一种碳基吸收材料、制备方法及其应用与流程

本发明涉及界面式太阳能海水淡化领域，具体涉及一种高效廉价可调节的太阳能驱动界面式海水淡化器件及其制备方法。

背景技术：

目前应用于海水淡化的光吸收体材料有纳米材料，碳基材料，石墨,金属等离激元,和氧化石墨烯等，南开大学的陈永胜教授基于石墨烯的石墨烯材料(3dg)直接制备的一个独立的太阳能热转换器，在正常(1个太阳)甚至更弱的阳光下(低至0.25个太阳),3dg材料可以以简单和可扩展的方式直接用作高效率的清洁水发生器。yao等人提出了利用液面上漂浮的吸光性材料提高太阳能蒸发效率的新方法,他们利用漂浮的磁性fe3o4/c复合的纳米颗粒,能够将质量分数为3.5％的盐水在太阳光下的蒸发率提高2.3倍,并且实现了漂浮材料的稳定回收再利用。halas等人在报告中提到au纳米颗粒的水溶液暴露在太阳光下面会引起颗粒的局部加热,使得蒸发效率得到提高。

还有碳基材料类如麻省理工学院陈刚团队报道了由碳泡沫和石墨构成的双层海绵结构，通过热局域的方法实现高效光蒸汽转化，可以把水加热到100℃，光能-蒸汽能的转化效率可达85％，但是只能在比自然阳光强10倍的人工光源下才能达到这种效率。

纽约州立大学布法罗分校的甘巧强和复旦大学的江素华团队等使用价格低廉的碳黑粉末、亲水多孔纸张和聚苯乙烯泡沫塑料制成的“黑纸”，可以使太阳能转换效率达到88％(太阳能的88％都被用于蒸发水)。

上述方案所用的石墨烯，纳米颗粒等吸光性材料制备工艺复杂且要求较高，碳泡沫和碳粉作为吸光性材料，要达到较高的光热转化效率，必须在比自然光强10倍的人工光源下才可以达到。本专利提供一种价格低廉的碳基吸光性材料的制备方法，制备工艺简单，并且能够在自然光源下具有较高的光热转化效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种碳基吸收材料、制备方法及其应用，解决了现有技术中存在的不足。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种碳基吸收材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，按照1:(1～2):(1～2)的质量比称取生物质碳粉、乙基纤维素和硬脂酸，其中，生物质碳粉是基于权利要求1所述的一种生物质碳粉的制备方法制备所得；

步骤2，将步骤1中称取的生物质碳粉、乙基纤维素和硬脂酸溶于乙醇溶剂中，得到配置好的溶液；

步骤3，将步骤2中配置好的溶液进行加热搅拌，得到搅拌后的溶液，该溶液的质量浓度为8～16g/l；

步骤4，利用浸-沾法将海绵放置在步骤3中得到的搅拌后的溶液中，制备得到碳基吸收材料。

优选地，步骤1中，所述生物质碳粉的制备方法是：将生物质材料在真空条件下进行碳化处理，之后进行研磨处理形成生物质碳粉。

优选地，步骤3中，将步骤2中配置好的溶液进行加热搅拌的工艺条件是：在30～50℃温度下，利用磁力搅拌机以250～350r/min搅拌10～20h。

优选地，步骤4中，所述海绵为三聚氰胺海绵。

优选地，步骤4中，浸-沾法包括表面浸泡、二分之一浸泡和完全浸泡。

一种碳基吸收材料，基于所述的一种碳基吸收材料的制备方法制备所得。

一种碳基吸收材料的应用，将基于所述的一种碳基吸收材料的制备方法制备所得的碳基吸收材料应用在海水淡化器件上。

优选地，将碳基吸收材料应用在海水淡化器件之前，利用水蒸汽法对碳基吸收材料进行处理。

与现有技术相比，本发明提供的一种碳基吸收材料及其制备方法，制备的碳基吸收材料具有疏水吸光层和亲水承载层，疏水吸光层具有良好的光学性能，能有效吸收太阳光，亲水承载层加快了水分子的运输速率，加快了水的蒸发效率，从而提高了光热转化效率；光热转化仅对表层海水进行加热蒸发,从而大大提高了对光照的利用效率。

进一步的，将生物质材料为生物质碳材料，碳材料在宽波长范围中良好的耐光性以及生物降解性、低毒性等特点，有利于未来的科技转化。

附图说明

图1是未用水蒸气法处理过的碳基吸收材料的接触角测试图；

图2是水蒸气法处理过的碳基吸收材料的接触角测试图；

图3是未用水蒸气法处理过的碳基吸收材料的紫外吸收图谱；

图4是水蒸气法处理过的碳基吸收材料的紫外吸收图谱。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的一种碳基吸收材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，按照1:(1～2):(1～2)的质量比称取生物质碳粉、乙基纤维素和硬脂酸；

步骤2，将步骤1中称取的生物质碳粉、乙基纤维素和硬脂酸溶于乙醇溶剂中，得到配置好的溶液；

步骤3，将步骤2中配置好的溶液进行加热搅拌，得到搅拌后的溶液，该溶液的质量浓度为8～16g/l；

步骤4，利用浸-沾法将海绵放置在步骤3中得到的搅拌后的溶液中，制备得到碳基吸收材料，所述碳基吸收材料为表面浸泡、二分之一浸泡或完全浸泡。

其中，步骤3中，将步骤2中配置好的溶液进行加热搅拌的工艺条件是：在30～50℃温度下，利用磁力搅拌机以250～350r/min搅拌10～20h。

步骤4中，所述海绵为三聚氰胺海绵。

一种生物质碳粉的制备方法，包括以下步骤：

将生物质材料利用去离子水清洗，再放入超声清洗机，在频率20khz～40khz的条件下超声10min～30min，放入烘箱中干燥；将干燥后的生物质材料在真空、温度为800～1000℃条件下依次进行碳化处理、研磨处理形成生物质碳粉。

一种碳基吸收材料的应用，将碳基吸收材料应用在海水淡化器件上。

实施例1

一种碳基吸收材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，称取0.4g的生物质碳粉、0.4g乙基纤维素和0.4g硬脂酸；

步骤2，将步骤1中称取的生物质碳粉、乙基纤维素和硬脂酸溶于50ml的乙醇溶剂中，得到配置好的溶液；

步骤3，将步骤2中配置好的溶液在30℃温度下，利用磁力搅拌机以250r/min搅拌10h，得到搅拌后的溶液，该溶液的质量浓度为10g/l；

步骤4，利用浸-沾法将海绵放置在步骤3中得到的搅拌后的溶液中，制备得到碳基吸收材料，所述碳基吸收材料为表面浸泡。

实施例2

步骤1，称取0.2g生物质碳粉、0.4g乙基纤维素和0.2g硬脂酸；

步骤2，将步骤1中称取的生物质碳粉、乙基纤维素和硬脂酸溶于50ml的乙醇溶剂中，得到配置好的溶液；

步骤3，将步骤2中配置好的溶液在40℃温度下，利用磁力搅拌机以300r/min搅拌13h，得到搅拌后的溶液，该溶液的质量浓度为8g/l；

步骤4，利用浸-沾法将海绵放置在步骤3中得到的搅拌后的溶液中，制备得到碳基吸收材料，所述碳基吸收材料为二分之一浸泡。

实施例3

步骤1，称取0.3g生物质碳粉、0.6g乙基纤维素和0.6g硬脂酸；

步骤2，将步骤1中称取的生物质碳粉、乙基纤维素和硬脂酸溶于50ml的乙醇溶剂中，得到配置好的溶液；

步骤3，将步骤2中配置好的溶液在50℃温度下，利用磁力搅拌机以350r/min搅拌15h，得到搅拌后的溶液，该溶液的质量浓度为16g/l；

步骤4，利用浸-沾法将海绵放置在步骤3中得到的搅拌后的溶液中，制备得到碳基吸收材料，所述碳基吸收材料为完全浸泡。

通过对生物质碳粉浸入三聚氰胺海绵的厚度进行调控、配置不同浓度的生物质碳粉溶液或浸泡时间的不同，来改变三聚氰胺海绵碳泡沫在水中的漂浮状态改变其光热转化效率。

图1和图2分别显示了未经过水蒸汽法处理的碳基吸收材料的接触角和水蒸汽法处理的碳基吸收材料的接触角，未用蒸汽法处理的样品测得的接触角为130°以上，经蒸汽法处理后的样品接触角均有一定的减小(表1)。

表1碳基吸收材料的接触角

由此可知，了该碳基吸收材料表面疏水的性质，碳泡沫经过蒸汽法处理后亲水性能有一定的提高，有利于加快水分子的传输速率。

通过紫外-可见-近红外分光光度计(cary5000)对紫外吸收率的测定，碳泡沫材料的紫外吸收率均在90％以上，且完全浸泡的碳泡沫材料紫外吸收率更高，这也说明了生物质碳粉为性能良好的疏水吸光性材料，生物质碳粉在三聚氰胺海绵中的含量影响碳基吸收材料的吸光性能。

图3和图4分别显示了未经过水蒸汽法处理的碳基吸收材料的接触角和水蒸汽法处理的碳基吸收材料的紫外吸收图谱，紫外吸收率没有显著地变化，可推测在海面的环境上，该装置仍能保持优异的淡化海水性能。

在模拟的自然环境中(一次太阳辐射)，计算了生物质碳粉在三聚氰胺海绵不同浸泡厚度的光热转化。在一次太阳辐射下，表面浸泡的碳泡沫材料的e.r.可以达到0.72617kgm^-1h^-1，二分之一浸泡的碳泡沫材料的e.r.可以达到0.80811kgm^-1h^-1，完全浸泡的碳泡沫材料的e.r.可以达到0.69696kgm^-1h^-1。

该碳基吸收材料的效率稳定在50％～80％之间，二分之一浸泡的碳泡沫的蒸发效率更为优越，这也证明了可通过调整生物质碳粉浸入三聚氰胺海绵的厚度来提高碳基吸收材料的光热转化效率。

本发明具有积极的效果：

(1)本发明制备的碳基吸收材料具有疏水光吸收碳材料和亲水承载材料，能够形成一端亲水、，一端疏水的特殊结构。

(2)所选疏水光吸收碳材料是使用树叶、橘子皮等生物质材料碳化后手动研磨成的生物质碳粉，树叶、橘子皮等生物质材料为生物质碳材料，碳材料在宽波长范围中良好的耐光性以及生物降解性、低毒性等特点，有利于未来的科技转化。所选疏水材料为三聚氰胺海绵，三聚氰胺海绵和树叶、橘子皮等生物质材料的价格低廉，能够有效地降低太阳能淡化海水设备的成本。

(3)三聚氰胺海绵通过浸泡不同时间，不同浓度的生物质碳粉溶液，其密度会发生改变，会使碳泡沫材料在水中的漂浮状态，漂浮时间而不同从而影响其光热转化效率，最终可以得到适合于界面太阳能海水淡化的最佳光热转换材料。