CN114392698B - 一种高稳定性的光热水凝胶海绵及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及功能材料制备技术领域，具体涉及一种高稳定性的光热水凝胶海绵及其制备方法和应用，本发明高稳定性的光热水凝胶海绵通过海绵基体吸取高浓度溶液后，使高浓度溶液以薄层的形式附着在海绵表面又不堵塞海绵孔道，通过后续的单宁酸与三价铁离子的配位反应，以及单宁酸与高分子化合物之间的氢键相互作用，在海绵表面原位生成高稳定性薄层水凝胶；制得的薄层水凝胶保留了海绵的高孔隙率，有利于盐离子扩散回流，实现连续稳定处理高浓度盐水的目的；另外高稳定性的光热水凝胶海绵制备时间短，可在1分钟之内制得，能耗低，可实现工业化生产。

Description

一种高稳定性的光热水凝胶海绵及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于功能材料制备技术领域，具体涉及一种高稳定性的光热水凝胶海绵及其制备方法和应用。
背景技术
随着工业化的加速和人口的快速增长，水资源短缺问题变得越来越严重，而将广泛分布的海水转化为供人类使用的淡水将极大的改善这一问题。与传统的海水淡化技术(利用电能、热能、机械能)相比，近年来发展的太阳能驱动界面蒸发技术，其通过对光热材料进行设计，使水仅与界面接触，提高了气液界面的太阳光热能转换效率，减少热量对环境的损失，从而提高了能源利用效率，因此引起了科学工作者的广泛关注。
到目前为止，各种光热材料，包括等离子体材料、半导体材料、碳基材料和聚合物水凝胶材料已经被开发用于太阳蒸发。水凝胶材料具有交联的聚合物网络，降低凝胶中水的蒸发焓，为高速水蒸发提供了一条有效的路径；但水凝胶光热蒸发材料存在着水运输速度慢，蒸发过程中水供应不足的问题，通过冷冻干燥可以提高孔隙率以加速水的运输，但冷冻干燥过程能耗大，再加之受仪器限制难以制备大规模海绵，因此限制了其产业化应用。为了解决上述问题，本课题组前期制备了由海绵骨架和具有光热转换作用的水凝胶皮层组成的水凝胶海绵，但是该水凝胶海绵制备中需要烘干，烘干过程存在能耗问题，并且制备时间长，此外还存在冲洗过程容易脱落等问题；因此探索实现超快速制备强稳定性的光热水凝胶海绵具有重要意义。
发明内容
为了解决上述现有技术的问题，本发明提供了一种高稳定性的光热水凝胶海绵及其制备方法和应用，本发明高稳定性的光热水凝胶海绵通过海绵基体吸取高浓度溶液后，使高浓度溶液以薄层的形式附着在海绵表面又不堵塞海绵孔道，通过后续的单宁酸与三价铁离子的配位反应，以及单宁酸与高分子化合物之间的氢键相互作用，在海绵表面原位生成高稳定性薄层水凝胶；制得的薄层水凝胶保留了海绵的高孔隙率，有利于盐离子扩散回流，实现连续稳定处理高浓度盐水的目的；另外高稳定性的光热水凝胶海绵制备时间短，能耗低，可实现工业化生产。
本发明是通过如下技术方案来实现的：
一种高稳定性的光热水凝胶海绵的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用海绵基体吸取高浓度溶液，得到充盈海绵；
所述高浓度溶液的溶质由高分子聚合物和铁盐组成，所述高浓度溶液中，高分子聚合物的浓度为50–200g L-1，铁离子的浓度为25–200g L-1；
(2)将步骤(1)充盈海绵中多余高浓度溶液去掉，至海绵表面附着薄层高浓度溶液且不堵塞海绵孔道，得到待处理海绵；
(3)将步骤(2)的待处理海绵置于含多酚材料的醇溶液中，得到高稳定性的光热水凝胶海绵。
优选的，所述步骤(1)的海绵基体选自聚氨酯海绵、聚酰亚胺海绵、聚苯乙烯海绵、三聚氰胺甲醛树脂海绵、聚氯乙烯海绵、聚乙烯海绵中的一种。
优选的，所述步骤(1)的高分子聚合物为含有亲水基团的高分子聚合物，其选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚苯乙烯磺酸钠、聚乙烯醇中的一种。
优选的，所述步骤(1)的铁盐选自硫酸铁、氯化铁或乙酰丙酮铁。
优选的，所述步骤(1)高浓度溶液的溶剂选自乙醇、去离子水或二者的混合物。
优选的，所述步骤(3)的醇溶液由醇化合物和水组成，二者的体积比为1-4:1，所述醇化合物选自乙醇或甲醇。
优选的，所述步骤(3)的多酚材料选自单宁酸或没食子酸，且多酚材料在醇溶液中的浓度为20–100g L-1。
本发明还保护了制备方法制得的高稳定性的光热水凝胶海绵。
本发明还保护了高稳定性的光热水凝胶海绵在制备太阳能驱动界面蒸发材料、光热海水淡化材料、高浓度海水脱盐材料、污水处理材料中的应用。
优选的，所述太阳能驱动界面蒸发材料按照如下步骤制备：将高稳定性的光热水凝胶海绵采用蒸馏水冲洗至洗液中无黑色物质。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
1、本发明高稳定性的光热水凝胶海绵通过海绵基体吸取高浓度溶液后，使高浓度溶液以薄层的形式附着在海绵表面又不堵塞海绵孔道，通过后续的单宁酸与三价铁离子的配位反应，以及单宁酸与高分子化合物之间的氢键相互作用，在海绵表面原位生成高稳定性薄层水凝胶；制得的薄层水凝胶保留了海绵的高孔隙率，有利于盐离子扩散回流，实现连续稳定处理高浓度盐水的目的。
2、本发明的高稳定性的光热水凝胶海绵制备方法简单，无需冷冻干燥、烘干等高耗能操作，制备时间短，仅在一分钟内就可以制备完成，制备材料成本低，易于大规模制备。
3、本发明的高稳定性的光热水凝胶海绵具有优异的冲刷稳定性，可以耐受0.2MPa压力的冲洗而不脱落；具有良好的酸碱稳定性，在pH＝3-11范围内可以稳定存在；具有良好的机械稳定性，连续100次压缩不发生形变。
4、本发明的高稳定性的光热水凝胶海绵作为太阳能驱动界面蒸发器具有优良的海水淡化性能和脱盐性能；太阳能驱动界面蒸发材料在较宽的波长范围(200-2200nm)内表现出优异的太阳吸收特性(≈97％)，在用氙灯模拟一个太阳辐射功率(1kw m-2)的照射下，20wt％NaCl溶液的最大蒸发率可以达到1.6kg m-2h-1，能量效率可达90％。不同的模拟海水蒸发测试中，约为104、103、103、103mg/L的Na+、Mg2+、Ca2+和K+的经过太阳能淡化后，浓度显著降低了几个数量级。波罗的海(0.8wt％)、世界海洋(3.5wt％)和死海(10wt％)的模拟海水样本经太阳能海水淡化后盐度均下降了3-4个数量级，远低于WHO和EPA饮用水标准。
附图说明
图1为本发明实施例1-4的高稳定性的光热水凝胶海绵的制备过程图；
图2为本发明实施例2制得的高稳定性的水凝胶海绵的光学显微镜图；
图3为本方法实施例3和对比例1冲洗前后水凝胶海绵光学显微镜对照图；其中，图a和图c分别为冲洗前光学显微镜图，图b和图d分别为冲洗后光学显微镜图；
图4为本发明实施例2的高稳定性的光热水凝胶海绵(1.5m×1m×1cm)实物图；
图5为本发明实施例1的高稳定性光热水凝胶海绵在一个太阳光照强度下对高浓度盐水的蒸发速率图；
图6为本发明实施例2的高稳定性光热水凝胶海绵在一个太阳光照强度下照射不同时间后的表面图；其中，a图为2h，b图为4h，c图为6h，d图为10h；
图7为采用本发明实施例2的高稳定性的光热水凝胶海绵制得的太阳能驱动界面蒸发材料，处理三个模拟海水样品的淡化前后盐度变化对照图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明各实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
实施例1
一种高稳定性的光热水凝胶海绵的制备方法，包括如下步骤：
(1)将聚氨酯海绵完全浸入至高浓度溶液中，得到充盈海绵；
所述高浓度溶液为含有聚乙烯吡咯烷酮(200g L-1)和硫酸铁(100g L-1)的水溶液；
(2)将步骤(1)充盈海绵中多余溶液挤出，至海绵表面附着薄层高浓度溶液且不堵塞海绵孔道，得到待处理海绵；
(3)将步骤(2)的待处理海绵浸入到含单宁酸的乙醇溶液中(其中，单宁酸40g L-1，乙醇：水＝4：1)，得到黑色水凝胶海绵。
实施例2
一种高稳定性的光热水凝胶海绵的制备方法，包括如下步骤：
(1)将聚氨酯海绵完全浸入至高浓度溶液中，得到充盈海绵；
所述高浓度溶液为含有聚乙烯醇(200g L-1)和硫酸铁(100g L-1)的水溶液；
(2)将步骤(1)充盈海绵中多余溶液挤出，至海绵表面附着薄层高浓度溶液且不堵塞海绵孔道，得到待处理海绵；
(3)将步骤(2)的待处理海绵浸入到含单宁酸的乙醇溶液中(其中，单宁酸40g L-1，乙醇：水＝4：1)，得到黑色水凝胶海绵。
实施例3
一种高稳定性的光热水凝胶海绵的制备方法，包括如下步骤：
(1)将聚酰亚胺海绵完全浸入至高浓度溶液中，得到充盈海绵；
所述高浓度溶液为含有聚乙二醇(50g L-1)和氯化铁(200g L-1)的水溶液；
(2)将步骤(1)充盈海绵中多余溶液挤出，至海绵表面附着薄层高浓度溶液且不堵塞海绵孔道，得到待处理海绵；
(3)将步骤(2)的待处理海绵浸入到含没食子酸的乙醇溶液中(其中，没食子酸20gL-1，乙醇：水＝4：1)，得到黑色水凝胶海绵。
实施例4
一种高稳定性的光热水凝胶海绵的制备方法，包括如下步骤：
(1)将聚乙烯海绵完全浸入至高浓度溶液中，得到充盈海绵；
所述高浓度溶液为含有聚苯乙烯磺酸钠(100g L-1)和乙酰丙酮铁(25g L-1)的水溶液；
(2)将步骤(1)充盈海绵中多余溶液挤出，至海绵表面附着薄层高浓度溶液且不堵塞海绵孔道，得到待处理海绵；
(3)将步骤(2)的待处理海绵浸入到含单宁酸的甲醇溶液中(其中，单宁酸100g L-1，甲醇：水＝1：1)，得到黑色水凝胶海绵。
对比例1
本课题组发表的论文Chemical Engineering Journal,427(2022)130905中已经对黑色光热水凝胶海绵进行了探索，此论文中黑色水凝胶海绵的制备过程包括如下步骤：
(1)将聚氨酯海绵完全浸入含有聚乙烯吡咯烷酮(25mg mL-1)和硫酸铁(7.5mg mL-1)的水溶液中，得到充盈海绵；
(2)将步骤(1)的充盈海绵在60℃下干燥3h；
(3)将步骤(2)中烘干后的海绵浸泡在单宁酸溶液中(2mg/mL，Tris-HCl溶液，pH＝8.9，室温)中1h，得到黑色水凝胶海绵(前期制备的水凝胶海绵)。
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步详细描述：
分别将本发明实施例1、实施例2、对比例1制得的水凝胶海绵用蒸馏冲洗至洗液中无黑色物质，得到干净的黑色水凝胶海绵，即太阳能驱动界面蒸发材料。
利用氙灯模拟一个太阳的辐射功率(1kw m-2)，对实施例1的太阳能驱动界面蒸发材料进行蒸发率的测试，蒸发过程中，盐水质量变化与时间的关系如图5所示，经实验测得，太阳能驱动界面蒸发材料的20wt％NaCl溶液的蒸发率为1.6kg m-2h-1，能量效率为90％，并且连续10h蒸发材料表面没有盐积累。
利用氙灯模拟一个太阳的辐射功率(1kw m-2)，对实施例2的太阳能驱动界面蒸发材料进行蒸发率的测试，经实验测得，太阳能驱动界面蒸发材料的20wt％NaCl溶液的蒸发率为1.58kg m-2h-1，能量转换效率为89％，连续10h蒸发材料表面没有盐积累；其照射不同时间后的表面图如图6所示。
本发明制得了高稳定性的光热水凝胶海绵，所述的水凝胶海绵的制备过程如图1所示，与前期探索的黑色水凝胶海绵制备方法相比，本发明制备国程中不需要烘干过程，减少能源损耗，制备时间由原来的4个小时以上缩短为1分钟。
本发明还通过调节氢键的强度，大幅度提高了水凝胶的稳定性，相比于前期探索的黑色水凝胶海绵，所述水凝胶海绵具有冲洗稳性，前期水凝胶冲洗容易脱落，两种方法冲洗前后水凝胶对比光学显微镜图片如图3所示；冲洗操作如下：将1cm×1cm×1cm的光热海绵置于含有搅拌子的烧杯中，在转速10000r/min下冲洗10h，之后用光学显微镜观察不同光热海绵材料的表面水凝胶是否脱落。
图7中将太阳能驱动界面蒸发材料置于蒸发器件中，在一个太阳下进行蒸发冷凝，并收集冷凝水测试其盐度；所测水为太阳能驱动界面蒸发材料蒸发冷凝后的冷凝水，其水中盐度检测是通过盐度计测定的。图7结果表明对于不同浓度的海水，其净化后的盐度均大幅度降低，并且净化水的盐度远低于世界卫生组织(WHO)和美国环境保护署(EPA)对安全饮用水的盐度要求，表明该光热材料净水效果非常优异。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种高稳定性的光热水凝胶海绵的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用海绵基体吸取高浓度溶液，得到充盈海绵；
所述高浓度溶液的溶质由高分子聚合物和铁盐组成，所述高浓度溶液中，高分子聚合物的浓度为50–200g L-1，铁离子的浓度为25–200g L-1；
(2)将步骤(1)充盈海绵中多余高浓度溶液挤出，至海绵表面附着薄层高浓度溶液且不堵塞海绵孔道，得到待处理海绵；
(3)将步骤(2)的待处理海绵置于含多酚材料的醇溶液中，得到高稳定性的光热水凝胶海绵；
所述步骤(3)的醇溶液由醇化合物和水组成，二者的体积比为1-4:1，所述醇化合物选自乙醇或甲醇；
所述步骤(3)的多酚材料选自单宁酸或没食子酸，且多酚材料在醇溶液中的浓度为20–100g L-1；
所述步骤(1)的高分子聚合物为含有亲水基团的高分子聚合物，其选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚苯乙烯磺酸钠、聚乙烯醇中的一种；
所述步骤(1)的铁盐选自硫酸铁、氯化铁或乙酰丙酮铁。
2.根据权利要求1所述的一种高稳定性的光热水凝胶海绵的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的海绵基体选自聚氨酯海绵、聚酰亚胺海绵、聚苯乙烯海绵、三聚氰胺甲醛树脂海绵、聚氯乙烯海绵、聚乙烯海绵中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种高稳定性的光热水凝胶海绵的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)高浓度溶液的溶剂选自乙醇、去离子水或二者的混合物。
4.一种权利要求1-3任一项所述制备方法制得的高稳定性的光热水凝胶海绵。
5.一种权利要求4所述的高稳定性的光热水凝胶海绵在制备太阳能驱动界面蒸发材料、光热海水淡化材料、高浓度海水脱盐材料、污水处理材料中的应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述太阳能驱动界面蒸发材料按照如下步骤制备：将高稳定性的光热水凝胶海绵采用蒸馏水冲洗至洗液中无黑色物质。
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