CN116102771B - 一种用于海水淡化的高效凝胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的高效凝胶的制备方法采用定向冷冻技术和巴西棕榈蜡辅助常压干燥气凝胶，该气凝胶具有较低的密度，均匀稳定的多孔结构和较好的力学强度。相较于传统低温冷冻干燥和超临界干燥，本发明所用常压干燥方法具有工艺简便、用料环保和无毒无污染的优点，非常适用于大规模生产。而制备得到的水凝胶光热材料具有突出的光蒸发速率和效率，制备工艺简单，在标准太阳光照射下，该蜡改性低蒸发焓高效海水淡化水凝胶材料的光热转换效率高达92.27％，水蒸发速率达到3.28kg m‑2h‑1，相比现有的光热转换材料，水蒸发速率大大提高。由本发明水凝胶组成的光热蒸发体系在盐水、染料废水中均具有显著的光热净化能力，在海水淡化、污水处理等领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光热转换技术领域，具体地涉及一种用于海水淡化的高效凝胶的制备方法，尤其是涉及一种用于海水淡化的采用蜡改性的低蒸发焓的高效凝胶的制备方法。
背景技术
淡水是人类生存和工业生产最重要的日常必需品之一。然而，由于地球的淡水资源有限，再加上陆地上的淡水分布非常不均匀，导致某些地区存在严重的淡水短缺问题。为了解决该问题，从海水和污水中获取清洁的淡水被认为是缓解淡水短缺问题的可行方案。
目前，太阳能蒸汽发电已被证明是一项有巨大应用前途的技术，它通过将太阳能转化为水蒸发的热量，从而能够从海水或者污水中提取淡水。而为了提高太阳能热效率，广泛使用了多种光热蒸发器，包括金属材料、碳基材料和有机聚合物。同时，这些光热材料已被制成热定位吸收器，用于有效地收集光，以实现界面太阳能蒸汽的产生。然而，由于现有的光热蒸发器具有较高的蒸发焓，从而使得即便光热转换效率较高，但是蒸发效率依然很低。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种高效凝胶的制备方法，其能够用于海水淡化，制备方法包括以下步骤：
步骤1、制备多巴胺水溶液、琼脂水溶液、巴西棕榈蜡溶液；
步骤2、将步骤1制备得到的所述琼脂水溶液进行加热，然后倒入模具中降温至室温形成凝胶，将凝胶进行老化处理，之后将老化的凝胶放于液氮中冷冻，然后解冻；
步骤3、将步骤2制备的解冻后凝胶浸泡于多巴胺水溶液中24h，在凝胶表面原位聚合多巴胺生成光热转换材料聚多巴胺；
步骤4、将步骤3得到的凝胶浸泡于乙醇溶液中进行换液；
步骤5、将步骤4得到的凝胶浸泡于巴西棕榈蜡溶液中，然后常压干燥获得光热气凝胶。
进一步，将1-5g琼脂粉加入到100mL去离子水中，得到步骤1中的琼脂水溶液。
进一步，将2-10mg/mL的盐酸多巴胺溶液加入0.2-1wt％的氨水溶液中，得到步骤1中的多巴胺水溶液。
进一步，按照0.1-0.5g巴西棕榈蜡：100mL柠檬烯的比例，制得步骤1中的巴西棕榈蜡溶液。
进一步，步骤2中的加热采用磁力搅拌加热方式，并加热至100℃。
进一步，步骤2中的模具为聚苯乙烯模具；将凝胶放置于4℃环境冷藏24h以对凝胶进行老化，之后放于液氮中冷冻3h-6h，然后将液氮冷冻的凝胶放置于-18℃环境冷冻12h以防止温差过大导致开裂，之后在室温下进行解冻。
进一步，步骤4中，将凝胶放置于乙醇中12h进行换液，换液期间借助干燥纸巾的毛细作用力辅助换液，重复进行2-3次换液。
进一步，制备方法还包括步骤6：将步骤5中得到的光热气凝胶用乙醇和柠檬烯混合溶液进行清洗，然后将清洗后的光热气凝胶进行常压干燥，得到形貌孔隙更好的光热气凝胶。
进一步，步骤5、6中，常压干燥24h得到光热气凝胶。
进一步，还包括步骤7：在使用前，将步骤5或步骤6中得到的光热气凝胶放于水中浸泡24h，获得所需低蒸发焓光热水凝胶。
本发明还提供一种根据本发明的制备方法制备得到的蜡改性低蒸发焓高效海水淡化水凝胶材料。
本申请的有益效果：与现有的技术相比，本发明的水凝胶光热材料具有突出的光蒸发速率和效率，制备工艺简单，在标准太阳光照射下，该蜡改性低蒸发焓高效海水淡化水凝胶材料的光热转换效率高达92.27％，水蒸发速率达到3.28kg m-2h-1，相比现有的光热转换材料，水蒸发速率大大提高。由本发明水凝胶组成的光热蒸发体系在盐水、染料废水中均具有显著的光热净化能力，在海水淡化、污水处理等领域具有广泛的应用前景。同时，本发明的制备方法采用定向冷冻技术和巴西棕榈蜡辅助常压干燥气凝胶，该气凝胶具有较低的密度，均匀稳定的多孔结构和较好的力学强度。本方法使用的琼脂具有来源广泛，绿色可降解性以及良好的模板性使得琼脂气凝胶可以用于隔热、吸附以及催化剂载体等材料。本方法制备过程简单，无污染，所用试剂均安全无毒，原料环保且低廉，更适用于大规模生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明的实施例中的制备方法的流程图。
图2是本发明的实施例中的光热凝胶在一个太阳光光照强度下光热材料的表面温度变化示意图。
图3是采用本发明的实施例中的光热凝胶后的质量变化示意图。
图4是本发明的实施例中的光热凝胶的蒸发率示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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。
为了解决该技术问题，如图1所示，本发明提出一种高效凝胶的制备方法，其能够用于海水淡化，制备方法包括以下步骤：
步骤1、将1-5g琼脂粉加入到100mL去离子水中，得到琼脂水溶液；将2mg/mL的盐酸多巴胺溶液加入0.2wt％的氨水溶液中，得到多巴胺水溶液；按照0.1-0.5g巴西棕榈蜡：100mL柠檬烯的比例，制得巴西棕榈蜡溶液；
步骤2、将步骤1制备得到的所述琼脂水溶液采用磁力搅拌加热方式加热至100℃，并持续1min；然后将所述琼脂水溶液降温至50℃，然后倒入聚苯乙烯模具中降温至室温形成凝胶，将凝胶放置于4℃冰箱冷藏环境中24h以对凝胶进行老化，之后放于液氮中定向冷冻3h-6h，然后将液氮冷冻的凝胶放置于-18℃冰箱冷冻12h以防止温差过大导致开裂，之后在室温下进行解冻；
步骤3、将步骤2制备的解冻后凝胶浸泡于多巴胺水溶液中24h，在凝胶表面原位聚合多巴胺生成光热转换材料聚多巴胺；
步骤4、将步骤3得到的凝胶产品浸泡于乙醇溶液中12h进行换液，换液期间借助干燥纸巾的毛细作用力辅助换液，重复进行2-3次换液；
步骤5、将步骤4得到的凝胶产品浸泡于巴西棕榈蜡溶液中6h，然后常压干燥24h获得光热气凝胶；
步骤6：将步骤5中得到的光热气凝胶用乙醇和柠檬烯混合溶液进行清洗，然后将清洗后的光热气凝胶进行常压干燥24h，得到形貌孔隙更好的光热气凝胶；
步骤7：在使用前，将步骤5或步骤6中得到的光热气凝胶放于水中浸泡24h，获得所需低蒸发焓光热水凝胶。
实施例1：
本发明提出一种高效凝胶的制备方法，其能够用于海水淡化，制备方法包括以下步骤：
步骤1、将3g琼脂粉加入到100mL去离子水中，得到琼脂水溶液；将2mg/mL的盐酸多巴胺溶液加入0.2wt％的氨水溶液中，得到多巴胺水溶液；按照0.25g巴西棕榈蜡：100mL柠檬烯的比例，制得巴西棕榈蜡溶液；
步骤2、将步骤1制备得到的所述琼脂水溶液采用磁力搅拌加热方式加热至100℃，并持续1-5min；然后将所述琼脂水溶液降温至50℃，然后倒入聚苯乙烯模具中降温至室温形成凝胶，将凝胶放置于4℃环境冷藏24h以对凝胶进行老化，之后放于液氮中冷冻6h，然后将液氮冷冻的凝胶放置于-18℃环境冷冻12h以防止温差过大导致开裂，之后在室温下进行解冻；
步骤3、将步骤2制备的解冻后凝胶浸泡于多巴胺水溶液中24h，在凝胶表面原位聚合多巴胺生成光热转换材料聚多巴胺；
步骤4、将步骤3得到的凝胶浸泡于乙醇溶液中12h进行换液，换液期间借助干燥纸巾的毛细作用力辅助换液，重复进行2次换液；得到的产物在此标记为PDA-A3-xy；
步骤5、将步骤4得到的凝胶浸泡于巴西棕榈蜡溶液中，然后常压干燥24h获得光热气凝胶；
步骤6：将步骤5中得到的光热气凝胶用乙醇和柠檬烯混合溶液进行清洗，然后将清洗后的光热气凝胶进行常压干燥24h，得到形貌孔隙更好的光热气凝胶；
步骤7：在使用前，将步骤5或步骤6中得到的光热气凝胶放于水中浸泡24h，获得所需低蒸发焓光热水凝胶。
其中，将步骤5中得到的气凝胶放入水中浸泡24h所获得的低蒸发焓光热水凝胶，在此标记为PDA-A3-xy0.25％。而如果将步骤5中得到的气凝胶放入海水中浸泡24h所获得的低蒸发焓光热水凝胶，在此标记为PDA-A3-xy0.25％seawater。
实施例2：
本发明提出一种高效凝胶的制备方法，其能够用于海水淡化，制备方法包括以下步骤：
步骤1、将5g琼脂粉加入到100mL去离子水中，得到琼脂水溶液；将2mg/mL的盐酸多巴胺溶液加入0.2wt％的氨水溶液中，得到多巴胺水溶液；按照0.5g巴西棕榈蜡：100mL柠檬烯的比例，制得巴西棕榈蜡溶液；
步骤2、将步骤1制备得到的所述琼脂水溶液采用磁力搅拌加热方式加热至100℃，并持续1min；然后将所述琼脂水溶液降温至50℃，然后倒入聚苯乙烯模具中降温至室温形成凝胶，将凝胶放置于4℃冰箱冷藏环境中24h以对凝胶进行老化，之后放于液氮中定向冷冻6h，然后将液氮冷冻的凝胶放置于-18℃冰箱冷冻12h以防止温差过大导致开裂，之后在室温下进行解冻；
步骤3、将步骤2制备的解冻后凝胶浸泡于多巴胺水溶液中24h，在凝胶表面原位聚合多巴胺生成光热转换材料聚多巴胺；
步骤4、将步骤3得到的凝胶产品浸泡于乙醇溶液中12h进行换液，换液期间借助干燥纸巾的毛细作用力辅助换液，重复进行3次换液；
步骤5、将步骤4得到的凝胶产品浸泡于巴西棕榈蜡溶液中6h，然后常压干燥24h获得光热气凝胶；
步骤6：将步骤5中得到的光热气凝胶用乙醇和柠檬烯混合溶液进行清洗，然后将清洗后的光热气凝胶进行常压干燥24h，得到形貌孔隙更好的光热气凝胶；
步骤7：在使用前，将步骤5或步骤6中得到的光热气凝胶放于水中浸泡24h，获得所需低蒸发焓光热水凝胶。
其中，将步骤5中得到的气凝胶放入水中浸泡24h所获得的低蒸发焓光热水凝胶，在此标记为PDA-A3-xy0.5％。
对于采用本申请的实施例的制备方法所获得的高效凝胶，其具有很高的光热转换效果。
图2中示出了水以及采用了光热凝胶PDA-A3-xy、PDA-A3-xy0.25％、PDA-A3-xy0.5％之后在太阳照射下的温度变化趋势，其中，可以明显地看出，采用了本申请的光热凝胶能够大大地提高太阳照射的光热转化效率，使得水体能够吸收更多的太阳能从而提高水体的温度。并且，采用更高浓度的巴西棕榈蜡溶液浸泡的凝胶具备了更好的光热转化效率，从而使得更多的太阳能能够被吸收而使得水体的温度更高。
图3中示出了水以及采用了光热凝胶PDA-A3-xy、PDA-A3-xy0.25％、PDA-A3-xy0.5％、PDA-A3-xy0.25％seawater之后在太阳照射下的水体质量变化趋势，图4中示出了水以及采用了光热凝胶PDA-A3-xy、PDA-A3-xy0.25％、PDA-A3-xy0.5％、PDA-A3-xy0.25％seawater之后在太阳照射下的蒸发率趋势。从图3、4中可以明显地看出，采用本申请的制备方法得到的光热凝胶，能够大大地提高水体的蒸发速度，大大地加快海水淡化的速度和效率。在标准太阳光照射下，该蜡改性低蒸发焓高效海水淡化水凝胶材料的光热转换效率高达92.27％，水蒸发速率达到3.28kg m-2h-1，相比现有的光热转换材料，水蒸发速率大大提高。
本发明还提供一种根据本发明的制备方法制备得到的蜡改性低蒸发焓高效海水淡化水凝胶材料。
本申请的有益效果：与现有的技术相比，本发明的水凝胶光热材料具有突出的光蒸发速率和效率，制备工艺简单，在标准太阳光照射下，该蜡改性低蒸发焓高效海水淡化水凝胶材料的光热转换效率高达92.27％，水蒸发速率达到3.28kg m-2h-1，相比现有的光热转换材料，水蒸发速率大大提高。由本发明水凝胶组成的光热蒸发体系在盐水、染料废水中均具有显著的光热净化能力，在海水淡化、污水处理等领域具有广泛的应用前景。同时，本发明的制备方法采用定向冷冻技术和巴西棕榈蜡辅助常压干燥气凝胶，该气凝胶具有较低的密度，均匀稳定的多孔结构和较好的力学强度。本方法使用的琼脂具有来源广泛，绿色可降解性以及良好的模板性使得琼脂气凝胶可以用于隔热、吸附以及催化剂载体等材料。本方法制备过程简单，无污染，所用试剂均安全无毒，原料环保且低廉，更适用于大规模生产。
以上所揭露的仅为本发明的几个较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (5)
1.一种高效凝胶的制备方法，制备方法包括以下步骤：
步骤1、制备多巴胺水溶液、琼脂水溶液、巴西棕榈蜡溶液；步骤2、将步骤1制备得到的所述琼脂水溶液进行加热，然后倒入模具中降温至室温形成凝胶，将凝胶进行老化处理，之后将老化的凝胶放于液氮中冷冻，然后解冻；步骤3、将步骤2制备的解冻后凝胶浸泡于多巴胺水溶液中24h，在凝胶表面原位聚合多巴胺生成光热转换材料聚多巴胺；步骤4、将步骤3得到的凝胶浸泡于乙醇溶液中进行换液；步骤5、将步骤4得到的凝胶浸泡于巴西棕榈蜡溶液中，然后常压干燥获得光热气凝胶；将2-10mg/mL的盐酸多巴胺溶液加入0.2-1wt％的氨水溶液中，得到步骤1中的多巴胺水溶液，按照1-5g琼脂粉加入到100mL去离子水的比例，制备得到步骤1中的琼脂水溶液；按照0.1-0.5g巴西棕榈蜡：100mL柠檬烯的比例，制得步骤1中的巴西棕榈蜡溶液；步骤2中的加热采用磁力搅拌加热方式，并加热至100℃；步骤2中的模具为聚苯乙烯模具；将凝胶放置于4℃环境冷藏24h以对凝胶进行老化，之后放于液氮中冷冻3h-6h，然后将液氮冷冻的凝胶放置于-18℃环境冷冻12h以防止温差过大导致开裂，之后在室温下进行解冻。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4中，将凝胶放置于乙醇溶液中12h进行换液，换液期间借助干燥纸巾的毛细作用力辅助换液，重复进行2-3次换液。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的制备方法，其特征在于，制备方法还包括步骤6：将步骤5中得到的光热气凝胶用乙醇溶液和柠檬烯混合溶液进行清洗，然后将清洗后的光热气凝胶进行常压干燥，得到光热气凝胶。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤5、6中，常压干燥24h得到光热气凝胶。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，还包括步骤7：在使用前，将步骤5或步骤6中得到的光热气凝胶放于水中浸泡24h，获得所需低蒸发焓光热水凝胶。
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