本發(fā)明涉及海水淡化領(lǐng)域，尤其涉及一種太陽(yáng)能海水淡化光熱材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、水資源是地球上一種分布廣泛的自然資源，然而，對(duì)于這些水資源，其中97.5％是海水中的鹽水(平均鹽度為35‰)，如果不經(jīng)過(guò)處理無(wú)法直接用作生活飲用水，甚至不能用于農(nóng)業(yè)灌溉或者工業(yè)生產(chǎn)。太陽(yáng)能界面水蒸發(fā)技術(shù)可以同時(shí)地利用地球上兩種儲(chǔ)量極其豐富且易獲得的資源(海水和太陽(yáng)能)來(lái)生產(chǎn)清潔水，目前已成為解決水資源短缺和日益嚴(yán)重的水污染問(wèn)題的有效途徑之一。相較于傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)，太陽(yáng)能界面水蒸發(fā)技術(shù)對(duì)材料和設(shè)備的成本要求低、環(huán)境友好、無(wú)二次污染和其他副產(chǎn)物，而且無(wú)需消耗化石燃料，不使用化學(xué)藥品，已成為目前最具發(fā)展?jié)摿Φ暮Ｋ夹g(shù)之一，是一種很有前景的零碳排放項(xiàng)目。

2、水凝膠具有三維交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)。由于其良好的親水性和多孔結(jié)構(gòu)，水凝膠可以吸收水和傳輸水，因此是高性能太陽(yáng)能海水淡化的理想選擇。摻雜mxene的水凝膠能夠更有效地吸收太陽(yáng)能，提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率。目前已報(bào)道的大部分研究中，水凝膠太陽(yáng)能蒸發(fā)器可滿(mǎn)足良好的機(jī)械性能、水蒸發(fā)等性能。但水凝膠制備方法存在制備復(fù)雜、蒸發(fā)效率低、可擴(kuò)展性差等問(wèn)題，限制了其在實(shí)際海水淡化中的應(yīng)用。

3、聚乙烯醇pva和海藻酸鈉sa由于其低成本、生物相容性和親水性被廣泛地應(yīng)用于海水淡化，冷凍干燥和反復(fù)凍融是制備pva水凝膠的常用方法。然而，這兩種物理交聯(lián)的方法所形成的pva交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)太軟，難以支撐空間，類(lèi)似于搭帳篷中的油布作用，僅能最初維持住液氮冷凍形成的定向孔結(jié)構(gòu)，另外，pva和sa較差的光熱轉(zhuǎn)換能力使其不能直接用于蒸發(fā)，即使摻雜mxene后，其光熱轉(zhuǎn)換性能也會(huì)受到較大的影響。因此如何提高聚乙烯醇水凝膠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及光熱轉(zhuǎn)換性能，成為本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種太陽(yáng)能海水淡化光熱材料及其制備方法和應(yīng)用，本發(fā)明提供的制備方法具有制備簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展且綠色安全等特點(diǎn)，制備得到的太陽(yáng)能海水淡化光熱材料的性能穩(wěn)定、光熱轉(zhuǎn)換性能好、蒸發(fā)速率快和蒸發(fā)效率高。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供了一種太陽(yáng)能海水淡化光熱材料的制備方法，包括以下步驟：

4、(1)將聚乙烯醇、海藻酸鈉、溶劑和mxene分散液混合，然后進(jìn)行冷凍干燥，得到mxene/pva/sa水凝膠；

5、(2)使用鈣離子溶液對(duì)所述步驟(1)得到的mxene/pva/sa水凝膠進(jìn)行交聯(lián)處理，得到各向異性的mxene/pva/sa水凝膠；

6、(3)將所述步驟(2)得到的各向異性的mxene/pva/sa水凝膠進(jìn)行疏水處理，得到太陽(yáng)能海水淡化光熱材料。

7、優(yōu)選地，所述步驟(1)中聚乙烯醇和海藻酸鈉的質(zhì)量比為1：(1～3)。

8、優(yōu)選地，所述步驟(1)中mxene分散液的濃度為5～10mg/ml；所述聚乙烯醇的質(zhì)量和mxene分散液的體積之比為(1～3)g：(3～7)ml。

9、優(yōu)選地，所述步驟(2)中鈣離子溶液為氯化鈣溶液或硫酸鈣溶液。

10、優(yōu)選地，當(dāng)所述鈣離子溶液為氯化鈣溶液時(shí)，所述交聯(lián)處理的方式為：在所述mxene/pva/sa水凝膠的表面滴加氯化鈣溶液，得到黑色水凝膠，然后用蒸餾水進(jìn)行浸漬，得到各向異性的mxene/pva/sa水凝膠。

11、優(yōu)選地，所述氯化鈣溶液的濃度為10～20mg/ml；所述氯化鈣溶液中氯化鈣的質(zhì)量和步驟(1)中海藻酸鈉的質(zhì)量之比為(1～5)：(2～3)。

12、優(yōu)選地，當(dāng)所述鈣離子溶液為硫酸鈣溶液時(shí)，所述交聯(lián)處理的方式為：將所述mxene/pva/sa水凝膠在硫酸鈣溶液中浸泡進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，然后用蒸餾水進(jìn)行浸漬，得到各向異性的mxene/pva/sa水凝膠。

13、優(yōu)選地，所述步驟(3)中疏水處理為將各向異性的mxene/pva/sa水凝膠的光熱轉(zhuǎn)換層表面浸漬到疏水劑中進(jìn)行疏水處理；所述疏水劑為聚偏二氟乙烯溶液、聚烯烴溶液和聚二甲基硅氧烷溶液中的任意一種。

14、本發(fā)明提供了上述技術(shù)方案所述制備方法制備得到的太陽(yáng)能海水淡化光熱材料，所述太陽(yáng)能海水淡化光熱材料具有janus結(jié)構(gòu)。

15、本發(fā)明提供了上述技術(shù)方案所述太陽(yáng)能海水淡化光熱材料在太陽(yáng)能海水淡化中的應(yīng)用。

16、本發(fā)明提供了一種太陽(yáng)能海水淡化光熱材料的制備方法，包括以下步驟：

17、(1)將聚乙烯醇、海藻酸鈉、溶劑和mxene分散液混合，然后進(jìn)行冷凍干燥，得到mxene/pva/sa水凝膠；(2)使用鈣離子溶液對(duì)所述步驟(1)得到的mxene/pva/sa水凝膠進(jìn)行交聯(lián)處理，得到各向異性的mxene/pva/sa水凝膠；(3)將所述步驟(2)得到的各向異性的mxene/pva/sa水凝膠進(jìn)行疏水處理，得到太陽(yáng)能海水淡化光熱材料。本發(fā)明使用聚乙烯醇和海藻酸鈉復(fù)合交聯(lián)合成水凝膠，利用光熱轉(zhuǎn)換效率可達(dá)97.7％的mxene作為水凝膠光熱轉(zhuǎn)換層，提高水凝膠的光熱轉(zhuǎn)換能力和蒸發(fā)效率，再通過(guò)冷凍干燥形成各向異性的水凝膠；通過(guò)使用鈣離子溶液對(duì)水凝膠進(jìn)行交聯(lián)處理，由于海藻酸鈉具有特殊的大分子結(jié)構(gòu)，可與鈣離子形成螯合鍵，形成獨(dú)特的“蛋盒結(jié)構(gòu)”，可以進(jìn)一步強(qiáng)化孔洞骨架，形成的第二交聯(lián)結(jié)構(gòu)具有很好的剛性，可充當(dāng)“帳篷”中的骨架，二者相互配合，可穩(wěn)定地維持光熱材料中的孔隙空間；為了提高脫鹽效率，使用疏水劑在水凝膠表面(即光熱轉(zhuǎn)換層面)形成一層疏水層，親疏水的精密調(diào)控可避免長(zhǎng)時(shí)間蒸發(fā)過(guò)程中鹽分在光熱材料的過(guò)渡堆積，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)異穩(wěn)定的光熱轉(zhuǎn)換能力。

18、本發(fā)明提供的制備方法具有制備簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展且綠色安全等特點(diǎn)，制備得到的太陽(yáng)能海水淡化光熱材料的性能穩(wěn)定、光熱轉(zhuǎn)換性能好、蒸發(fā)速率快和蒸發(fā)效率高，適于工業(yè)大規(guī)模推廣。實(shí)施例的結(jié)果顯示，本發(fā)明提供的太陽(yáng)能海水淡化光熱材料的具有janus結(jié)構(gòu)，厚度為2～20mm，蒸發(fā)速率為1.2～3.5kg/(m2h)，蒸發(fā)時(shí)間為1～12h/天。

技術(shù)特征：

1.一種太陽(yáng)能海水淡化光熱材料的制備方法，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中聚乙烯醇和海藻酸鈉的質(zhì)量比為1：(1～3)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中mxene分散液的濃度為5～10mg/ml；所述聚乙烯醇的質(zhì)量和mxene分散液的體積之比為(1～3)g：(3～7)ml。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中鈣離子溶液為氯化鈣溶液或硫酸鈣溶液。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，當(dāng)所述鈣離子溶液為氯化鈣溶液時(shí)，所述交聯(lián)處理的方式為：在所述mxene/pva/sa水凝膠的表面滴加氯化鈣溶液，得到黑色水凝膠，然后用蒸餾水進(jìn)行浸漬，得到各向異性的mxene/pva/sa水凝膠。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述氯化鈣溶液的濃度為10～20mg/ml；所述氯化鈣溶液中氯化鈣的質(zhì)量和步驟(1)中海藻酸鈉的質(zhì)量之比為(1～5)：(2～3)。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，當(dāng)所述鈣離子溶液為硫酸鈣溶液時(shí)，所述交聯(lián)處理的方式為：將所述mxene/pva/sa水凝膠在硫酸鈣溶液中浸泡進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，然后用蒸餾水進(jìn)行浸漬，得到各向異性的mxene/pva/sa水凝膠。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中疏水處理為將各向異性的mxene/pva/sa水凝膠的光熱轉(zhuǎn)換層表面浸漬到疏水劑中進(jìn)行疏水處理；所述疏水劑為聚偏二氟乙烯溶液、聚烯烴溶液和聚二甲基硅氧烷溶液中的任意一種。

9.權(quán)利要求1～8任意一項(xiàng)所述制備方法制備得到的太陽(yáng)能海水淡化光熱材料，所述太陽(yáng)能海水淡化光熱材料具有janus結(jié)構(gòu)。

10.權(quán)利要求9所述太陽(yáng)能海水淡化光熱材料在太陽(yáng)能海水淡化中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種太陽(yáng)能海水淡化光熱材料及其制備方法和應(yīng)用，屬于海水淡化領(lǐng)域。本發(fā)明使用聚乙烯醇和海藻酸鈉交聯(lián)得到水凝膠，利用MXene作為水凝膠光熱轉(zhuǎn)換層，提高水凝膠的光熱轉(zhuǎn)換能力和蒸發(fā)效率；通過(guò)使用鈣離子對(duì)水凝膠進(jìn)行二次交聯(lián)處理，可以和海藻酸鈉形成螯合鍵，形成“蛋盒結(jié)構(gòu)”，可以進(jìn)一步強(qiáng)化孔洞骨架，形成的第二交聯(lián)結(jié)構(gòu)具有很好的剛性，可充當(dāng)“帳篷”中的骨架，二者相互配合，可穩(wěn)定地維持光熱材料中的孔隙空間；為了提高脫鹽效率，使用疏水劑在水凝膠表面形成疏水層，親疏水的精密調(diào)控可避免長(zhǎng)時(shí)間蒸發(fā)過(guò)程中鹽分在光熱材料的過(guò)渡堆積，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)異穩(wěn)定的光熱轉(zhuǎn)換能力。

技術(shù)研發(fā)人員：潘蕾,章子怡,張浩然,劉夢(mèng)欣,陳震午
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/28