一种碳化/磺化一体化玉米芯基光热转换器件及其制备方法、应用技术

本发明专利技术公开了一种碳化/磺化一体化玉米芯基光热转换器件及其制备方法、应用，属于太阳能海水淡化技术领域。该碳化/磺化一体化玉米芯基光热转换器件，以玉米芯为原料，与硫酸一起进行水热反应一步原位碳化及磺化而制得的。本发明专利技术的碳化/磺化一体化玉米芯基光热转换器件蒸发效率高，抗盐性能强。本发明专利技术的碳化/磺化一体化玉米芯基光热转换器件的制备方法反应条件温和，环境友好。环境友好。环境友好。

【技术实现步骤摘要】
一种碳化/磺化一体化玉米芯基光热转换器件及其制备方法、应用


[0001]本专利技术属于太阳能海水淡化
，涉及太阳能光热转换、海水淡化以及新材料领域，特别是涉及碳化/磺化一体化玉米芯基光热转换器件及其制备方法、应用。

技术介绍

[0002]全球经济快速发展导致淡水资源供应需求急剧增加，为缓解淡水短缺压力，生物质基炭材料被广泛应用于太阳能海水淡化，例如，朱嘉课题组将蘑菇置于氩气氛围内500℃高温碳化12小时，得到碳化蘑菇，然后用于太阳能海水淡化(Adv.Mater.2017，1606762，1
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5)。由于蘑菇天然的伞形结构提供有效的供水通道及蒸发表面，具有较强的热局域特性，在蒸发过程中产生较低的热传导和辐射损耗。赵宗彬等将玉米芯置于氮气氛围内450℃高温碳化1小时，得到碳化玉米芯，用于太阳能海水淡化(Carbon.2021，179，337
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347)。他们发现玉米芯的天然多孔结构提供有效光吸收及侧面蒸发逃逸通道，具有较强的光热转换特性。上述研究均采用高温碳化处理的生物质基炭材料作为蒸发器，提出生物质独特的天然结构有利于太阳能海水淡化。但现有研究往往存在以下问题：(1)生物质高温碳化过程耗能高，且会排放含碳、氢、氧成分的碳化尾气，造成环境污染，不利于大规模应用；(2)经过碳化处理后的生物质基表面亲水基团大量损失，在海水连续蒸发过程中，蒸发器件润湿性下降、供水量不足，降低蒸发效率。因此，调节光热转换器件吸收热量和蒸发供水所需能量之间的平衡是提高太阳能海水淡化有效途径之一。
[0003]近期，Arne Thomas设计一种亲水磺酸基共价有机框架/疏水还原氧化石墨烯双区域水凝胶作为太阳能蒸发器件(J.Am.Chem.Soc.2022，144，3083
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3090)，通过精确控制亲水(磺酸基)
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疏水双区域实现可调控水润湿性，优化蒸发器件所需含水量及降低蒸发能量需求，表明磺酸基能改变蒸发器件的水状态，其太阳能海水淡化速率达3.69kg
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‑1。他们以氧化石墨烯为原料，并调节带有磺酸基团的共价有机框架含量，水热反应形成可调控水状态凝胶。该方法存在原料价格昂贵、产物结构稳定性差等问题。

技术实现思路

[0004]针对制备太阳能光热转换器件过程中设备需求高、步骤繁琐、价格不菲等问题，本专利技术提供一种碳化/磺化一体化玉米芯基光热转换器件及其制备方法、应用。其步骤是采用水热反应，以浓硫酸作为脱水剂及磺化剂，优选在低于200℃液相环境内实现玉米芯的原位碳化及磺化，一步制备得到具有磺酸基的碳化玉米芯。清洗至中性，将其置于海水或浓盐水的水平面上，在太阳光照射下制备淡水。碳化/磺化一体化玉米芯基光热转换器件相比于传统碳化玉米芯，可调节光热转换及水运输平衡，从而提升太阳能海水淡化效率。本专利技术以固体废弃物玉米芯为原料，采用水热法一步制备碳化/磺化一体化玉米芯基光热转化器件，节省原料成本，减轻设备能耗及环境负担，为生物质基光热转换器件提供经济可靠的技术路线。
[0005]本专利技术的第一方面在于公开一种碳化/磺化一体化玉米芯基光热转换器件，以玉米芯为原料，与硫酸一起进行水热反应一步原位碳化及磺化而制得。
[0006]所述玉米芯的形态可以为整体、块状或片状。
[0007]在本专利技术的一些实施方式中，所述水热反应的温度低于400℃，优选为低于250℃。
[0008]在本专利技术的一些实施方式中，所述硫酸为浓硫酸，所述玉米芯与所述浓硫酸的重量比为为1：(0.1
‑
15),优选为1：(0.3
‑
10)。
[0009]在本专利技术的一些实施方式中，所述水热反应的温度为180
‑
200℃，时间为4
‑
12h。
[0010]本专利技术的第二方面在于公开第一方面所述的碳化/磺化一体化玉米芯基光热转换器件的制备方法，包括S03，以玉米芯为原料，与硫酸一起进行水热反应一步原位碳化及磺化的步骤。
[0011]在本专利技术的一些实施方式中，所述水热反应的温度低于400℃，优选为低于250℃。
[0012]在本专利技术的一些实施方式中，所述硫酸为浓硫酸，所述玉米芯与所述浓硫酸的重量比为为1：(0.1
‑
15),优选为1：(0.3
‑
10)。
[0013]在本专利技术的一些实施方式中，所述水热反应的温度为160
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220℃，时间为1
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12h，优选为180
‑
200℃，时间为4
‑
12h。
[0014]在本专利技术的一些实施方式中，还包括S02，将所述玉米芯放入硫酸中浸泡处理的步骤，优选浸泡时间为12
‑
24h。
[0015]在本专利技术的一些实施方式中，还包括S01，将所述玉米芯用水浸泡、冲洗和干燥的过程，优选在去离子水中浸泡6
‑
24h，干燥温度为40
‑
85℃。
[0016]在本专利技术的一些实施方式中，将玉米芯浸泡在去离子水中反复冲洗2
‑
5次。
[0017]在本专利技术的一些实施方式中，还包括S04，所述水热反应结束后，冷却、用去离子水充分洗涤至中性和干燥的步骤，优选干燥温度为40
‑
120℃，干燥时间为12
‑
24h。
[0018]本专利技术的第三方面在于公开第一方面所述的碳化/磺化一体化玉米芯基光热转换器件在蒸发液体中的应用，优选所述液体为淡水、海水、浓盐水中的一种或多种。
[0019]所述淡水可以为地表水、自来水、去离子水，所述海水的盐度大约为3.5wt％NaCl，所述浓盐水的的盐度大约为3.5～20wt％NaCl。
[0020]本专利技术的有益效果：
[0021](1)反应条件温和：一般生物质基炭材料需在惰性氛围内500℃煅烧，对设备有特定要求，不利于规模化应用。本专利技术仅需高压反应釜，以浓硫酸作为脱水剂及磺化剂，在低于200℃液相环境内实现玉米芯的原位碳化及磺化，一步制备得到具有磺酸基的碳化玉米芯，制备容易、适用性广。
[0022](2)环境友好：生物质高温碳化过程会排放含碳、氢、氧成分的碳化尾气，造成环境污染。而水热反应在密闭条件下无污染气体排出，减少环境污染。
[0023](3)蒸发效率高：碳化处理后的生物质基表面亲水基团大量损失，在海水连续蒸发过程中，蒸发器件润湿性下降、供水量不足，降低蒸发效率。本专利技术一步制备得到的碳化/磺化一体化玉米芯基光热转化器件，碳化玉米芯能有效吸收太阳光，磺化基团能调节蒸发器件的水状态，两者协同可有效调节光热吸收热量和蒸发供水所需能量之间的平衡，提高太阳能海水淡化效率。
[0024](4)抗盐性能强：太阳能海水淡化过程中，碳化/磺化一体化玉米芯天然结构能有
效稀释海水浓度，同时带负电荷的亲水
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳化/磺化一体化玉米芯基光热转换器件，其特征在于，以玉米芯为原料，与硫酸一起进行水热反应一步原位碳化及磺化而制得。2.根据权利要求1所述的碳化/磺化一体化玉米芯基光热转换器件，其特征在于，所述水热反应的温度低于400℃，优选为低于250℃。3.根据权利要求1或2所述的碳化/磺化一体化玉米芯基光热转换器件，其特征在于，所述硫酸为浓硫酸，所述玉米芯与所述浓硫酸的重量比为1：(0.1
‑
15),优选为1：(0.3
‑
10)。4.根据权利要求1
‑
3任一所述的碳化/磺化一体化玉米芯基光热转换器件，其特征在于，所述水热反应的温度为180
‑
200℃，时间为2
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12h。5.一种根据权利要求1
‑
4任一所述的碳化/磺化一体化玉米芯基光热转换器件的制备方法，其特征在于，包括S03，以玉米芯为原料，与硫酸一起进行水热反应一步原位碳化及磺化的步骤。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述水热反应的温度低于400℃，优选为低于250℃。7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述硫酸为浓硫酸，所述玉米芯与所述浓硫酸的重量比为为1：(0.1<...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲江英，钟伟军，高峰，臧云浩，郭振峰，陈洪胜，黎锦兴，
申请(专利权)人：东莞市振亮精密科技有限公司，
类型：发明
国别省市：