[发明专利]一种基于丝瓜络生物质的光热水蒸发器件

说明书

本发明提供了一种基于丝瓜络生物质的界面太阳能蒸汽产生器的设计，并将该器件用于废水处理。以丝瓜络为原料通过成型和碳化等步骤得到多孔结构生物质炭片，制得的材料具有自漂浮性能，能高效吸收太阳光并转化为热能，获得良好的太阳能水蒸发性能。该生物质炭片原位沉积碳纳米管后，水蒸发性能得到提升。本发明以丝瓜络为原料，原材料环保可再生，水蒸发器件制备工艺简单，可大规模生产；水蒸发操作方便，无需专人看护，在废水处理领域有良好应用前景。

技术领域

本发明属于水处理领域，具体涉及界面太阳能蒸汽产生器的设计以及在废水处理中的应用。

背景技术

近年来，化工、冶金等行业在生产过程中会产生大量含染料和重金属离子的废水，此类废水若直接排放会对水体和周围环境造成不可逆的污染，因而含染料和重金属废水的处理至关重要。染料和重金属离子种类多，毒性不同，处理方式也不同，而且处理过程较为复杂。蒸发法可以进行废水处理，利用蒸汽提供热能，导致其耗能较大。相比于传统的化石能源，太阳能是取之不尽、用之不竭的可再生资源，具有储量丰富、分布广泛、清洁环保的优势。传统的太阳能蒸发技术通过集热器将太阳光的能量转化为热量来进行水蒸发，这一方式不仅设备笨重昂贵，而且效率较低。而界面太阳能蒸汽发生器通过在水溶液表面构筑高效光热转换材料，将清洁环保的太阳能转换成热能，热量聚集在气液界面处局部加热水，最大限度减少热量向水体流失，以提高表面水的蒸发效率，有效进行废水处理。

基于此对各种光热转换材料，如碳基材料（石墨、炭黑、石墨烯、碳纳米管以及生物质炭）、纳米贵金属粒子、半导体材料和有机物材料（聚吡咯、聚苯胺）的研究越来越受到重视。但是纳米金的价格昂贵，高比表面积及孔隙率的石墨烯多孔材料成型工艺复杂，有机聚吡咯材料的循环稳定性差等问题制约了大规模太阳能水蒸发材料的应用，迫切需要进行低成本光热转换材料及其制备工艺的开发。可再生的天然生物质资源因其丰富的碳含量为碳材料的发展和应用提供了充足的原料来源。同时这种天然生物质资源转化为碳材料后产生丰富的孔结构，是人工合成材料所不及的，能够制备超高比表面积的活性炭材料，在吸附、储能、电化学领域有着巨大的应用前景。

发明内容

对上述技术存在的问题，本发明提供了一种基于丝瓜络生物质炭材料的界面太阳能蒸汽产生器的设计，并将该器件用于废水处理。丝瓜络作为天然可再生资源，由纵横交错的纤维围成多层细密而坚韧的天然网状多孔结构，易于加工成结构完整的多孔丝瓜络片，经碳化和复合后获得分级多孔炭材料。这种生物质炭材料来源广泛，价格低廉，可塑性好，能耐强酸和强碱的腐蚀，光热循环稳定性好，是理想的光热转换器件。我国是丝瓜种植大国，为超轻多孔碳材料的结构设计与制备提供了充足的原料供给。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

（1）界面太阳能蒸汽产生器的设计方法，包括以下步骤：

以丝瓜络为原材料，经过成型、碳化制得多孔结构生物质炭片，能够吸收太阳能并转化成热能，进而实现水蒸发。该生物质炭片原位沉积碳纳米管后，水蒸发性能得到提升。

优选地，所述的光热转换材料是碳化的丝瓜络片和沉积碳纳米管的碳化丝瓜络片复合材料。

优选地，所述的光热转换材料碳化丝瓜络片的制备过程中，保护气氛是氮气，其流量为80-120 mL/min；升温速率为3-10 ºC /min；碳化温度为500-800 ºC；保温时间为1-6h。

优选地，所述的光热转换材料沉积碳纳米管的碳化丝瓜络片的制备过程中，先在碳化丝瓜络上包裹一层多巴胺，将其碳化后，在硝酸镍溶液中浸泡，干燥后用于沉积碳纳米管。以氮气为保护气体，调整其流量为180-240 mL/min，升温至700 ºC后，将气体改为氮气和乙醇的混合气体进行沉积。

（2）界面太阳能蒸汽产生器件的水蒸发过程，包括以下步骤：

将界面太阳能蒸汽产生器件置于装有不同废水的容器中，该器件自漂浮于水面上，打开光源或者直接太阳光照射进行水蒸发净化水质实验。