一种蒲草基光热界面蒸发材料及其制备方法和应用

1.本发明涉及能源利用、生物质资源循环使用以及光热蒸发材料技术领域，尤其涉及一种蒲草基光热界面蒸发材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.近年的风险报告中，世界经济论坛将水资源短缺列为全球最大的危机之一。因此，寻找洁净的水资源已经被列入许多国家和政府的发展计划中。在地球上所有的水资源中，97％都是不能被饮用的盐水，所以海水淡化技术成为了解决水资源短缺的关键技术。海水淡化处理技术主要有膜技术和热处理技术。这些技术的主要缺点是高耗能影响海水淡化成本以及加剧能源危机。因此，为海水淡化技术寻找可替代的清洁能源迫在眉睫。
3.太阳能具有清洁、有效、廉价的特点，可用于海水淡化技术。然而传统的太阳能海水淡化装置的能量利用率低且其投资成本高，不适合广泛使用。近年来，科学家们着重研究更高效，自驱动，便携的太阳能－蒸汽装置。这些太阳能－蒸汽系统利用新型的太阳能吸收体来高效地汽化水，从而纯化海水或者污水。太阳能－蒸汽系统主要可以分为三类：光热转化材料在水的底部，光热转化材料悬浮在水中以及基于界面加热的太阳能热蒸汽转换。相较于前两种太阳能光热－蒸汽转化系统，界面加热光热－蒸汽转化体系因效率更高而获得更多的关注。
4.典型的界面太阳能蒸发系统包含以下几个部分：太阳能吸收层，热保温层，水供应通道，蒸汽逸散通道。入射太阳光首先被太阳能吸收层吸收转换为热量。与此同时，在毛细作用下，水通过供应通道浸润表层。目前，界面太阳能蒸发系统中的吸收体主要包括金属等离子体材料、半导体材料、碳基材料等。金属等离子体材料的主要缺点是容易被海水腐蚀重复使用率低；半导体材料由于窄的吸收带，导致光热转化材料的制备方法复杂；碳基材料中的石墨烯由于价格昂贵很难应用于实际生产。生物质废弃物价格低廉且可再生，是丰富的碳源，因此，基于生物质废弃物的膜材料是一类良好的光热界面蒸汽转化材料。
5.蒲草是一种多年生草本植物，生于湖泊、河流或池塘浅水处，广泛分布于世界各地。蒲草生长迅速，产量多，分布广。作为一种水生植物，可用于美化水面和湿地，同时对富营养化水体具有明显的净化效应。蒲草叶是蒲草的主要部分，其上部扁平，中部微凹，下部逐渐隆起成凸状，横切面为半圆形，细胞间隙大，通气组织十分发达，呈海绵状，有很强的通气能力和吸水能力，可快速有效地运输水分及营养物质。然而在我国，蒲草被用于编织物、造纸等，利用率很低，而且现有技术中并没有利用蒲草作原材料制备成光热界面转化材料。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提出了一种蒲草基光热界面蒸发材料及其制备方法和应用，以解决或部分解决现有技术中存在的问题。
7.第一方面，本发明提供了一种蒲草基光热界面蒸发材料的制备方法，包括以下步骤：
8.将蒲草置于管式炉中以3～10℃/min升温至350～950℃，碳化1～3h，得到碳粉；
9.将蒲草加入至反应釜中，然后加入氢氧化钠溶液于150～180℃下反应10～15h，洗涤后得到蒲草叶纤维素；
10.将蒲草叶纤维素加入至容器内，再加入水，搅拌后再加入碳粉，过滤后得到蒲草基光热膜，即为蒲草基光热界面蒸发材料。
11.优选的是，所述的蒲草基光热界面蒸发材料的制备方法，将蒲草置于管式炉碳化后，还包括将碳化后的蒲草使用1～3m盐酸溶液洗涤碳化后的蒲草，再用水洗涤至中性，干燥后球磨即得碳粉。
12.优选的是，所述的蒲草基光热界面蒸发材料的制备方法，氢氧化钠溶液的浓度为1～3m。
13.优选的是，所述的蒲草基光热界面蒸发材料的制备方法，将蒲草叶纤维素加入至容器内，再加入水，搅拌后再加入碳粉，过滤后得到蒲草基光热膜的步骤中，蒲草叶纤维素、碳粉和水的质量体积比为(1～2)g:(0.1～0.3)g:(20～30)ml。
14.优选的是，所述的蒲草基光热界面蒸发材料的制备方法，还包括将蒲草叶捆扎成束后作为导水材料，将制备得到的蒲草基光热膜置于蒲草叶导水材料之上即得蒲草基光热界面蒸发材料。
15.优选的是，所述的蒲草基光热界面蒸发材料的制备方法，干燥后球磨即得碳粉，其中球磨时间为20～40min。
16.第二方面，本发明还提供了一种蒲草基光热界面蒸发材料，采用所述的制备方法制备得到。
17.第三方面，本发明还提供了一种所述的蒲草基光热界面蒸发材料在海水淡化、污水处理中的应用。
18.本发明的一种蒲草基光热界面蒸发材料及其制备方法和应用，相对于现有技术具有以下有益效果：
19.1、本发明的蒲草基光热界面蒸发材料的制备方法，利用蒲草作原材料制备成光热转化蒲草基光热膜，制备的蒲草基光热膜具有三维的孔洞结构，超强的亲水和导水能力，以及良好的吸光性能；蒲草作为碳源能有效地吸收太阳光实现光热转化，同时利用蒲草叶作为亲水和导水材料来提高蒸水效率和阻盐能力，相较于石墨烯等其它太阳光吸收体，价格低廉的蒲草基光热界面转化材料更易于满足现实生活中海水淡化应用。本技术制备得到的蒲草基光热界面蒸发材料，具有如下优点：可以有效地淡化海水、净化地下水和染料废水；循环利用稳定性好；具有更高地光热转化效率，可达75％～85％；原材料可再生，成本低，能实现大规模地应用。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明的蒲草基光热界面蒸发材料的制备方法流程图；
22.图2为本发明实施例1中制备得到的蒲草基光热膜的照片；
23.图3为本发明实施例1中制备得到的蒲草基光热膜的表面形貌图；
24.图4为本发明实施例1中制备得到的蒲草基光热膜的紫外可见近红外吸收光谱图；
25.图5为本发明实施例1中制备得到的蒲草基光热膜的亲水性能；
26.图6为本发明实施例1中制备得到的蒲草基光热界面蒸发材料在户外淡化海水；
27.图7海水中阳离子的浓度和淡化海水收集的水蒸汽中阳离子浓度的对比图；
28.图8为染料废水和收集的净化染料废水的紫外光谱对比图。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
30.下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
31.本技术实施例提供了一种蒲草基光热界面蒸发材料的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
32.s1、将蒲草置于管式炉中以3～10℃/min升温至350～950℃，碳化1～3h，得到碳粉；
33.s2、将蒲草加入至反应釜中，然后加入氢氧化钠溶液于150～180℃下反应10～15h，洗涤后得到蒲草叶纤维素；
34.s3、将蒲草叶纤维素加入至容器内，再加入水，搅拌后再加入碳粉，过滤后得到蒲草基光热膜，即为蒲草基光热界面蒸发材料。
35.在一些实施例中，将蒲草置于管式炉碳化后，还包括将碳化后的蒲草使用1～3m盐酸溶液洗涤碳化后的蒲草，再用水洗涤至中性，干燥后球磨即得碳粉。
36.在一些实施例中，氢氧化钠溶液的浓度为1～3m。
37.在一些实施例中，将蒲草叶纤维素加入至容器内，再加入水，搅拌后再加入碳粉，过滤后得到蒲草基光热膜的步骤中，蒲草叶纤维素、碳粉和水的质量体积比为(1～2)g:(0.1～0.3)g:(20～30)ml。
38.在一些实施例中，还包括将蒲草叶捆扎成束后作为导水材料，将制备得到的蒲草基光热膜置于蒲草叶导水材料之上即得蒲草基光热界面蒸发材料。
39.在一些实施例中，干燥后球磨即得碳粉，其中球磨时间为20～40min。
40.具体的，在一些实施例中，蒲草基光热界面蒸发材料的制备方法，包括以下步骤：
41.s1、将蒲草叶剪成0.5～1cm小段备用，将8～12g剪断的蒲草叶放入坩埚中并置于管式炉中，以3～10℃/min升温至350～950℃，保持碳化1～3h，冷却至室温，用10～20ml 1m盐酸洗涤碳化后的蒲草叶，用自来水和去离子水洗涤碳化的蒲草碳至中性，干燥，然后放入球磨机中球磨20～40分钟得到碳粉；
42.s2、将1～3g的蒲草叶加入到100ml的反应釜中，然后加入60～80ml 1～3mnaoh溶液，在150～180℃的条件下反应12小时，用自来水和去离子水洗涤至中性，通过减压过滤得到蒲草叶纤维素；
43.s3、取1～2g步骤s2中制备得到的蒲草叶纤维素于50ml烧杯中，然后加入20～30ml去离子水，磁力搅拌30min使蒲草叶纤维素完全分散，再加入0.1～0.3g的碳粉，超声30分钟使碳粉完全附着到蒲草叶纤维素上，最后通过减压过滤得到在太阳光下能蒸发水的蒲草基光热膜；
44.s4、将蒲草叶剪成3～10cm小段，并排捆扎成束，作为导水材料，将步骤s3所制备的蒲草基光热膜置于蒲草叶导水材料之上，构成光热界面蒸发系统。
45.基于同一发明构思，本技术还还提供了上述制备方法制备得到的蒲草基光热界面蒸发材料在海水淡化、污水处理中的应用。
46.本技术的蒲草基光热界面蒸发材料的制备方法，利用蒲草作原材料制备成光热转化蒲草基光热膜，制备的蒲草基光热膜具有三维的孔洞结构，超强的亲水和导水能力，以及良好的吸光性能；蒲草作为碳源能有效地吸收太阳光实现光热转化，同时利用蒲草叶作为亲水和导水材料来提高蒸水效率和阻盐能力，相较于石墨烯等其它太阳光吸收体，价格低廉的蒲草基光热界面转化材料更易于满足现实生活中海水淡化应用。本技术制备得到的蒲草基光热界面蒸发材料，具有如下优点：可以有效地淡化海水、净化地下水和染料废水；循环利用稳定性好；具有更高地光热转化效率，可达75％～85％；原材料可再生，成本低，能实现大规模地应用。
47.以下进一步以具体实施例说明本技术的蒲草基光热界面蒸发材料的制备方法及其应用。
48.实施例1
49.本技术实施例提供了一种蒲草基光热界面蒸发材料的制备方法，包括以下步骤：
50.s1、将10g蒲草叶放入坩埚中并置于管式炉中，以5℃/min升温至700℃，保持碳化2h，冷却至室温，用10ml 1m盐酸洗涤碳化后的蒲草叶，用自来水和去离子水洗涤碳化的蒲草碳至中性，干燥，然后放入球磨机中球磨30min得到碳粉；
51.s2、将2g的蒲草叶加入到100ml的反应釜中，然后加入80ml 3m naoh溶液，在180℃的条件下反应12小时，用自来水和去离子水洗涤至中性，通过减压过滤得到蒲草叶纤维素；
52.s3、取1g步骤s2中制备得到的蒲草叶纤维素于50ml烧杯中，然后加入30ml去离子水，磁力搅拌30min使蒲草叶纤维素完全分散，再加入0.1g的碳粉，超声30分钟使碳粉完全附着到蒲草叶纤维素上，最后通过减压过滤得到在太阳光下能蒸发水的蒲草基光热膜；
53.s4、将蒲草叶剪成3cm小段，并排捆扎成束，作为导水材料，将步骤s3所制备的蒲草基光热膜置于蒲草叶导水材料之上，构成光热界面蒸发系统。
54.对比例1
55.本对比例提供了一种蒲草膜的制备方法，包括以下步骤：
56.s1、将2g的蒲草叶加入到100ml的反应釜中，然后加入80ml 3m naoh溶液，在180℃的条件下反应12小时，用自来水和去离子水洗涤至中性，通过减压过滤得到蒲草叶纤维素；
57.s2、取1g步骤s1中制备得到的蒲草叶纤维素于50ml烧杯中，然后加入30ml去离子水，磁力搅拌30min使蒲草叶纤维素完全分散，最后通过减压过滤得到蒲草膜。
58.性能测试
59.实施例1中制备得到的蒲草基光热膜的照片如图2所示。
60.实施例1中制备得到的蒲草基光热膜的表面形貌如图3所示，放大倍率为220。
61.测试实施例1中制备得到蒲草基光热膜、实施例1中制备得到的碳粉、对比例1中制备得到的蒲草膜的紫外可见近红外吸收光谱，结果如图4所示。具体的，图4中ct-c即为实施例1中的蒲草基光热膜、c即为实施例1中的碳粉、ct即为对比例1中的蒲草膜。图4中solar radiance表示太阳光谱不同波段曲线。
62.将上述不同的材料放入到紫外-可见-近红外光谱仪(日本岛津，型号为solidspec-3700)中，在波长为250-2500nm的范围内，测试材料的吸光性能，发现对比例1中的蒲草膜ct的吸光性能较低为40％左右，而实施例1中的碳粉c和实施例1中蒲草基光热膜ct-c具有很强的吸光性能且相近，在98％左右，表明蒲草基光热膜是潜在的高效率的光热界面蒸发材料。
63.将实施例1中制备得到的蒲草基光热膜ct-c以及对比例1中制备得到的蒲草膜ct分别粘附于光洁的玻璃片上，将玻璃片放入德国德飞(型号oac25)的玻璃板上，通过静滴法测试材料的亲水性能，结果如图5所示。从图5中可以看出，材料在很短的时间内将水滴吸收，证明蒲草基光热膜ct-c以及蒲草膜ct具有很强的亲水性能。
64.实施例1中制备得到的蒲草基光热界面蒸发材料在1个标准太阳光照射下，光热界面蒸发材料水的蒸发量为1.3～1.8kg m-2
h-1
。
65.具体的，界面蒸发过程中，太阳光照射到光热膜，水被局部加热蒸发，导水材料将底部的水不断地输送到光热膜表面，维持界面蒸发过程。具体实验如下：将蒲草叶捆扎成束后作为导水材料，外围包裹上聚苯乙烯泡沫作为保温层，将制备得到的蒲草基光热膜置于蒲草叶导水材料之上，然后将整个材料放置于盛有海水或废水的烧杯中，再将整个烧杯置于连接有电脑的天平之上。当太阳光照射到光热材料，烧杯中水的质量变化立刻在电子天平和电脑被记录下来，水蒸发速率在稳定条件下测试60min，从而评估材料的水蒸发速率。
66.利用现有的太阳能转化效率公式计算，采用本发明制备的光热界面蒸发材料光热转化效率可达65％～85％。
67.太阳能转化效率公式为
68.式中η代表太阳能转化效率，m(kg m-2
h-1
)是水蒸发率，δhv是水的蒸发焓，为2260(kj kg-1
)，c
op
t是光学浓度，q0为一个太阳光强的辐射功率(1kw m-2
)。
69.在1个标准太阳光(1kw m-2
)照射下，采用实施例1中制备得到的光热界面蒸发材料，重复利用20次后，水蒸发效率没有明显地减小，表明采用本发明方法制备光热转化材料可反复利用。
70.在自然光强照射下，采用实施例1的中制备得到的光热界面蒸发材料的淡化海水性能评价如图6和图7所示。
71.具体测试方法如下：为了收集蒸发出的水，将蒲草基光热膜置于一个透明的半球形玻璃罩内，蒲草基光热膜置于蒲草叶导水材料之上，导水材料位于装有水(模拟原始海水或者染料废水)，界面蒸发过程中，太阳光照射到光热膜，水被局部加热蒸发，导水材料将底部的水不断地输送到光热膜表面，维持界面蒸发过程；在太阳光照射下(图6显示了太阳光
照射前后用红外热像仪测得蒲草基光热膜表面的温度分别为16.6℃和33.9℃)，有大量的水珠凝结在球形玻璃罩上，将蒸出的水珠进行收集，通过与原始海水或者染料(具体为亚甲基蓝)废水进行分析对比，判断光热膜淡化海水和净化染料废水的能力。以净化染料废水为例：将用蒲草基光热膜蒸发得到的水和原始染料废水分别放入到紫外可见分光光度计中(北京普析，型号tu-1950)，在染料废水中能明显发现亚甲基蓝的特征吸收峰，而在光热蒸馏得到的水中亚甲基蓝的特征吸收峰消失，证明蒲草基光热膜能有效地净化染料废水。
72.从图7中可以看出，收集的水蒸气中的na
+
、k
+
、mg
2+
、ca
2+
浓度相比烧杯中原始的na
+
、k
+
、mg
2+
、ca
2+
浓度明显减小，离子浓度满足who的标准。
73.从图8中可以看出，收集的水蒸气中亚甲基蓝吸光度相比原始水中亚甲基蓝吸光度明显减少，说明本技术的蒲草基光热膜蒲草基光热膜能有效地净化染料废水。
74.上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种蒲草基光热界面蒸发材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将蒲草置于管式炉中以3～10℃/min升温至350～950℃，碳化1～3h，得到碳粉；将蒲草加入至反应釜中，然后加入氢氧化钠溶液于150～180℃下反应10～15h，洗涤后得到蒲草叶纤维素；将蒲草叶纤维素加入至容器内，再加入水，搅拌后再加入碳粉，过滤后得到蒲草基光热膜，即为蒲草基光热界面蒸发材料。2.如权利要求1所述的蒲草基光热界面蒸发材料的制备方法，其特征在于，将蒲草置于管式炉碳化后，还包括将碳化后的蒲草使用1～3m盐酸溶液洗涤碳化后的蒲草，再用水洗涤至中性，干燥后球磨即得碳粉。3.如权利要求1所述的蒲草基光热界面蒸发材料的制备方法，其特征在于，氢氧化钠溶液的浓度为1～3m。4.如权利要求1所述的蒲草基光热界面蒸发材料的制备方法，其特征在于，将蒲草叶纤维素加入至容器内，再加入水，搅拌后再加入碳粉，过滤后得到蒲草基光热膜的步骤中，蒲草叶纤维素、碳粉和水的质量体积比为(1～2)g:(0.1～0.3)g:(20～30)ml。5.如权利要求1所述的蒲草基光热界面蒸发材料的制备方法，其特征在于，还包括将蒲草叶捆扎成束后作为导水材料，将制备得到的蒲草基光热膜置于蒲草叶导水材料之上即得蒲草基光热界面蒸发材料。6.如权利要求2所述的蒲草基光热界面蒸发材料的制备方法，其特征在于，干燥后球磨即得碳粉，其中球磨时间为20～40min。7.一种蒲草基光热界面蒸发材料，其特征在于，采用如权利要求1～6任一所述的制备方法制备得到。8.一种如权利要求7所述的蒲草基光热界面蒸发材料在海水淡化、污水处理中的应用。

技术总结
本发明提供了一种蒲草基光热界面蒸发材料及其制备方法和应用，本发明的光热界面蒸发材料的制备方法，包括：将蒲草置于管式炉中碳化，得到碳粉；将蒲草加入至反应釜中，再加入氢氧化钠反应得到蒲草叶纤维素；将蒲草叶纤维素加入至容器内，再加入水、碳粉，过滤后得到蒲草基光热膜，即为光热界面蒸发材料。本发明利用蒲草作原材料制备成光热转化蒲草基光热膜，其具有三维的孔洞结构，超强的亲水和导水能力，以及良好的吸光性能；蒲草作为碳源能有效地吸收太阳光实现光热转化，同时利用蒲草叶作为亲水和导水材料来提高蒸水效率和阻盐能力，相较于石墨烯等其它太阳光吸收体，价格低廉的蒲草基光热界面转化材料更易于满足现实生活中海水淡化应用。水淡化应用。水淡化应用。


技术研发人员：李明 张振宁 熊俊 闵雪 彭帅 彭俊军
受保护的技术使用者：武汉纺织大学
技术研发日：2022.03.04
技术公布日：2022/5/25