水处理等领域有着广泛的应用前景。一般来说，高效的太阳能水蒸发依赖于两个关键因素。首先，需要有性能优异的太阳能光热转换材料，用以高效吸收太阳辐射，并将吸收的能量转化为热能。第二，该材料应具有丰富的内部亲水通道，以便于水的快速输送。迄今为止，基于上述关键因素，已经提出了一些设计高效材料和设备的方法。例如，以等离子体金属(如金、铝、铟等)的纳米粒子作为光吸收剂。在太阳辐射下，等离子体金属将经历一个物理过程，即表面等离子体共振，从而在入射光诱导电场的驱动下产生移动电子。电子的集体激发吸收太阳辐射，并将吸收的能量转化为热量。半导体也可用作吸收剂，典型的例子包括硫化铜和二氧化钛的纳米粒子。半导体对太阳辐射的吸收导致电子-空穴对的产生，而这些电子和空穴在非辐射弛豫过程中能产生大量的热。碳基材料在太阳光谱范围内具有宽带吸收特性，是良好的太阳能光热利用材料。碳基材料如石墨、石墨烯、氧化石墨烯等作为太阳光吸收材料和光热转换材料被广泛研究。典型的例子是石墨烯气凝胶，它不仅能有效地吸收太阳光并将其转化为热，而且由于其高度发达的多孔结构，能快速地输送水，因而具有优异的太阳能水蒸发性能。但是，作为大规模应用的太阳能水蒸发材料，无论是等离子体金属纳米粒子，还是半导体纳米颗粒或者石墨烯气凝胶，其成本无疑是过高的。从另一个角度看，碳材料在自然界中的来源十分丰富，因此，开发一种低成本、环境友好的碳基太阳能水蒸发材料，不仅是必要的，也是可能的。在此，我们提出了一种以浒苔为原料生产高效太阳能水蒸发材料的方法。近年来，浒苔是引发我国黄海海域绿潮灾害的主要原因。海洋生态系统、沿海水产养殖和渔业受到严重威胁。每年当地政府耗费大量人力物力从海水中打捞浒苔，但是如何处理数以百万吨计的浒苔废弃物并将其变废为宝仍然是一个巨大挑战。幸运的是，浒苔的两个主要特点使其成可能成为太阳能水蒸发材料的优质原料。首先，浒苔作为生物质可以进行炭化，制备碳基材料。碳基材料已被证明是优良的光吸收剂和光热转材料。其次，浒苔的微型管状结构为水的输送提供了大量的通道，这种结构进过炭化后会保留下来，从而为水蒸汽的产生提供充足的水输运能力。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供了一种生物质炭太阳能水蒸发材料及其制备方法，以浒苔为原材料，经过清洗、预成型、干燥、炭化等步骤，制备得到的材料具有长程贯通孔道，能强烈吸收太阳光并转化为热能，从而具有优异的太阳能水蒸发性能。具体的制备方法如下：首先将收集到的浒苔经过清水冲洗，去除砂砾和其他杂质；然后将清洗过的浒苔以一定的堆积密度填充在特定形状的模具内；将填充到模具中的浒苔放入烘箱中，在60-80℃下干燥12-24小时；最后将完全干燥的浒苔从模具中取出，放入炭化炉，用氮气气氛保护，在500-800℃处理1-4小时。浒苔炭化后得到的材料主要由无定型碳组成，且有一定的石墨化程度。对材料进行微观形貌结构分析的结果表明，材料具有高度发达的贯通孔道，可以为水的输运和水蒸气的逃离提供途径。材料的微观表面具有许多鳞片状凸起，凸起的高度为2-3μm。将鳞片状凸起进一步放大可以发现鳞片状凸起表面具有很多不规则褶皱，鳞片状凸起以及褶皱增大了样品的比表面积，经测定，碳化浒苔的比表面积为9.641m2/g，从而为水蒸发提供更多的汽化面积。对样品的官能团分析结果表明，样品含有大量极性亲水性基团如OH、CN、C＝O、C-O等，这些亲水基团使得样品具有很好的润亲水特性，从而使材料中的孔道结构形成强烈的毛细作用，具有高效水输运能力，可保证有充足的水供给，促进水的蒸发。对材料进行光吸收特性分析结果表明，材料在紫外光和可见光区域的吸收率近95％，在近红外光区域的吸收率超过90％。综合起来看，材料在太阳能光谱范围的吸收率超过90％。水蒸发实验结果表明，当太阳光照强度为1kW/m2时，该材料的太阳能水蒸发效率达到68％。具体实施方式以下将结合实施例对本专利技术作进一步说明。实例1将收集到的浒苔用清水冲洗三遍，去除砂砾和其他杂质；将清洗过的浒苔填充到直径10厘米的圆形模具中，填充厚度为1厘米，然后在80℃烘箱中干燥12小时；最后将完全干燥的浒苔从模具中取出，放入炭化炉，用氮气气氛保护，在600℃处理2小时。得到的浒苔炭化材料在紫外光和可见光区域的最低吸收率为95.4％，在近红外光区域的最低吸收率为91％。当太阳光照强度为1kW/m2时，该材料的太阳能水蒸发效率达到68.7％。以海水为原水进行太阳能水蒸发收集到的淡水达到国家饮用水标准。以甲基橙溶液和罗丹明B溶液模拟染料废水为原水进行太阳能水蒸发收集到的淡水达到国家饮用水标准。实例2将收集到的浒苔用清水冲洗三遍，去除砂砾和其他杂质；将清洗过的浒苔填充到直径10厘米的圆形模具中，填充厚度为1厘米，然后在80℃烘箱中干燥12小时；最后将完全干燥的浒苔从模具中取出，放入炭化炉，用氮气气氛保护，在800℃处理2小时。得到的浒苔炭化材料在紫外光和可见光区域的最低吸收率为97.2％，在近红外光区域的最低吸收率为91.6％。当太阳光照强度为1kW/m2时，该材料的太阳能水蒸发效率达到71.5％。以海水为原水进行太阳能水蒸发收集到的淡水达到国家饮用水标准。以甲基橙溶液和罗丹明B溶液模拟染料废水为原水进行太阳能水蒸发收集到的淡水达到国家饮用水标准。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物质炭太阳能水蒸发材料及其制备方法，其特征在于，所述材料由新鲜浒苔经过清洗、预成型、干燥、炭化制得，具有长程贯通孔道，能强烈吸收太阳光并转化为热能，实现高效太阳能水蒸发。

【技术特征摘要】
1.一种生物质炭太阳能水蒸发材料及其制备方法，其特征在于，所述材料由新鲜浒苔经过清洗、预成型、干燥、炭化制得，具有长程贯通孔道，能强烈吸收太阳光并转化为热能，实现高效太阳能水蒸发。2.如权利要求1所述的生物质炭太阳能水蒸发材料及其制备方法，其特征在于，所述的新鲜浒苔经过清水冲洗，去除砂砾和其他杂质。3.如权利要求1所述的生物质炭太阳能水蒸发材料及其制备方法，其特征在于，所述的预成型是将清洗过的浒苔以一定的堆积密度填充在特定形状的模具内。4.如权利要求1所述的生物质炭太阳能水蒸发材料及其制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱海涛，刘雪娇，夏爱东，张灿英，吴大雄，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37