一种作物秸秆基海水淡化器的制备方法及其产品

1.本发明涉及一种材料制备技术领域，尤其涉及一种作物秸秆基海水淡化器的制备方法及其产品。


背景技术：

2.随着社会的发展，很多地区已经出现了水资源短缺的现象。海水淡化被认为是解决水资源短缺的有力手段，近年来，很多学者致力于研究高效的海水淡化装置。如中国发明专利cn110777561a公开了一种以金属纳米颗粒-聚合物复合材料为基体的海水淡化技术，该技术以金属纳米粒子为光热材料，聚合物复合材料为载体，在1个太阳光下的蒸发速率达到1.4kg m-2
h-1
左右，能量转换效率约为80％。但是这种技术成本较高，且蒸发效果仍待提升。
3.生物质是自然界最丰富的资源之一，用生物质材料制备海水蒸发装置不仅可以充分利用生物质资源，还可以降低材料成本，因此具有很大优势。中国发明专利cn109607651b公开了一种合成生物色素膜海水淡化装置，其将光热转换效率极高的黑色素材料涂覆于纤维素膜上，并利用输水纤维的毛细作用将海水富集于纤维素膜，当太阳光照射纤维素膜，由于黑色素材料的高光热转换效率，产生大量热量，使得太阳能的利用率可达88％，实现高效海水蒸发并获得淡水的目的。该技术虽然利用了纤维素作为基体材料降低了成本，但是纤维素的生产涉及到分离和提纯等复杂步骤，因此实际应用也具有一定的局限性。
4.北林大孙壮志课题组公布了一种玉米秸秆制造高效太阳能蒸发器用于海水淡化的方法，但是该方法直接在完整的玉米秸秆上覆盖涂层制造海水淡化器，不具备大规模生产的能力，而用秸秆粉末制备更加简单易得。
5.目前报道的蒸发器要么性能好但成本高且制备复杂，要么成本低但性能差，难以投入实际应用。综上所述，简单高效的海水蒸发技术亟待解决，因此用生物质材料来制备低成本且高效率的蒸发器具有很大的开发前景。


技术实现要素：

6.发明目的：本发明的第一目的是提供了一种作物秸秆基海水淡化器，该海水淡化器的蒸发速率及光热转换效率较高。
7.本发明的第二目的是提供一种作物秸秆基海水淡化器的制备方法，所用原料易得且成本低廉，制备工艺简单，能够用于大规模生产。
8.技术方案：本发明公开的一种作物秸秆基海水淡化器的制备方法，包括以下步骤：
9.(1)将作物秸秆粉碎后过网筛，得到秸秆粉末：
10.(2)将步骤(1)所述的秸秆粉末在氮气保护下高温煅烧，得到生物炭，再将生物炭放入球磨机球磨，得到球磨生物炭；
11.(3)将步骤(1)所述的秸秆粉末加入氢氧化钠溶液中反应，将反应物离心，获取下层粘稠产物；
12.(4)将步骤(4)所述粘稠产物，与步骤(2)所述的球磨生物炭搅拌混匀，倒入模具，经冷冻、干燥即得。
13.优选的，步骤(1)所述作物为玉米、小麦、高粱、水稻、油菜中一种或几种。
14.优选的，步骤(2)所述的煅烧条件为，以1～5℃/min的加热速度速加热至300～850℃，保温2～5h。
15.进一步优选的，步骤(2)中所述的煅烧条件为，以5℃/min的加热速度加热至450℃，保温5h。
16.优选的，步骤(2)中所述秸秆粉末高温煅烧后需冷却至10～30℃，并过100～200目网筛。
17.进一步优选的，步骤(2)中所述秸秆粉末高温煅烧后需冷却至25℃，并过200目网筛。
18.优选的，步骤(2)中作为研磨介质的氧化锆小球直径为2～10mm，数量为10～50颗。
19.进一步优选的，步骤(2)中作为研磨介质的氧化锆小球直径为2mm、8mm、10mm，数量比为42:4:2。
20.优选的，步骤(2)所述球磨条件为转速100～500rpm，球磨时间1～7h。
21.进一步优选的，步骤(2)中球磨条件为转速为500rpm，球磨时间为7h。
22.进一步优选的，步骤(2)中球磨条件为转速为200rpm，球磨时间为3h。
23.进一步优选的，步骤(2)中球磨条件为转速为100rpm，球磨时间为1h。
24.优选的，所述秸秆粉末、氢氧化钠溶液、球磨生物炭质量比为10：10～1000：0.1～3。
25.进一步优选的，所述秸秆粉末、氢氧化钠溶液、球磨生物炭质量比为10：10：0.1。
26.进一步优选的，所述秸秆粉末、氢氧化钠溶液、球磨生物炭质量比为10：100：2。
27.进一步优选的，所述秸秆粉末、氢氧化钠溶液、球磨生物炭质量比为10：1000：3。
28.优选的，步骤(3)所述的氢氧化钠溶液浓度为1～30wt％，质量为10～1000g，反应条件为在25～180℃下反应1～5h。
29.进一步优选的，步骤(3)所述的氢氧化钠溶液浓度为1wt％，质量为10g，反应条件为在80℃下反应3h。
30.进一步优选的，步骤(3)所述的氢氧化钠溶液浓度为10wt％，质量为100g，反应条件为在80℃下反应3h。
31.进一步优选的，步骤(3)所述的氢氧化钠溶液浓度为30wt％，质量为10g，反应条件为在25℃下反应1h。
32.进一步优选的，步骤(3)所述的氢氧化钠溶液浓度为1wt％，质量为1000g，反应条件为在80℃下反应3h。
33.进一步优选的，步骤(3)所述的氢氧化钠溶液浓度为10wt％，质量为200g，反应条件为在180℃下反应5h。
34.优选的，步骤(3)所述反应物离心条件为，以1000-8000rpm的转速离心1-30分钟。
35.进一步优选的，步骤(3)所述反应物离心条件为，以8000rpm的转速离心20分钟。
36.进一步优选的，步骤(3)所述反应物离心条件为，以1000rpm的转速离心30分钟。
37.进一步优选的，步骤(3)所述反应物离心条件为，以5000rpm的转速离心1分钟。
38.优选的，步骤(4)中将混合物在﹣3～﹣5℃条件下冷冻2～6h，接着在﹣70～﹣90℃条件下干燥3～24h。
39.进一步优选的，步骤(4)中将混合物在﹣4℃条件下冷冻6h，接着在﹣80℃条件下干燥24h。
40.一种作物秸秆基海水淡化器，包括上述任一项所述的制备方法。
41.有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)性能佳：蒸发速率达到2.12kg m-2
h-1
，光热转换效率达到94.2％，超过了绝大多数文献报道的效果，且蒸发后的水中离子浓度大大降低，达到了饮用标准。该蒸发器不仅具有良好的脱盐性能，也具有优良的稳定性；(2)原料成本低、制备工艺简单：蒸发器所使用的原料为废弃生物质，材料成本仅为$6.1/m2，且制备不涉及复杂的处理过程，成本效益(rate/price,g h-1
/$)值达到了极高的348。
附图说明
42.图1为本技术制备的蒸发器的水接触角变化；
43.图2为本技术制备的蒸发器的扫描电镜图片；
44.图3为本技术制备的蒸发器的蒸发速率对比图；
45.图4为蒸发器的蒸发速率和能量转换效率对比图，
具体实施方式
46.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
47.实施例1
48.第一步，将玉米的秸秆粉碎后过200目网筛，得到秸秆粉末；
49.第二步，将秸秆粉末放入管式炉中，在氮气保护下高温煅烧，以5℃/min的速率加热至450℃，保温5h。自然冷却至25℃后，过200目的筛网，再放入球磨罐中，再放入直径为2mm、8mm、10mm的氧化锆小球各42、4、2颗，在100rpm的球磨机中球磨1h，得到球磨生物炭；
50.第三步，取第一步的秸秆粉10g，加入10g浓度为1wt％氢氧化钠溶液中，在80℃下搅拌3h。待反应物冷却后，倒入离心管中，以8000rpm的转速离心20分钟；然后取出下层的粘稠产物；
51.第四步，将第三步所得的粘稠产物与0.1g第二步所得的球磨生物炭搅拌混合，以100rpm的速度搅拌10min并振荡均匀后放入模具；最后将混合物在冰箱中﹣4℃冷冻6h，在冷冻干燥机-80℃下干燥24h即可获得孔隙率高、亲水性好的秸秆基蒸发器。将蒸发器进行模拟太阳光下的海水蒸发测试，可以得到其蒸发速率为1.19kg m-2
h-1
，能量转换效率为40.2％。
52.实施例2
53.制备过程和实施例1相似，不同的是，球磨条件为200rpm下3h，氢氧化钠溶液用量为100g，浓度为10wt％，并将粘稠产物与2g球磨生物炭混合。所制备的蒸发器蒸发速率为1.37kg m-2
h-1
。
54.实施例3
55.制备过程和实施例1相似，不同的是，氢氧化钠溶液的浓度为30wt％,反应的条件
为25℃下1h，离心机的转速为1000rpm，时间为30分钟。所制备的蒸发器蒸发速率为1.56kg m-2
h-1
。
56.实施例4
57.制备过程和实施例1相似，不同的是，球磨生物炭的制备条件为500rpm/7h，氢氧化钠溶液的用量为1000g，球磨生物炭的添加量为3g。所制备的蒸发器蒸发速率为1.87kg m-2
h-1
。
58.实施例5
59.制备过程和实施例1相似，不同的是，选用的秸秆粉为高粱秸秆粉，球磨生物炭的制备条件为以300rpm球磨5h，氢氧化钠溶液的浓度为10wt％，用量为200g，反应条件为180℃下5h。本实施例中蒸发器蒸发速率为2.12kg m-2
h-1
，光热转换效率为94.2％，超过了大部分文献报道的数值，说明太阳光中的大部分能量已转化为蒸汽能。
60.实施例6
61.制备过程和实施例1相似，不同的是，选用的秸秆粉末为小麦秸秆粉末，反应后在5000rpm下离心1min，所制备的蒸发器的蒸发速率为1.98kg m-2
h-1
。
62.图1为实施例5制备的蒸发器的水接触角变化，水滴接触蒸发器表面后在0.24s内完全消失，说明其亲水性极高。图2为实施例5制备的蒸发器的扫描电镜图片。蒸发器内部呈现网状结构，并且可以看到球磨生物炭颗粒均匀分布在内部，为其优异的蒸发性能提供了保证。图3为实施例1-6制备的蒸发器的蒸发速率。图4为实施例1-6蒸发器的蒸发速率和能量转换效率，整个蒸发实验在温度为25℃，湿度为60％，0.1w/cm2的光功率密度条件下进行。