CN114230849A - 一种具有高效光热转换的多孔气凝胶制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有高效光热转换的多孔气凝胶制备方法。第一步：聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶的制备；第二步：聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺水凝胶的制备；第三步：聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺气凝胶的制备。本发明采用聚乙烯醇和海藻酸钠作为原料，从而制备具有大量含氧官能团的水凝胶，其在冷冻干燥过程中能够形成稳定的三维多孔结构。在太阳光照的条件下，由于聚苯胺具有较低的导热系数，能产生有效的局域热效应，提高了太阳能利用效率和光热转化效率。本发明的制备方法简单，条件温和，成本低廉，可应用于海水淡化和污水处理等领域。
Description
技术领域
本发明涉及光热转化复合材料的制备方法，特别涉及一种以天然高分子为基材，具有高效光热转换的多孔气凝胶制备方法。
背景技术
世界人口数量增加，工业设施快速发展，使得现阶段水资源消耗加快，进而造成淡水资源短缺。采用膜分离、离子交换树脂、电容去离子等方法从废水或海水中获取清洁的淡水资源，现已被广泛研究。这些方法虽已商业化，但由于其成本高昂、能源消耗大、工业设施复杂等原因，在农村等偏远地区难以实行。而太阳能作为一种可持续的绿色能源，取之不尽用之不竭，已被应用于盐水淡化、液相分离和杀菌等领域，受到人们的极大关注。目前太阳能材料因光热转换效率低，对光照强度要求高，限制了其在自然环境中的使用。
因此，开发具有宽带高效太阳能吸收、局域热效应、快速补水和有利于蒸汽逸出通道的材料，将是实现高效光热转化的有效途径。
聚苯胺具有在太阳光谱中吸收范围广、光热转换效率高等特点，同时因其具有较低的导热率，能产生有效的局域热效应，目前可被合理选择为光热材料。气凝胶的多孔结构无疑将赋予光热材料更好的吸光吸水能力，为水在气凝胶内部的传输和水蒸汽的逸散提供了通道。其制备方法简单，条件温和，成本低廉，可广泛的应用于海水淡化和污水处理等领域。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高效光热转换的多孔气凝胶制备方法，该制备方法简单，条件温和，光热转换效率高，价格低廉，可大规模推广。本发明采用聚乙烯醇和海藻酸钠作为原料，从而制备具有大量含氧官能团的水凝胶，其在冷冻干燥过程中能够形成稳定的三维多孔结构，有利于水的传输以及水蒸汽的逸散。
本发明可以通过以下技术方案来实现，其特征如下。
（1）聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶的制备：将聚乙烯醇和海藻酸钠按照质量比为1：1~10溶于100 份去离子水中，80~95 ℃搅拌回流2~4 h后，得到聚乙烯醇和海藻酸钠混合溶液。在其中加入1~10份浓度为0.1~1 mol/L的盐酸溶液，再逐滴加入1~10 份戊二醛，在室温25 ℃下放置2~4 h使其凝胶化。将得到的水凝胶在-25 ℃下冷冻2 h，取出后在25 ℃下解冻2 h，通过冷冻-解冻循环3次，即得到聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶。
（2）聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺水凝胶的制备：将所述（1）得到的聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶依次在0.2~1 mol/L的苯胺单体溶液、0.02~0.1 mol/L的过硫酸铵溶液中浸泡1~12 h，再浸泡在去离子水中洗涤至pH为中性，即得到聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺水凝胶。
（3）聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺气凝胶的制备：将所述（2）得到的聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺水凝胶在温度为-25 ℃下冷冻12 h后，再放置于温度为-50 ℃的条件下冷冻干燥12～24 h，得到聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺气凝胶。
本发明利用冷冻干燥的方法制得聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺气凝胶，具有以下的优点和积极效果：（1）本发明采用聚乙烯醇和海藻酸钠作为原料，从而制备具有大量含氧官能团的水凝胶，其在冷冻干燥过程中能够形成稳定的三维多孔结构，有利于水的传输以及水蒸汽的逸散。（2）聚苯胺具有在太阳光谱中吸收范围广、光热转换效率高和较低的导热率，能产生有效的局域热效应。（3）本发明所述制备方法的合成过程与现有材料相比，制备方法简单，条件温和，光热转换效率高，价格低廉，可大规模推广应用。本发明展现了高效的太阳能利用率，可用于海水淡化和污水处理等领域。
附图说明
图1为高效光热转换的多孔气凝胶的实物图；图1（a）左为聚乙烯醇/海藻酸钠气凝胶，图1（a）右为聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺气凝胶；图1（b）为漂浮图。
图2 为高效光热转换的多孔气凝胶的SEM图，图2（a）聚乙烯醇/海藻酸钠气凝胶表面形貌；图2（b）聚乙烯醇/海藻酸钠气凝胶截面形貌；图2（c）聚乙烯醇/海藻酸钠气凝胶内部放大图；图2（d）聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺气凝胶表面形貌；图2（e）聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺气凝胶截面形貌；图2（f）聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺气凝胶内部放大图。
图3 为高效光热转换的多孔气凝胶的光照循环性能图。
图4 为高效光热转换的多孔气凝胶的对不同液体蒸发速率，盐碱水来源于新疆石河子地区；油水混合物为1 g二甲基硅油分散于100 mL水中获得的乳化油。
具体实施方式
为了使本发明方案的目的及优点更加清楚明确，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当明白，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明并不限定本发明。下述实施例中，若无特殊说明，所使用的实验方法均为常规方法，所用的试剂，材料等均可从化学试剂公司购买。
实施例1
（1）聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶的制备：将聚乙烯醇和海藻酸钠按照质量比为1：1溶于100 份去离子水中，80 ℃搅拌回流2 h后，得到聚乙烯醇和海藻酸钠混合溶液。在其中加入1份浓度为0.1 mol/L的盐酸溶液，再逐滴加入1 份戊二醛，在室温25 ℃下放置2 h使其凝胶化。将得到的水凝胶在-25 ℃下冷冻2 h，取出后在25 ℃下解冻2 h，通过冷冻-解冻循环3次，即得到聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶。
（2）聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺水凝胶的制备：将实施例1所述（1）得到的聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶依次在0.2 mol/L的苯胺单体溶液、0.02 mol/L的过硫酸铵溶液中浸泡1 h，再浸泡在去离子水中洗涤至pH为中性，即得到聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺水凝胶。
（3）聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺气凝胶的制备：将实施例1所述（2）得到的聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺水凝胶在温度为-25 ℃下冷冻12 h后，再放置于温度为-50 ℃的条件下冷冻干燥12 h，得到聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺气凝胶。
实施例2
（1）聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶的制备：将聚乙烯醇和海藻酸钠按照质量比为1：4溶于100 份去离子水中，85 ℃搅拌回流3 h后，得到聚乙烯醇和海藻酸钠混合溶液。在其中加入4份浓度为0.4 mol/L的盐酸溶液，再逐滴加入4 份戊二醛，在室温25 ℃下放置3 h使其凝胶化。将得到的水凝胶在-25 ℃下冷冻2 h，取出后在25 ℃下解冻2 h，通过冷冻-解冻循环3次，即得到聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶。
（2）聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺水凝胶的制备：将实施例2所述（1）得到的聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶依次在0.4 mol/L的苯胺单体溶液、0.04 mol/L的过硫酸铵溶液中浸泡4 h，再浸泡在去离子水中洗涤至pH为中性，即得到聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺水凝胶。
（3）聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺气凝胶的制备：将实施例2所述（2）得到的聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺水凝胶在温度为-25 ℃下冷冻12 h后，再放置于温度为-50 ℃的条件下冷冻干燥16 h，得到聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺气凝胶。
实施例3
（1）聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶的制备：将聚乙烯醇和海藻酸钠按照质量比为1：8溶于100 份去离子水中，90 ℃搅拌回流4 h后，得到聚乙烯醇和海藻酸钠混合溶液。在其中加入8份浓度为0.8 mol/L的盐酸溶液，再逐滴加入8 份戊二醛，在室温25 ℃下放置4 h使其凝胶化。将得到的水凝胶在-25 ℃下冷冻2 h，取出后在25 ℃下解冻2 h，通过冷冻-解冻循环3次，即得到聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶。
（2）聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺水凝胶的制备：将实施例3所述（1）得到的聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶依次在0.8 mol/L的苯胺单体溶液、0.08 mol/L的过硫酸铵溶液中浸泡8 h，再浸泡在去离子水中洗涤至pH为中性，即得到聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺水凝胶。
（3）聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺气凝胶的制备：将实施例3所述（2）得到的聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺水凝胶在温度为-25 ℃下冷冻12 h后，再放置于温度为-50 ℃的条件下冷冻干燥20 h，得到聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺气凝胶。
实施例4
（1）聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶的制备：将聚乙烯醇和海藻酸钠按照质量比为1：10溶于100 份去离子水中，95 ℃搅拌回流4 h后，得到聚乙烯醇和海藻酸钠混合溶液。在其中加入10份浓度为1 mol/L的盐酸溶液，再逐滴加入10 份戊二醛，在室温25 ℃下放置2 h使其凝胶化。将得到的水凝胶在-25 ℃下冷冻2 h，取出后在25 ℃下解冻2 h，通过冷冻-解冻循环3次，即得到聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶。
（2）聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺水凝胶的制备：将实施例4所述（1）得到的聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶依次在1 mol/L的苯胺单体溶液、0.1 mol/L的过硫酸铵溶液中浸泡12h，再浸泡在去离子水中洗涤至pH为中性，即得到聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺水凝胶。
（3）聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺气凝胶的制备：将实施例4所述（2）得到的聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺水凝胶在温度为-25 ℃下冷冻12 h后，再放置于温度为-50 ℃的条件下冷冻干燥24 h，得到聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺气凝胶。
实施例5
（1）聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶的制备：将聚乙烯醇和海藻酸钠按照质量比为1：10溶于100 份去离子水中，95 ℃搅拌回流4 h后，得到聚乙烯醇和海藻酸钠混合溶液。在其中加入10份浓度为1 mol/L的盐酸溶液，再逐滴加入4 份戊二醛，在室温25 ℃下放置2 h使其凝胶化。将得到的水凝胶在-25 ℃下冷冻2 h，取出后在25 ℃下解冻2 h，通过冷冻-解冻循环3次，即得到聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶。
（2）聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺水凝胶的制备：将实施例5所述（1）得到的聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶依次在1 mol/L的苯胺单体溶液、0.08 mol/L的过硫酸铵溶液中浸泡4h，再浸泡在去离子水中洗涤至pH为中性，即得到聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺水凝胶。
（3）聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺气凝胶的制备：将实施例5所述（2）得到的聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺水凝胶在温度为-25 ℃下冷冻12 h后，再放置于温度为-50 ℃的条件下冷冻干燥24 h，得到聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺气凝胶。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和修饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种具有高效光热转换的多孔气凝胶，其特征在于，所述具有高效光热转换的多孔气凝胶由水凝胶基亲水性大分子和光热转化成分相结合，经冷冻干燥得到；所述水凝胶基亲水性大分子的水溶液由聚乙烯醇、海藻酸钠、交联剂共混制得；所述光热转化成分为聚苯胺。
2.根据权利要求1所述的具有高效光热转换的多孔气凝胶，其特征在于，海藻酸钠具有丰富的含氧官能团，主要用于增加本发明中气凝胶的亲水性，可用纤维素、壳聚糖、木质素、果胶以及它们衍生物中的一种或几种进行替换。
3.根据权利要求1所述的具有高效光热转换的多孔气凝胶，其特征在于，光热转化成分聚苯胺是苯胺单体经过硫酸铵、过硫酸钾或偶氮二异丁腈引发制得。
4.根据权利要求1所述的具有高效光热转换的多孔气凝胶，其特征在于，所述交联剂为戊二醛。
5.一种具有高效光热转换的多孔气凝胶制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤（所取的物量“份”为重量份）：
（1）聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶的制备：将聚乙烯醇和海藻酸钠按照质量比为1：1~10溶于100 份去离子水中，80~95 ℃搅拌回流2~4 h后，得到聚乙烯醇和海藻酸钠混合溶液；在其中加入1~10 份浓度为0.1~1 mol/L的盐酸溶液，再逐滴加入1~10 份戊二醛，在室温25℃下放置2~4 h使其凝胶化；将得到的水凝胶在-25 ℃下冷冻2 h，取出后在室温25 ℃下解冻2 h，通过冷冻-解冻循环3次，即得到聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶；
（2）聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺水凝胶的制备：将所述权利要求1得到的聚乙烯醇/海藻酸钠水凝胶依次在0.2~1 mol/L的苯胺单体溶液、0.02~0.1 mol/L的过硫酸铵溶液中浸泡1~12 h，再浸泡在去离子水中洗涤至pH为中性，即得到聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺水凝胶；
（3）聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺气凝胶的制备：将所述权利要求2得到的聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺水凝胶在温度为-25 ℃下冷冻12 h后，再放置于温度为-50 ℃的条件下冷冻干燥12～24 h，得到聚乙烯醇/海藻酸钠/聚苯胺气凝胶。
6.根据权利要求5所述的具有高效光热转换的多孔气凝胶，其特征在于，所述苯胺单体溶液是将0.2~1 mol/L的苯胺单体溶于100 份的1 mol/L盐酸中。
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