CN114212851B - 一种基于天然植物杆的太阳能海水淡化材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于天然植物杆的太阳能海水淡化材料及其制备方法和应用，通过以天然植物杆作为改性基体，使用两性离子水凝胶层和光热转化层对天然植物杆进行修饰制得改性植物杆髓心(如改性向日葵杆髓心)。向日葵杆髓心是具有梯度结构的多孔结构，以及具有极低的导热率(向日葵杆导热率为0.04W/m/K，而木材导热率为0.2W/m/K)，可以高效利用热量进行水蒸发。以降低导热率，即限制散装水的热量散失，充分利用光热转换后的热量进行水蒸发以提高效率。且向日葵杆髓心的内表面特殊结构提供了特殊的水通道，加速了水的蒸发，从而显著提高了水的蒸发效率，并赋予材料优异的抗菌和抗霉变性能，以提升材料的耐久性及使用寿命。

Description

一种基于天然植物杆的太阳能海水淡化材料及其制备方法和 应用
技术领域
本发明属于海水淡化技术领域，尤其涉及一种基于天然植物杆的太阳能海水淡化材料及其制备方法和应用。
背景技术
淡水资源的短缺是我们现代人类社会发展中最大的担忧之一。多种海水淡化技术，例如反向渗透和多效蒸馏技术在数十年来增加了清洁水的供应。但是，由于高能耗的限制和对复杂基础架构的需求，许多国家和地区仍然无法负担使用这些新技术的费用。利用清洁的太阳能以及广阔的海洋作为水资源，太阳能海水淡化技术被认为是最有前景的应用。
木头作为天然植物由于具有特殊的水通道结构和三维多孔性以及良好的生物相容性可以作为新型的太阳能海水淡化材料，此外，三维网络多孔水凝胶中的层间水的特殊存在可以降低水的蒸发晗从而可以提升海水淡化的蒸发效率，这类材料也得到了广泛的关注。然而，基于上述材料的太阳能海水淡化仍存在以下技术缺陷：
1.木材以及水凝胶材料的导热率相对比较高，在太阳能海水淡化蒸发过程中热量的散失极大的降低了蒸发效率。
2.在高盐度环境中，蒸发过程盐的析出堵塞多孔结构极大的降低蒸发效率。
3.长期耐久性使用，水凝胶和木材都易被海洋生物污损导致其使用寿命极大的降低，并且对蒸发的水质也会带来细菌等污染。
发明内容
为了改善上述技术问题，本发明提供一种改性天然植物髓心，包括天然植物髓心、与天然植物髓心形成互穿网络的拓扑结构的两性离子水凝胶和负载于所述天然植物髓心一端的光热转化层。
根据本发明的实施方案，所述天然植物髓心可以为向日葵秆髓心、玉米秆髓心或高粱秆髓心，优选为向日葵杆髓心。
本发明的向日葵秆髓心、高粱秆髓心和玉米秆髓心是一类具有良好力学性能的低密度天然泡沫体，具有出色的隔热能力。
根据本发明的实施方案，所述天然植物髓心指的是除去天然植物的外壁之后，剩余的内部体。例如，向日葵杆髓心指剥去向日葵杆的外壁后，剩余的内部体即为其髓心。
根据本发明的实施方案，所述向日葵秆髓心在髓心横截面的结构显示为从中心到边缘呈现梯度多孔结构。具体地，所述向日葵杆髓心的结构如下：向日葵杆髓心的中心为规则的六边形状蜂窝结构，依次向外边缘孔径变大并且呈现拉长的近似长方形结构，整体呈辐射状有序排布，在向日葵杆髓心的纵截面方向上存在两种结构，沿着茎的纤维方向是呈现纵向排列的导管，导管两侧则是以拉长或者压扁的六边形为主，沿茎的轴向重叠成列排布。优选地，所述向日葵杆髓心具有基本上如图1所示的形貌。
根据本发明的实施方案，所述两性离子水凝胶与天然植物髓心之间还存在离子相互作用。
根据本发明的实施方案，所述两性离子水凝胶由两性离子化合物单体浸泡聚合得到，利用两性离子水凝胶的互穿网络结构与天然植物髓心复合。优选地，所述两性离子化合物单体可以选自N,N-二甲基(甲基丙烯酰氧乙基)、铵基丙磺酸内盐(DMAPS)、甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱(SBMAA)、羧基甜菜碱甲基丙烯酸甲酯(CBMAA)和磷酸胆碱(PCMA)中的一种、两种或更多种。
根据本发明的实施方案，所述光热转化层含有光热转化材料。例如，所述光热转化材料可以选自聚吡咯、炭黑、碳纳米管、活性炭、氧化石墨烯和聚苯胺中的一种、两种或更多种。
根据本发明的实施方案，所述光热转化层的颜色为黑色。
根据本发明的实施方案，所述光热转化层的厚度为0.2～2mm，示例性为0.2mm、0.5mm、0.7mm、1cm。
根据本发明的实施方案，所述光热转化层修饰于天然植物髓心的一端。使用时，修饰有光热转化层的一端浮于水面，以接收太阳光照。
根据本发明示例性的方案，所述改性天然植物髓心为改性向日葵杆髓心，包括向日葵杆髓心、与向日葵杆髓心形成互穿网络的拓扑结构的两性离子水凝胶和负载于所述向日葵杆髓心一端的光热转化层.。
所述光热转化层含有聚吡咯、炭黑、碳纳米管、活性炭、氧化石墨烯或聚苯胺；
所述两性离子水凝胶与向日葵杆髓心之间还存在离子相互作用。
本发明还提供上述改性天然植物髓心的制备方法，包括如下步骤：先用两性离子水凝胶修饰天然的植物髓心，再复合光热转化层，得到所述改性天然植物髓心。
根据本发明的实施方案，所述改性天然植物髓心的制备方法包括如下步骤：
(1)将天然植物髓心置于两性离子水凝胶预聚液中浸泡，而后加热聚合，得到含有两性离子水凝胶的天然植物髓心；
(2)在所述含有两性离子水凝胶的天然植物髓心的一端先涂覆光热转化材料，而后将涂覆光热转化材料的此端部浸泡于光热转化材料的分散液中，复合上光热转化层，得到所述改性天然植物髓心。
根据本发明的实施方案，所述两性离子水凝胶预聚液包括如下质量百分比的组分：5～60wt％两性离子化合物单体、0.5～5wt％交联剂、0.5～2wt％引发剂，其余为水。例如，所述两性离子水凝胶预聚液包括如下质量百分比的组分：10～50wt％两性离子化合物单体、0.8～4wt％交联剂、0.8～1.5wt％引发剂，其余为水。
优选地，所述两性离子化合物单体具有如上文所述的选择。
优选地，所述交联剂可以为聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGDMA)或N，N'-亚甲基双丙烯酰胺，优选为聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGDMA)。
优选地，所述引发剂可以为过硫酸铵和四甲基乙二胺中的一种或两种，优选为过硫酸铵和四甲基乙二胺。优选地，所述过硫酸铵和四甲基乙二胺的质量比为1:(0.8～1.5)，示例性为1:0.8、1:1、1:1.2、1:1.5。
根据本发明的实施方案，所述浸泡的时间为1～30min，优选为5～20min，示例性为1min、5min、10min、15min、20min、30min。
根据本发明的实施方案，步骤(1)中，所述浸泡包括：将天然植物髓心置于两性离子水凝胶预聚液中，超声分散。例如，超声分散的时间为5-20min，优选为10min。
根据本发明的实施方案，步骤(1)中，所述加热聚合的温度为35～50℃，示例性为35℃、40℃、45℃、50℃，优选为40℃。进一步地，所述加热聚合的时间为10～60min，优选15～30min，示例性为10min、15min、20min、25min、30min，优选为20min。
根据本发明的实施方案，步骤(1)还包括对加热聚合后的含有两性离子水凝胶的天然植物髓心进行水洗，以去除未聚合的两性离子化合物单体。例如，所述水洗的方式可以为将加热聚合后的含有两性离子水凝胶的天然植物髓心浸泡于水中。又如，所述浸泡的时间为2h以上。
根据本发明的实施方案，步骤(1)还包括对水洗后的含有两性离子水凝胶的天然植物髓心进行干燥的步骤。优选地，所述干燥的方式可以为真空干燥。例如，所述真空干燥的温度为40～60℃，示例性为40℃、50℃、60℃，优选为40℃。
根据本发明的实施方案，步骤(2)中，所述涂覆可以为旋涂。例如，在天然植物髓心的表面旋涂光热转化材料的分散液。
优选地，所述光热转化材料具有如上文所述的选择。
根据本发明的实施方案，所述光热转化材料的分散液的浓度为1～5wt％，示例性为1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％。
优选地，所述旋涂的次数可以为一次、两次或更多次，优选为5次以上，例如为10次。
根据本发明的实施方案，步骤(2)中，所述浸泡的时间为至少1小时，例如至少2小时。其中，浸泡的温度为室温。
根据本发明的实施方案，所述制备方法还包括在步骤(1)之前，对天然植物髓心进行前处理的步骤。例如，将天然植物髓心剥去外壁，得到泡沫状的髓心。
根据本发明的实施方案，步骤(1)还包括在浸泡前，对所述天然植物髓心进行切割。例如，将其切割成厚度为2～15mm、直径约为2cm的类圆盘，示例性为厚度为2mm、5mm、7mm、10mm或15mm，直径约为2cm的类圆盘。
根据本发明的实施方案，步骤(1)还包括对切割后的天然植物髓心的横截面进行打磨，以使其表面均匀光滑。
根据本发明的实施方案，所述改性天然植物髓心的制备方法包括如下步骤：
(S1)将天然植物杆剥去外壁，取其髓心，将髓心切割成所需尺寸，对其横截面打磨至表面均匀光滑；
(S2)将天然植物髓心置于两性离子水凝胶预聚液中浸泡，而后加热聚合，聚合完成后的天然植物髓心浸没在水中，除去未聚合的两性离子化合物单体，干燥，得到含有两性离子水凝胶的天然植物髓心；
(S3)在所述含有两性离子水凝胶的天然植物髓心的一端先涂覆光热转化材料，而后将涂覆光热转化材料的此端部浸泡于光热转化材料的分散液中，复合上光热转化层，得到所述改性天然植物髓心。
本发明还提供上述改性天然植物髓心作为海水淡化材料的应用，优选作为太阳能海水淡化材料的应用。
根据本发明的实施方案，所述海水可以为普通海水、被油污污损的海水、或者被重金属污染的海水。
本发明还提供上述改性天然植物髓心在重金属污水处理中的应用。其中，所述重金属为Ni、Pb、Cu、Zn、Cr、Cd中的一种、两种或更多种。其中，在所述重金属污水中，重金属以离子形态存在。
本发明还提供一种海水淡化材料，含有上述改性天然植物髓心。
根据本发明的实施方案，所述海水具有如上文所述的选择。
本发明还提供一种重金属污水处理材料，含有上述改性天然植物髓心。
根据本发明的实施方案，所述重金属具有如上文所述的选择。
本发明的有益效果:
本发明以天然植物髓心作为改性基体，使用两性离子水凝胶层和光热转化层对天然植物髓心进行修饰。以改性向日葵杆髓心为例：
(1)向日葵杆髓心是具有梯度结构的多孔结构，同时具有极低的导热率(向日葵杆导热率为0.04W/m/K，而木材导热率为0.2W/m/K)，能够限制散装水的热量散失，充分利用光热转换后的热量进行水蒸发以提高效率。
(2)向日葵杆髓心的内表面特殊结构提供了特殊的水通道，加速了水的蒸发，从而显著提高了水的蒸发效率。
(3)本发明通过在向日葵杆髓心表面修饰两性离子水凝胶，两性离子具有很强的结合水能力，从而可以在向日葵秆髓心表面形成一层水合膜以防止盐结晶后析出，因此能够显著提高太阳能海水淡化的蒸发效率；同时还增加了材料的抗生物污损性能，并赋予材料优异的抗菌和抗霉变性能，以提升材料的耐久性及使用寿命。
(4)本发明通过在向日葵杆髓心表面修饰两性离子水凝胶，修饰后的向日葵髓心具有特殊的浸润性能：水下超疏油、油下超亲水的特性，这一特性使得该材料在具有油污污损的水环境中仍然可以进行高效的水蒸发，为特殊环境下的太阳能水蒸发提供了新的方法策略。
(5)由于天然植物材料中多糖等组分的存在，有助于络合重金属离子；同时基于天然植物材料较大的比表面积可以提供大量固有的吸附位点，因此本发明改性后的材料可以应用于重金属污染水源中，利用太阳能蒸发以获得纯净水。
附图说明
图1为向日葵杆髓心横截面的中心部位(a)、髓心横截面的边缘部位(b)、髓心侧壁的水平通道(c)、髓心侧壁的垂直通道(d)的扫描电子显微镜表征结果。
图2为向日葵杆髓心横截面中心的孔径分布图。
图3为实施例1改性向日葵杆髓心的吸光性能测试结果。
图4为实施例1改性向日葵杆髓心在两个太阳光强下的热红外图像。
图5为向日葵杆髓心修饰两性离子水凝胶后在空气中超亲水(左)、水下超疏油(中)和油下超亲水(右)的润湿性测试结果。
图6为向日葵髓心修饰两性离子水凝胶后在不同模拟太阳光强下的水蒸发速率测试结果。
图7为实施例1改性向日葵杆髓心用于海水淡化的离子含量效果。
图8为实施例1改性向日葵杆髓心纯化模拟重金属离子工业废水的效果。
图9中SP为本实施例步骤(1)制得的向日葵杆髓心，SPH为本实施例步骤(3)制得的复合两性离子凝胶后的向日葵杆髓心的抗铜绿假单胞菌实验结果。
图10为有、无复合两性离子水凝胶时向日葵杆髓心对抗盐析出结晶的影响，其中SP为对比例1制备的未复合两性离子水凝胶的向日葵杆髓心，SPH为实施例1制备的复合两性离子水凝胶后的改性向日葵杆髓心。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
实施例1
改性向日葵杆髓心的制备方法，包括如下步骤：
(1)将向日葵秸秆(购自中国辽宁)轻轻剥去外壳剩下髓心并用刀片切割成高为10mm的类圆盘，然后用砂纸轻轻打磨横截面至光滑平整，取四个圆盘，面积通过拍照后用Adobe Photoshope像素统计计数法测量其面积为11.1368mm2；
(2)配制两性离子水凝胶预聚液：将2g DMAPS，8g去离子水，40mg PEGDMA，20mg过硫酸铵，20mg四甲基乙二胺混合，制得两性离子水凝胶预聚液；
(3)将步骤(1)获得的向日葵杆髓心置于步骤(2)的两性离子水凝胶预聚液中超声分散2min后取出髓心，置于40℃烘箱热聚合20min，然后取出髓心将其置于去离子水中浸泡至少2h，以除去未聚合的单体，然后放置于真空烘箱将其干燥；
(4)将炭黑用高速剪切机均匀分散在水中形成浓度为3wt％的炭黑分散液，在步骤(3)制得的向日葵髓心的一个端面旋涂炭黑分散液，旋涂次数10次(旋涂转速为600r/min，时间为20s)，随后将涂层端的横截面浸泡于炭黑溶液中进行吸附2h，以获得稳定的光热转化涂层，得到改性向日葵杆髓心。
将本实施例制得的四片改性向日葵杆髓心置于装有20mL海水的培养皿或者烧杯中，进行太阳能海水淡化蒸发实验。在测量前通过模拟太阳光照射20分钟平衡后开始计算。并用天平称重记录质量变化，并用红外相机进行温度监测。
图1为本实施例步骤(1)获得的向日葵杆髓心横截面的中心部位(a)、髓心横截面的边缘部位(b)、髓心侧壁的水平通道(c)、髓心侧壁的垂直通道(d)的扫描电子显微镜表征结果。从图中结果可以看出：向日葵杆髓心横截面从内到外呈现梯度多孔的结构特征。具体地，其中心部位为规则的六边形状蜂窝结构，且从中心部位向外边缘孔径依次变大，并且呈现拉长的近似长方形结构、而整体呈辐射状有序排布；此外，在髓心的纵截面方向上存在两种结构，沿着茎的纤维方向呈现纵向排列的导管，而导管两侧则是以拉长或者压扁的六边形为主，并沿茎的轴向重叠成列排布。向日葵杆髓心的上述微结构有利于隔热，以降低导热率，从而限制散装水的热量散失，充分利用光热转换后的热量进行水蒸发以提高海水淡化效率；其内表面特殊结构提供了特殊的水传输通道，加速了水的蒸发，从而显著提高了水的蒸发效率。
图2为本实施例向日葵杆髓心横截面中心的孔径分布图，结果表明向日葵杆髓心中存在孔隙较大的多孔结构，因而有利于太阳能海水淡化过程中水蒸气的逸出，以显著提高水的蒸发效率。
图3为本实施例制得的炭黑修饰向日葵杆髓心的吸光性能测试结果，结果表明：通过在向日葵杆髓心上修饰光热转化层，有利于提高改性天然植物髓心对太阳光的利用率，以充分利用光热转换后的热量进行水蒸发，从而提高海水淡化效率。
图4为本实施例制得的炭黑修饰向日葵杆髓心在两个太阳光强下的热红外图像，结果表明：改性后的向日葵髓心具有优异的光热转化效果。
其中，润湿性通过DCAT-21接触角仪进行测量，具体方法如下：
将2μL水滴和1,2-二氯乙烷缓慢滴涂于修饰两性离子水凝胶后的向日葵杆髓心表面，然后通过DCAT-21接触角仪进行测量。
图5为本实施例步骤(3)制得的修饰两性离子水凝胶后的向日葵杆髓心在空气中超亲水(左)、水下超疏油(中)和油下超亲水(右)的润湿性测试结果。图中结果表明：向日葵杆髓心经两性离子水凝胶修饰改性后，其在空气中的亲水性更好，且对水下油具有超疏油特性，而在油下水的环境中甚至可以排开油层达到水层，从而显示出超亲水的优异特性。进一步表明本发明制得的改性向日葵杆髓心可在复杂的油污海水中可以进行蒸发，而不会堵塞向日葵杆髓心内部孔道降低海水蒸发效率。
图6为本实施例步骤(3)制得的修饰两性离子水凝胶后的向日葵髓心在模拟太阳光强下的水蒸发速率测试结果，结果表明改性后的向日葵髓心具有较高的水蒸发效率。
为了验证本发明制得的改性后向日葵髓心对海水中金属离子的淡化效果，测试方法如下：
将四个本实施例制得的改性后向日葵髓心置于盛有20mL黄海海水的玻璃培养皿中，放置在模拟太阳光的氙灯下，光强为一个太阳光的辐射强度，照射20分钟达到平衡后，开始计量1小时的蒸发速率，通过精密电子天平和ICP-MS测试蒸发前、后海水中Na+、K+、Mg2 +、Ca2+离子含量。
图7为本实施例制得的改性向日葵杆髓心海水淡化离子含量效果，图中结果证实了该材料对海水进行淡化以后，海水中Na+、K+、Mg2+、Ca2+离子含量均达到世界卫生组织标准。
为进一步验证本发明制得的改性后向日葵髓心对含有重金属离子废水的纯化效果，配置模拟工业废水：采用氯化铅、氯化锌、氯化镍、硝酸铜、氯化镉、氯化铬作为重金属离子盐，分别配制含有约十万ppb含量的上述金属离子溶液，然后将四个本实施例制得的改性后向日葵髓心置于每组盛有20mL上述模拟工业废水的培养皿中。
图8为本实施例制得的改性向日葵杆髓心纯化模拟重金属离子工业废水的效果，图中结果证实了本发明制得的改性后向日葵髓心可用于对含有重金属离子Ni2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+、Cr3+、Cd2+废水的淡化处理，显示出了优异的重金属离子淡化处理效果。
图9中SP为本实施例步骤(1)制得的向日葵杆髓心，SPH为本实施例步骤(3)制得的复合两性离子凝胶后的向日葵杆髓心的抗铜绿假单胞菌实验结果。图中结果显示：同等实验条件下，复合两性离子凝胶后的向日葵杆髓心组的菌落数明显少于SP组，复合两性离子凝胶后的向日葵杆髓心的抗菌率高达97％。由此表明在向日葵杆髓心表面修饰两性离子水凝胶后，能够显著增强向日葵杆髓心的抗生物污损性能，以赋予向日葵杆髓心优异的抗菌和抗霉变性能，以提升材料的耐久性及使用寿命。
实施例2
改性向日葵杆髓心的制备方法，包括如下步骤：
(1)将向日葵秸秆(购自中国辽宁)剥去外壳剩下髓心并用刀片切割成厚度为5mm、直径为2cm的类圆盘，然后用砂纸打磨横截面至光滑平整，取四个圆盘，用拍照像素计数法测量其面积为11.2552mm2；
(2)配制两性离子水凝胶预聚液：依次将1g DMAPS，9g去离子水，20mg PEGDMA，20mg过硫酸铵，30mg四甲基乙二胺混合，制得两性离子水凝胶预聚液；
(3)将步骤(1)获得的向日葵髓心置于步骤(2)的两性离子水凝胶预聚液中超声分散2min后取出髓心，置于40℃烘箱热聚合20min，然后取出髓心将其置于去离子水中浸泡2h以上以除去未聚合的单体，然后放置于真空烘箱将其干燥；
(4)将聚吡咯用高速剪切机分散在水中形成浓度为3wt％的聚吡咯分散液，在步骤(3)制得的向日葵髓心的一个端面旋涂聚吡咯分散液，旋涂次数10次(旋涂转速为600r/min，时间为20s)，随后将涂层端的横截面浸泡于聚吡咯分散液中进行吸附2h以获得稳定的涂层，得到改性向日葵杆髓心。
实施例3
改性向日葵杆髓心的制备方法，包括如下步骤：
(1)将向日葵秸秆(购自中国辽宁)剥去外壳剩下髓心并用刀片切割成直径为7mm的圆盘，然后用砂纸打磨横截面至光滑平整，取四个圆盘，用拍照像素计数法测量其面积为11.3883mm2；
(2)配制两性离子水凝胶预聚液：依次将5g DMAPS，5g去离子水，20mg PEGDMA，75mg过硫酸铵，70mg四甲基乙二胺混合，制得两性离子水凝胶预聚液；
(3)将步骤(1)获得的向日葵髓心置于步骤(2)的两性离子水凝胶预聚液中超声分散2min后取出髓心，置于40℃烘箱热聚合20min，然后取出髓心将其置于去离子水中浸泡2h以上以除去未聚合的单体，然后放置于真空烘箱将其干燥；
(4)接着将氧化石墨烯用高速剪切机均匀分散在水中形成浓度为3wt％的氧化石墨烯分散液，在步骤(3)制得的向日葵髓心的一个端面旋涂氧化石墨烯分散液，旋涂次数10次(旋涂转速为600r/min，时间为20s)，随后将涂层端的横截面浸泡于氧化石墨烯溶液中进行吸附2h以获得稳定的涂层，得到改性向日葵杆髓心。
实施例4
改性向日葵杆髓心的制备方法，包括如下步骤：
(1)将向日葵秸秆(购自中国辽宁)剥去外壳剩下髓心并用刀片切割成直径为10mm的圆盘，然后用砂纸打磨横截面至光滑平整，取四个圆盘，用拍照像素计数法测量其面积为11.1723mm2；
(2)配制两性离子水凝胶预聚液：依次将6g甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱(SBMAA)、4g去离子水、30mg PEGDMA、180mg过硫酸铵、180mg四甲基乙二胺混合，制得两性离子水凝胶预聚液；
(3)将步骤(1)获得的向日葵髓心置于步骤(2)的两性离子水凝胶预聚液中超声分散2min后取出髓心，置于40℃烘箱热聚合20min，然后取出髓心将其置于去离子水中浸泡2h以上以除去未聚合的单体，然后放置于真空烘箱将其干燥；
(4)将炭黑用高速剪切机均匀分散在水中形成浓度为3wt％的炭黑分散液，在步骤(3)制得的向日葵髓心的一个端面旋涂炭黑分散液，旋涂次数10次(旋涂转速为600r/min，时间为20s)，随后将涂层端的横截面浸泡于炭黑溶液中进行吸附2h以获得稳定的涂层，得到改性向日葵杆髓心。
实施例5
改性向日葵杆髓心的制备方法，包括如下步骤：
(1)将向日葵秸秆(购自中国辽宁)剥去外壳剩下髓心并用刀片切割成直径为10mm的圆盘，然后用砂纸打磨横截面至光滑平整，取四个圆盘，用拍照像素计数法测量其面积为11.2733mm2；
(2)配制两性离子水凝胶预聚液：依次将2g羧基甜菜碱甲基丙烯酸甲酯(CBMAA)，6g去离子水，30mg PEGDMA，180mg过硫酸铵，120mg四甲基乙二胺混合，制得两性离子水凝胶预聚液；
(3)将向日葵髓心置于溶液中超声分散2min后取出髓心，置于40℃烘箱热聚合20min，然后取出髓心将其置于去离子水中浸泡2h以上以除去未聚合的单体，然后放置于真空烘箱将其干燥；
(4)将炭黑用高速剪切机均匀分散在水中形成浓度为3wt％的炭黑分散液，在步骤(3)制得的向日葵髓心的一个端面旋涂炭黑分散液，旋涂次数10次(旋涂转速为600r/min，时间为20s)，随后将涂层端的横截面浸泡于炭黑溶液中进行吸附2h以获得稳定的涂层，得到改性向日葵杆髓心。
对比例1
改性向日葵杆髓心的制备方法，包括如下步骤：
(1)将向日葵秸秆(购自中国辽宁)剥去外壳剩下髓心并用刀片切割成直径为10mm的圆盘，然后用砂纸打磨横截面至光滑平整，取四个圆盘，用拍照像素计数法测量其面积为11.3712mm2；
(2)将向日葵髓心于去离子水中超声分散2min后取出髓心，置于40℃烘箱20min，然后取出髓心将其置于去离子水中浸泡至少2h，然后放置于真空烘箱将其干燥；
(3)将炭黑用高速剪切机均匀地分散在水中形成浓度为3wt％的炭黑分散液，在步骤(3)制得的向日葵髓心的一个端面旋涂炭黑分散液，旋涂次数10次(旋涂转速为600r/min，时间为20s)，随后将涂层一端横截面浸泡于炭黑溶液中进行吸附2h，以获得稳定的光热转化涂层，得到未复合两性离子水凝胶的改性向日葵杆髓心。
图10为有、无复合两性离子水凝胶对抗盐析出的实验结果，实验条件是模拟高盐度环境下的海水淡化过程，具体地：在浓度为20wt％的模拟盐水中，于模拟一个太阳光强下进行海水蒸发实验，同时在样品的光热转化层表面放置约2g氯化钠。
实验结果表明：对比例1没有复合两性离子水凝胶的向日葵杆髓心(SP)样品表面的氯化钠盐发生了结块现象，而本发明实施例1复合两性离子水凝胶后的(SPH)样品表面未出现氯化钠积累盐分和结块现象。由此表明通过在向日葵杆髓心表面修饰两性离子水凝胶，基于两性离子较强的结合水能力，从而可以在向日葵秆髓心表面形成一层水合膜以防止盐结晶后析出，因此能够显著提高太阳能海水淡化的蒸发效率。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种改性天然植物髓心，其特征在于，所述改性天然植物髓心包括天然植物髓心、与天然植物髓心形成互穿网络的拓扑结构的两性离子水凝胶和负载于所述天然植物髓心一端的光热转化层；
所述天然植物髓心为向日葵秆髓心、玉米秆髓心或高粱秆髓心；
所述两性离子水凝胶由两性离子化合物单体浸泡聚合得到，利用两性离子水凝胶的互穿网络结构与天然植物髓心复合；
所述两性离子化合物单体选自DMAPS、甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱、羧基甜菜碱甲基丙烯酸甲酯和磷酸胆碱中的一种、两种或更多种；
所述光热转化层含有光热转化材料，所述光热转化材料选自聚吡咯、炭黑、碳纳米管、活性炭、氧化石墨烯和聚苯胺中的一种、两种或更多种。
2.根据权利要求1所述的改性天然植物髓心，其特征在于，所述天然植物髓心为向日葵杆髓心。
3.根据权利要求1所述的改性天然植物髓心，其特征在于，所述光热转化层的厚度为0.2~2 mm。
4.一种制备权利要求1-3任一项所述改性天然植物髓心的方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：先用两性离子水凝胶修饰天然的植物髓心，再复合光热转化层，得到所述改性天然植物髓心。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将天然植物髓心置于两性离子水凝胶预聚液中浸泡，而后加热聚合，得到含有两性离子水凝胶的天然植物髓心；
（2）在所述含有两性离子水凝胶的天然植物髓心的一端先涂覆光热转化材料，而后将涂覆光热转化材料的此端部浸泡于光热转化材料的分散液中，复合上光热转化层，得到所述改性天然植物髓心。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述两性离子水凝胶预聚液包括如下质量百分比的组分：5~60 wt%两性离子化合物单体、0.5~5 wt%交联剂、0.5~2 wt%引发剂，其余为水。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述交联剂为聚乙二醇二甲基丙烯酸酯或N，N'-亚甲基双丙烯酰胺。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述引发剂为过硫酸铵和四甲基乙二胺中的一种或两种。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述引发剂为过硫酸铵和四甲基乙二胺。
10.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在步骤（1）之前，对天然植物髓心进行前处理的步骤。
11.如权利要求4-10任一项所述的制备方法，其特征在于，所述改性天然植物髓心的制备方法包括如下步骤：
（S1）将天然植物杆剥去外壁，取其髓心，将髓心切割成所需尺寸，对其横截面打磨至表面均匀光滑；
（S2）将天然植物髓心置于两性离子水凝胶预聚液中浸泡，而后加热聚合，聚合完成后的天然植物髓心浸没在水中，除去未聚合的两性离子化合物单体，干燥，得到含有两性离子水凝胶的天然植物髓心；
（S3）在所述含有两性离子水凝胶的天然植物髓心的一端先涂覆光热转化材料，而后将涂覆光热转化材料的此端部浸泡于光热转化材料的分散液中，复合上光热转化层，得到所述改性天然植物髓心。
12.权利要求1-3任一项所述改性天然植物髓心和/或权利要求4-11任一项所述制备方法制得的改性天然植物髓心作为海水淡化材料的应用。
13.权利要求1-3任一项所述改性天然植物髓心和/或权利要求4-11任一项所述制备方法制得的改性天然植物髓心作为太阳能海水淡化材料的应用。
14.如权利要求12或13所述的应用，其特征在于，所述海水为普通海水、被油污污损的海水或者被重金属污染的海水。
15.权利要求1-3任一项所述改性天然植物髓心和/或权利要求4-11任一项所述制备方法制得的改性天然植物髓心在重金属污水处理中的应用。
16.如权利要求15所述的应用，其特征在于，所述重金属为Ni、Pb、Cu、Zn、Cr、Cd中的一种、两种或更多种。
17.一种海水淡化材料，含有权利要求1-3任一项所述改性天然植物髓心和/或权利要求4-11任一项所述制备方法制得的改性天然植物髓心。
18.一种重金属污水处理材料，含有权利要求1-3任一项所述改性天然植物髓心和/或权利要求4-11任一项所述制备方法制得的改性天然植物髓心。
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