CN116216824B - 一种水凝胶型界面光热蒸发器及其制备与应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水凝胶型界面光热蒸发器及其制备与应用方法。所述界面光热蒸发器的制备方法包括：通过藕粉和聚乙烯醇制备水凝胶骨架，在其上层添加光吸收剂碳量子点，下层不添加光吸收剂，分别制得蒸发层和输水层，由蒸发层和输水层组成蒸发器，该蒸发器置于海水表面后，可在太阳能驱动下进行海水脱盐淡化处理，其脱盐效能高，对环境友好，可在水净化领域获得广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于界面光热蒸发器的技术领域，特别涉及水凝胶复合材料的界面光热蒸发器。
背景技术
海水淡化是实现水资源利用的开源增量技术，是缓解淡水短缺的有效方法。目前较为成熟的海水淡化技术有膜过滤技术、蒸汽压缩技术和离子交换技术等。然而，这些技术存在能耗大、成本高、易导致结垢堵塞和维护周期短等缺点。
界面光热蒸发技术是一种新型的蒸发脱盐技术，它利用太阳能驱动蒸发过程，将蒸发界面与集热界面同时定位于液体-空气界面，可在最小化光热材料需求量和热损失的同时最大化蒸发效率。但现有的界面光热蒸发材料在蒸发的过程中会产生较大的热损失，且蒸发速率仍无法满足实际的生产需求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种水凝胶型界面光热蒸发器及其制备与应用方法，该蒸发器以水凝胶复合材料作为蒸发层和输水层，可有效实现余热利用，极大地减少光热转换中的热损失，提高光热转换效率及海水蒸发效率。
本发明的技术方案如下：
一种水凝胶型界面光热蒸发器的制备方法，其包括：
将聚乙烯醇水溶液与藕粉加入水中，进行混合和热溶解，得到水凝胶前驱液；
向一部分水凝胶前驱液中加入碳量子点、引发剂和交联剂，经第一凝胶化反应，得到蒸发层水凝胶材料；
向另一部分水凝胶前驱液中加入引发剂和交联剂，经第二凝胶化反应，得到输水层水凝胶材料；
将所述输水层水凝胶材料注入所述蒸发层水凝胶材料上，得到所述水凝胶型界面光热蒸发器。
根据本发明的一些优选实施方式，所述热溶解的温度为50～60℃，更优选为55℃。
根据本发明的一些优选实施方式，所述聚乙烯醇水溶液的质量浓度为10～15％，更优选为10％。
根据本发明的一些优选实施方式，所述藕粉与聚乙烯醇水溶液的质量比为1:2。
根据本发明的一些优选实施方式，所述碳量子点的获得包括：将聚乙二醇与丙三醇进行混合进行微波加热，得到碳量子点的分散液，更优选的，微波炉加热时间为25～35min。
根据本发明的一些优选实施方式，所述聚乙二醇与所述丙三醇的体积比为3:1。
根据本发明的一些优选实施方式，所述引发剂选自盐酸。
根据本发明的一些优选实施方式，所述交联剂选自戊二醛水溶液；更优选的，所述戊二醛水溶液的体积浓度为50％。
根据本发明的一些优选实施方式，所述第一凝胶化反应的温度为50～60℃，时间为1.5～2.5h，更优选为55℃、2h。
根据本发明的一些优选实施方式，所述第二凝胶化反应的温度为常温，时间为1.5～2.5h，更优选为2h。
根据本发明的一些优选实施方式，所述制备方法中，所述第一凝胶化反应在第一模具中进行，形成第一圆柱体形状的蒸发层水凝胶材料，所述第二凝胶化反应在第二模具中进行，形成第二圆柱体形状的输水层水凝胶材料；所述水凝胶型界面光热蒸发器由该第一圆柱体形状的蒸发层水凝胶材料与第二圆柱体形状的输水层水凝胶材料组合得到。
该优选实施方式可得到仿生蘑菇形的蒸发器，该蒸发器结果可进一步显著降低热损失，提高海水蒸发速率。
根据本发明的一些优选实施方式，所述第一模具为半径2.5～3.5cm的圆柱形，所述第二模具为半径1.5～2.5cm的圆柱形。
更优选的，所述第一模具的半径为3cm，所述第二模具的半径为2cm。
根据本发明的一些优选实施方式，所述第一模具与所述第二模具的高度比为1:2。
本发明充分利用了水凝胶的三维多孔网状结构及其具有的优异水输送能力和热局域能力，形成的蒸发器材料通过多孔结构和优异的表面润湿性能够缓解盐垢问题，并提高蒸发器的抗污染性和热稳定性。在制备中，本发明以藕粉和聚乙烯醇作为水凝胶骨架，在上层添加光吸收剂碳量子点，下层不添加光吸收剂，从而将水凝胶分为蒸发层和传输层，形成性能优异的界面光热蒸发器。
本发明中藕粉与聚乙烯醇可形成强机械性能的双网络水凝胶，藕粉的强粘性可以为骨架提供更好的机械性能，并使所得双网络水凝胶具有优异的亲水性，有利于蒸发中水传输效率。
本发明的制备过程简单，所得界面光热蒸发器可以生物降解的藕粉与聚乙烯醇为原料，无污染，对环境友好，可在水净化领域获得广泛应用。
在一些具体的实施例中，本发明所得界面光热蒸发器为仿生蘑菇结构，可进一步实现余热的利用，更大程度上避免了热损失。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的蒸发层水凝胶材料的扫描电镜图。
图2为本发明实施例制2得的仿生蘑菇水凝胶蒸发器的实物图像。
图3为本发明实施例制2得的仿生蘑菇水凝胶蒸发器的应用方式示意图。
图4为本发明实施例3的蒸发性能测试结果图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。
实施例1
通过以下过程制备蒸发层材料：
将2g分子量为145000的聚乙烯醇在55℃下溶解于27g去离子水中，再加入1g食用级纯藕粉，溶解得到水凝胶前驱液；
将聚乙二醇200的溶液与丙三醇按体积比为3:1进行混合，其后通过微波炉中低火加热30min，得到碳量子点分散液；
取碳量子点分散液3mL加入水凝胶前驱液中，之后加入250μL体积浓度为50％的戊二醛的水溶液超声混合均匀，再搅拌加入500μL浓度为1.2mol/L的盐酸溶液，得到蒸发层前驱液；
将蒸发层前驱液注入蒸发层模具中，在55℃下反应2h，得到蒸发层水凝胶；其中，蒸发层模具为内径3cm、高度1cm的圆柱体。
对该蒸发层水凝胶进行微观结构表征，其所得扫描电镜图像如附图1所示，可以看出，其呈现规整的多孔结构，且形成延伸的孔道，有利于水的传输。
实施例2
通过以下过程制备输水层材料：
将1g分子量为145000的聚乙烯醇在55℃下溶解于8.5g去离子水中，再加入0.5g食用级纯藕粉，溶解得到水凝胶前驱液；
向水凝胶前驱液中加入125μL体积浓度为50％的戊二醛水溶液，超声混合均匀后，搅拌加入250μL浓度为1.2mol/L的盐酸溶液，得到输水层前驱液；
将输水层前驱液注入输水层模具中，常温下反应2h，得到输水层水凝胶；其中，输水层模具为内径2cm、高度2cm的圆柱体。
进一步的，将所得输水层水凝胶注入实施例1得到的蒸发层水凝胶上，两者结合后，形成完整的仿生蘑菇水凝胶蒸发器，如附图2所示。
将该水凝胶蒸发器放入海水中后，在太阳能驱动下即可通过界面光蒸发过程实现海水脱盐淡化处理，如附图3所示。
实施例3
将实施例1得到蒸发层水凝胶(即单层水凝胶)、实施例2得到的仿生蘑菇水凝胶蒸发器进行蒸发性能测试，测试过程包括：
将水凝胶或水凝胶蒸发器漂浮在盛有40mL去离子水的烧杯中，烧杯放置于电子天平上，并置于装有AM1.5G滤光片的太阳光模拟器正下方，单层水凝胶表面或蒸发器的蒸发层水凝胶表面与光源之间的距离通过太阳能功率计测量校正，使其表面接收的光照强度为1个标准太阳光强度(1kW/m2)，测试在25±1℃的室温和约55％的湿度下进行，蒸发过程中，每隔10min记录一次电子天平数据获得光照情况下的质量损失情况；同时，进行暗蒸发实验，即将分析天平用锡纸包覆，至于完全避光环境下，以同样的方式记录暗蒸发情况下的质量损失，在蒸发过程稳定后，通过以下计算式获得稳态蒸发速率V：
其中：M为净总质量损失(光照情况下减暗蒸发下的质量损失，kg)；A为蒸发层水凝胶的面积(m2)；T为蒸发总时长(h)。
并根据稳态蒸发速率计算光热蒸发效率：
Uin＝ΔHgqu·mg＝ΔHvap·m0
其中：V为光致净蒸发率(kg/m2·h)；Hequ为水的蒸发相变焓(kJ/kg)；Ein为所接收的总太阳能辐射强度；Hvap和m0分别为暗蒸发条件下水(不含水凝胶)的蒸发焓和蒸发速率；mg为暗蒸发条件下水(放置水凝胶)的蒸发速率。
测试得到的蒸发速率(柱状图)与蒸发效率(折线图)对比如附图4所示，可以看出，仿生蘑菇水凝胶蒸发器的蒸发速率和蒸发效率均明显优于单层水凝胶。
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，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的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种水凝胶型界面光热蒸发器的制备方法，其特征在于，其包括：
将聚乙烯醇水溶液与藕粉加入水中，进行混合和热溶解，得到水凝胶前驱液；
将聚乙二醇溶液与丙三醇进行混合及微波加热，得到碳量子点的分散液；
向一部分水凝胶前驱液中加入所述碳量子点的分散液、引发剂和交联剂，在第一模具中进行第一凝胶化反应，得到第一圆柱体形状的蒸发层水凝胶材料；
向另一部分水凝胶前驱液中加入引发剂和交联剂，在第二模具中进行第二凝胶化反应，得到第二圆柱体形状的输水层水凝胶材料；
将所述第二圆柱体形状的输水层水凝胶材料注入所述第一圆柱体形状的蒸发层水凝胶材料上，组合得到所述水凝胶型界面光热蒸发器；
其中，所述引发剂选自盐酸，所述交联剂选自戊二醛；
所述第一模具为半径2.5~3.5cm的圆柱形，所述第二模具为半径1.5~2.5cm的圆柱形；所述第一模具与第二模具的高度比为1:2。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热溶解的温度为50~60℃。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一凝胶化反应的温度为50~60℃，时间为1.5~2.5h。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二凝胶化反应的温度为常温，时间为1.5~2.5h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其中，所述聚乙烯醇水溶液的质量浓度为10~15%。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述藕粉与所述聚乙烯醇水溶液的质量比为1:2。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚乙二醇溶液与所述丙三醇的体积比为3:1。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的制备方法制备得到的水凝胶型界面光热蒸发器。
9.权利要求8所述的水凝胶型界面光热蒸发器在太阳能海水淡化蒸发器上的应用。
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