一种碳基材料及其制备方法与应用与流程

本发明属于海水淡化，尤其涉及一种碳基材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、海水淡化技术经过不断的发展，已经逐渐成为解决淡水资源短缺的重要途经之一，当前海水淡化的技术主要有反渗透、电渗析、多级闪蒸、蒸馏、冻结以及离子交换等，但是以上这些方法不免需要额外的能量供给以满足生产的需求，从经济效益方面考虑，严重制约其进一步发展，然而电能的消耗以及随后温室气体的排放是需要去考虑的一个问题，电力短缺和反渗透基础设备高建设成本限制了其在资源有限的地区的发展。最近，利用可再生的太阳能作为驱动力的海水淡化技术不断的发展，该技术首先通过光热材料将太阳能转换成热能，然后加热材料空气界面处所被吸附的水，从而得到纯化的水蒸气。现有太阳能蒸发材料，会面临几个问题：一是制备方法比较麻烦；二是制备成本比较高；三是蒸发效率以及光热转换效率比较低。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中海水淡化材料制备工艺繁琐，材料昂贵，以及现有的蒸发材料蒸发效率低和太阳能利用率低等问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种碳基材料及其制备方法与应用。该碳基材料具有强亲水性、工艺简单、效率高、耐久性好等特点，可以在极端环境下(高盐，强酸、强碱环境)中长时间工作，为目前海水淡化材料面临的严峻问题提供技术解决途径。

3、本发明的第一个目的是提供一种碳基材料的制备方法，包括以下步骤，

4、(1)对三聚氰胺海绵进行碳化处理，得到碳化材料；

5、(2)将光热材料溶于聚乙烯醇溶液，得到悬浮液；

6、(3)将步骤(1)所述碳化材料浸渍于步骤(2)所述悬浮液中，后烘干，得到所述碳基材料。

7、在本发明的一个实施例中，在步骤(1)中，所述三聚氰胺海绵的密度为8kg/m3-16kg/m3；厚度为1mm-4mm。

8、进一步地，所述三聚氰胺海绵的密度为8kg/m3、12kg/m3、16kg/m3；厚度为1mm、2mm、3mm、4mm。

9、优选地，所述三聚氰胺海绵的密度为12kg/m3；厚度为3mm。

10、在本发明的一个实施例中，在步骤(1)中，所述碳化处理的温度为380℃-420℃，时间为2h-3h。经过碳化处理后可得到多孔的结构，增加比表面积有利于海水淡化。该工艺条件下可以保证材料的强度。改过程中三聚氰胺海绵ms逐渐由白变成棕色(300℃-370℃)，最后变成黑色的碳化后的三聚氰胺海绵ams(370℃-400℃)。黑色的ams有了更好的光吸收率使得其在阳光下有更高的表面温度(图1)。

11、在本发明的一个实施例中，在步骤(2)中，所述聚乙烯醇溶液的浓度为2mg/ml-8mg/ml。

12、进一步地，所述聚乙烯醇溶液的浓度为2mg/ml、4mg/ml、8mg/ml。

13、在本发明的一个实施例中，在步骤(2)中，所述光热材料选自炭黑、聚吡咯和碳纳米管中的一种或多种。

14、进一步地，所述光热材料选自炭黑。

15、在本发明的一个实施例中，在步骤(2)中，所述悬浮液中光热材料的浓度为15mg/ml-35mg/ml。

16、进一步地，所述悬浮液中光热材料的浓度为15mg/ml、25mg/ml、35mg/ml。

17、在本发明的一个实施例中，在步骤(3)中，所述浸渍的时间为1.5h-2.5h。

18、在本发明的一个实施例中，在步骤(3)中，所述烘干的温度为70℃-80℃。

19、本发明的第二个目的是提供一种所述的方法制备的碳基材料。

20、本发明的第三个目的是提供一种所述的碳基材料在海水淡化中的应用。

21、本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：

22、(1)本发明所述的碳基材料具有多孔、高亲水的特点；由于聚乙烯醇和高光热转换性能的光热材料加入，使其在具有高光热转换效率的同时具有较好的耐候性，可以在极端环境中(强酸、强碱、高盐)中进行蒸发，且保持高效率和稳定性。

23、(2)本发明所述的制备方法在浸渍过程中，光热材料通过聚乙烯醇(pva)物理吸附在碳化后的三聚氰胺表面，形成的类似于纳米颗粒小球可以增强光的内部反射从而增强光吸收有助于蒸发。

24、(3)本发明所述的制备方法工艺简单，原材料广泛且成本较低，具有规模制备的应用前景。

25、(4)本发明所述的碳基材料应用于海水蒸发淡化，可以在高浓度海水，高光强下长时间蒸发，不会出现盐分的聚集。海水的蒸发量达到了2.4kg/m2*h，光热转换效率达到了94％。

26、(5)本发明所述的碳基材料的蒸发量不小于1.0kg/m～(2)，蒸发效率大于92％，对浓度为10mg/l-10000mg/l的na～(+)、mg～(2+)、ca～(2+)、k～(+)中的一种或多种混合体系均具有99.7％以上的截留率，具有材料来源性广、成本低、耐候性强等优点，在海水淡化领域具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种碳基材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，

2.根据权利要求1所述的碳基材料的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述三聚氰胺海绵的密度为8kg/m3-16kg/m3；厚度为1mm-4mm。

3.根据权利要求1所述的碳基材料的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述碳化处理的温度为380℃-420℃，时间为2h-3h。

4.根据权利要求1所述的碳基材料的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述聚乙烯醇溶液的浓度为2mg/ml-8mg/ml。

5.根据权利要求1所述的碳基材料的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述光热材料选自炭黑、聚吡咯和碳纳米管中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的碳基材料的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述悬浮液中光热材料的浓度为15mg/ml-35mg/ml。

7.根据权利要求1所述的碳基材料的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述浸渍的时间为1.5h-2.5h。

8.根据权利要求1所述的碳基材料的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述烘干的温度为70℃-80℃。

9.权利要求1-8任一项所述的方法制备的碳基材料。

10.权利要求9所述的碳基材料在海水淡化中的应用。

技术总结
本发明涉及一种碳基材料及其制备方法与应用，属于海水淡化技术领域。本发明的碳基材料的制备方法包括以下步骤，(1)对三聚氰胺海绵进行碳化处理，得到碳化材料；(2)将光热材料溶于聚乙烯醇溶液，得到悬浮液；(3)将碳化材料浸渍于悬浮液中，后烘干，得到所述碳基材料。本发明的碳基材料应用于海水蒸发淡化，可以在高浓度海水，高光强下长时间蒸发，不会出现盐分的聚集。海水的蒸发量达到了2.4kg/m<supgt;2</supgt;*h，光热转换效率达到了94％。

技术研发人员：郑分刚,帅顺旭,纪翔
受保护的技术使用者：上海交大平湖智能光电研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14