一种可用于太阳能海水淡化的海藻基生物炭及其制备方法

文档序号:25543106发布日期:2021-06-18 20:39阅读:499来源:国知局

本发明涉及一种生物炭,特别是涉及一种可用于太阳能海水淡化的海藻基生物炭及其制备方法。



背景技术:

传统太阳能海水淡化技术大多采用膜技术,该技术依赖于有机高分子材料,在膜分离领域应用有一定局限性,且使用时薄膜表面会沉积盐分,以致降低了淡化效率。其他传统太阳能海水淡化方法包括离子交换法、反渗透法、蒸馏法、电渗析法等,这些方法存在能耗高、成本高、操作复杂、环境污染等问题。



技术实现要素:

本发明要解决的技术问题是提供一种可用于太阳能海水淡化的海藻基生物炭,其具有较好的光热转换性能和水蒸发性能。

为解决上述技术问题,本发明的技术方案是:

一种可用于太阳能海水淡化的海藻基生物炭,其由以下步骤制备而成:

s1.将海藻加入蒸馏水中,冰浴条件下搅拌20~40分钟,调节ph值至8.5得到溶液一;

s2.将盐酸多巴胺加入步骤s1得到的溶液一中,室温搅拌18~30小时得到溶液二;

s3.将黑磷纳米片悬浮液加入步骤s2得到的溶液二中,室温搅拌18~30小时得到溶液三;

s4.将步骤s3得到的溶液三冷冻干燥4~8小时得到混合物,将混合物置于马弗炉中,升温至700℃后煅烧20~40分钟得到可用于太阳能海水淡化的海藻基生物炭。

进一步地,本发明所述黑磷纳米片悬浮液的浓度为0.2mg/ml,海藻、蒸馏水、盐酸多巴胺、黑磷纳米片悬浮液的比例为(9~11)g:90ml:0.2g:10ml。

进一步地,本发明所述步骤s1中,搅拌的速度为12000r/min。

进一步地,本发明所述步骤s2中,搅拌的速度为200r/min。

进一步地,本发明所述步骤s3中,搅拌的速度为200r/min。

本发明要解决的另一技术问题提供上述可用于太阳能海水淡化的海藻基生物炭的制备方法。

为解决上述技术问题,技术方案是:

一种可用于太阳能海水淡化的海藻基生物炭的制备方法,包括以下步骤:

s1.将海藻加入蒸馏水中,冰浴条件下搅拌20~40分钟,调节ph值至8.5得到溶液一;

s2.将盐酸多巴胺加入步骤s1得到的溶液一中,室温搅拌18~30小时得到溶液二;

s3.将黑磷纳米片悬浮液加入步骤s2得到的溶液二中,室温搅拌18~30小时得到溶液三;

s4.将步骤s3得到的溶液三冷冻干燥4~8小时得到混合物,将混合物置于马弗炉中,升温至700℃后煅烧20~40分钟得到可用于太阳能海水淡化的海藻基生物炭。

进一步地,本发明所述黑磷纳米片悬浮液的浓度为0.2mg/ml,海藻、蒸馏水、盐酸多巴胺、黑磷纳米片悬浮液的比例为(9~11)g:90ml:0.2g:10ml。

进一步地,本发明所述步骤s1中,搅拌的速度为12000r/min。

进一步地,本发明所述步骤s2中,搅拌的速度为200r/min。

进一步地,本发明所述步骤s3中,搅拌的速度为200r/min。

与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:

1)本发明利用海藻为原料制备多孔生物炭材料,因为海藻生长在海水中,自身具有排盐的孔道,所以煅烧后形成了具有特殊孔道结构的多孔生物炭,本发明利用其特殊的孔道结构作为海水蒸发通道,能有效抑制盐沉积。

2)基于多巴胺的亲水性以及自身的黏附性,本发明采用具有反应活性的聚多巴胺复合层来修饰海藻多孔生物炭的表面,进而有效吸附高效光热转换材料——黑磷纳米片,最终制成具有高效光热转换性能的可用于海水淡化的多孔生物炭。在水溶液中,多巴胺的邻苯二酚基团很容易被氧化,生成具有邻苯二醌结构的多巴胺醌化合物,多巴胺和多巴胺醌之间发生反歧化反应产生半醌自由基,然后偶合形成交联键,同时在多孔生物炭表面形成紧密附着的交联复合层。

3)黑磷纳米片会与水、氧分子反应降解成磷酸,因而本发明采用聚多巴胺有机涂层包裹黑磷纳米片,能有效隔绝水、氧分子,延缓降解行为。

4)本发明利用黑磷纳米片加速太阳能向热能的转化性能,利用海藻基多孔碳来构建海水蒸发通道,实现海水淡化的微滤和吸附杂质功能,是一种具有高效光热转化功能的海水蒸发器,能高效率转化太阳能,用于海水蒸发,解决无动力海水淡化难题。

具体实施方式

下面将结合具体实施例来详细说明本发明,在此本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明,但并不作为对本发明的限定。

实施例1

按照以下步骤制备可用于太阳能海水淡化的海藻基生物炭:

s1.将海藻加入蒸馏水中,冰浴条件下12000r/min速度下搅拌30分钟,调节ph值至8.5得到溶液一;

s2.将盐酸多巴胺加入步骤s1得到的溶液一中,200r/min速度下室温搅拌24小时得到溶液二;

s3.将浓度为0.2mg/ml的黑磷纳米片悬浮液加入步骤s2得到的溶液二中,200r/min速度下室温搅拌24小时得到溶液三,海藻、蒸馏水、盐酸多巴胺、黑磷纳米片悬浮液的比例为10g:90ml:0.2g:10ml;

s4.将步骤s3得到的溶液三冷冻干燥6小时得到混合物,将混合物置于马弗炉中,升温至700℃后煅烧30分钟得到可用于太阳能海水淡化的海藻基生物炭。

实施例2

按照以下步骤制备可用于太阳能海水淡化的海藻基生物炭:

s1.将海藻加入蒸馏水中,冰浴条件下12000r/min速度下搅拌20分钟,调节ph值至8.5得到溶液一;

s2.将盐酸多巴胺加入步骤s1得到的溶液一中,200r/min速度下室温搅拌18小时得到溶液二;

s3.将浓度为0.2mg/ml的黑磷纳米片悬浮液加入步骤s2得到的溶液二中,200r/min速度下室温搅拌18小时得到溶液三,海藻、蒸馏水、盐酸多巴胺、黑磷纳米片悬浮液的比例为9g:90ml:0.2g:10ml;

s4.将步骤s3得到的溶液三冷冻干燥4小时得到混合物,将混合物置于马弗炉中,升温至700℃后煅烧20分钟得到可用于太阳能海水淡化的海藻基生物炭。

实施例3

按照以下步骤制备可用于太阳能海水淡化的海藻基生物炭:

s1.将海藻加入蒸馏水中,冰浴条件下12000r/min速度下搅拌40分钟,调节ph值至8.5得到溶液一;

s2.将盐酸多巴胺加入步骤s1得到的溶液一中,200r/min速度下室温搅拌30小时得到溶液二;

s3.将浓度为0.2mg/ml的黑磷纳米片悬浮液加入步骤s2得到的溶液二中,200r/min速度下室温搅拌30小时得到溶液三,海藻、蒸馏水、盐酸多巴胺、黑磷纳米片悬浮液的比例为11g:90ml:0.2g:10ml;

s4.将步骤s3得到的溶液三冷冻干燥8小时得到混合物,将混合物置于马弗炉中,升温至700℃后煅烧40分钟得到可用于太阳能海水淡化的海藻基生物炭。

实施例4

按照以下步骤制备可用于太阳能海水淡化的海藻基生物炭:

s1.将海藻加入蒸馏水中,冰浴条件下12000r/min速度下搅拌25分钟,调节ph值至8.5得到溶液一;

s2.将盐酸多巴胺加入步骤s1得到的溶液一中,200r/min速度下室温搅拌21小时得到溶液二;

s3.将浓度为0.2mg/ml的黑磷纳米片悬浮液加入步骤s2得到的溶液二中,200r/min速度下室温搅拌21小时得到溶液三,海藻、蒸馏水、盐酸多巴胺、黑磷纳米片悬浮液的比例为10.5g:90ml:0.2g:10ml;

s4.将步骤s3得到的溶液三冷冻干燥5小时得到混合物,将混合物置于马弗炉中,升温至700℃后煅烧25分钟得到可用于太阳能海水淡化的海藻基生物炭。

对比例:由海藻制成的海藻基生物炭,其制备方法为:将海藻置于马弗炉中,升温至700℃后煅烧30分钟。

本发明制得的海藻基生物炭在应用时是将水分吸至其表面进行蒸发,一直处于湿润的状态下,接下来测试实施例1制得的海藻基生物炭以及对比例的光热转化及水蒸发性能:

光热转换性能测试:

设置三组实验材料进行测试:一组是实施例1制得的海藻基生物炭;一组是对比例;一组为空白对照(不加任何材料)。将三组实验材料分别放入装有同等体积海水的烧杯中,将三个烧杯放在相同的环境中。

1.在测试氙灯照射前,利用近红外成像探测仪测试三组实验材料表面的温度。

2.测试氙灯光源与烧杯之间的距离。

3.开启氙灯,设置一定的光照强度,对三组实验材料照射30分钟后,关闭氙灯光源,利用近红外成像探测仪测试三组实验材料表面的温度。

其他条件不变,调整氙灯光源与样品表面的距离(模拟太阳光的强度),然后重复上述步骤。

测试结果:

1)对比例在1倍光照强度下,照射250s后从22℃升至27.3℃,温度提高了5.3℃,同样条件下,实施例1从22℃升至35.1℃,温度提高了13.1℃,提高幅度远大于对比例。

2)当氙灯光源的强度从1倍光照强度(1kw/m2)改变为2倍光照强度(2kw/m2)以及3倍光照强度(3kw/m2)时,实施例1表面的温度分别达到了43.3℃和49.6℃。

上述测试结果证明本发明制得的海藻基生物炭具有较好的光热转变性能。

水蒸发性能测试:

设置三组实验材料进行测试:一组是实施例1制得的海藻基生物炭;一组是对比例;一组为空白对照(不加任何材料)。将三组实验材料分别放入装有同等质量海水的烧杯中,将三个烧杯放在相同的环境中,然后将三个烧杯放入电子天平中,电子天平与电脑连接。

1.在测试氙灯照射前,测试烧杯中海水质量。

2.测试氙灯光源与烧杯之间的距离。

3.开启氙灯,设置一定的光照强度,三组实验材料照射30分钟后,关闭氙灯光源,利用电脑记录的数据测定各烧杯的海水蒸发量。

其他条件不变,调整氙灯光源与样品表面的距离(模拟太阳光的强度),然后重复上述步骤。

测试结果:

1)对比例在1倍光照强度下的水蒸发速率为0.760kw/m2h,同样条件下,实施例1的水蒸发速率为1.874kw/m2h,实施例1的水蒸发速率远高于对比例。

2)当氙灯光源的强度从1倍光照强度(1kw/m2)改变为2倍光照强度(2kw/m2)以及3倍光照强度3kw/m2)时,实施例1的水蒸发速率分别达到了2.914kw/m2h和4.000kw/m2h。

上述测试结果证明本发明制得的海藻基生物炭具有较好的水蒸发性能,是适合太阳能光热海水淡化的理想材料。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。

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