自变黑藜麦纤维素/氧化石墨烯气凝胶制备方法及应用与流程

1.本发明属于材料化学、光热转换材料技术领域，具体涉及自变黑藜麦纤维素/氧化石墨烯气凝胶制备方法及应用。


背景技术：

2.人类活动过程中，产生了大量的生活和工业污水，这些污水给生态环境带来巨大的不良影响，直接影响着人类社会的发展。另外，全球水资源的匮乏的问题日益严重，尤其是在一些不发达地区，如何将生活工业污水转换成可以饮用和工业所需水源是当今世界科学研究的主要方向之一。
3.传统海水淡化、污水净化的手段有：反渗透、离子交换、蒸馏法、多级闪蒸以及吸附等，这些技术最大特点是其设备建设费用昂贵、维护成本高，且对化石能源需要巨大，直接制约其推广和广泛利用。太阳能是地球上广泛存在的、取之不尽用之不竭的可再生资源。利用太阳能水汽蒸发技术将海水、废水等不可用水资源转变为可饮用的淡水是近年来发展起来的一项低成本、易于操作、环境友好且有可能大规模应用的淡水资源再生方案，已吸引了各国科学家的广泛关注。
4.太阳能水汽蒸发的效率与光热转换材料对太阳光的吸收和“光
‑
热”转换性能密切关联。理想光热转换材料具备如下特征：
①
紫外到红外(200
‑
2500nm)范围的宽光谱吸收能力；
②
高的光热转换效率；
③
较低的内耗热损失；
④
提供充足的水供给孔道和水蒸气逃逸通道；
⑤
材料具有良好的耐久性能。根据光热转换的机理，可以将光热转换材料可以分：
①
金属材料，如金(au)、银(ag)、钯(pa)、铂(pt)、铬(cr)、镍(ni)、铜(cu)、铝(al)纳米粒子等；
②
半导体材料，如；二氧化钛(tio2)、硫化铜(cus)、cu2‑
xse、氧化铁(fe3o4)、氮化钛(tin)、mxene(ti3c2)等；
③
有机高分子，如聚吡咯、聚多巴胺以及一些二维共轭高分子等；
④
碳材料，如碳纳米管、石墨烯、碳纳米粒子、碳气凝胶、生物碳等。
5.在众多的光热转换材料中，碳材料因来源广泛且具有优异的宽波段光吸收性能和理化稳定性而备受关注，其中，生物质基碳材料的来源非常丰富、制备过程简单且具有独特的孔道结构，为水流输送和水汽逃逸提供良好的通道，已成为当今光热转换材料的研究重点。大自然每年生产约百亿甚至千亿吨的生物质资源。生物质作为地球上存储量最为丰富的可再生、绿色、环境友好、生物可降解型天然聚合物资源，然而这些生物质大多以焚烧、自然腐败和直接丢弃的方式处理，造成巨大的资源浪费和环境污染。除此之外，目前已报道的光热转换材料在处理海水过程中，在使用过程中表面会积累大量的结晶盐，使其性能下降。因此，如何协同、高效的将纤维素和太阳能这两种天然的可再生资源相结合，设计出高效的太阳能水汽蒸发系统，同时在处理海水是能够对结晶盐进行“自清洁”的功能蒸发器，成为当今世界的研究热点和技术挑战。


技术实现要素：

6.针对现有光热转换材料在处理海水过程中，在使用过程中表面会积累大量的结晶
盐，使其性能下降的问题，本发明提供了自变黑藜麦纤维素/氧化石墨烯气凝胶制备方法及应用。
7.为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
8.一种自变黑藜麦纤维素/氧化石墨烯气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
9.步骤1，提取藜麦纤维素；
10.步骤2，提取步骤1的藜麦纤维素，配制成藜麦纤维素水分散液；
11.步骤3，在藜麦纤维素水分散液中加入氧化石墨烯分散液，混合配置成多份复合液，再将多份复合液超声混匀，抽滤成黏糊饼状物，冷冻干燥得到藜麦纤维素/氧化石墨烯气凝胶。通过冷冻干燥形成的气凝胶内部会有大量的空穴通道，为水分的输送提供良好的通道，同时可以为盐分的输送提供通道，实现自清洁效果。
12.进一步，所述步骤1提取藜麦纤维素还包括以下步骤：
13.步骤1.1将藜麦皮粉碎过筛，收集粉末后干燥，得到藜麦皮粉；
14.步骤1.2将藜麦皮粉用苯/乙醇溶液提取，得到第一次提取物；
15.步骤1.3将第一次提取物用naclo2溶液加热搅拌处理，用醋酸调节ph，抽滤，用蒸馏水洗涤至中性，得到第二次提取物；
16.步骤1.4将第二次提取物用naoh溶液加热搅拌处理，抽滤，用蒸馏水洗涤滤液不显碱性，得到抽滤滤饼；
17.步骤1.5将抽滤滤饼用hcl溶液加热处理，抽滤，用蒸馏水洗涤至中性，干燥后粉碎。
18.进一步，所述步骤1.1中粉碎过筛目数为80目；所述步骤1.1中干燥温度为60℃，干燥时间为12h。
19.进一步，所述步骤1.2中提取的装置为索氏提取器；
20.所述步骤1.2中藜麦皮粉与液苯/乙醇溶液的关系为每60g藜麦皮粉选用150～250ml体积比2:1的苯/乙醇溶液；所述步骤1.2中提取的提取温度为85～95℃，提取时间为12h。
21.进一步，所述步骤1.3中naclo2溶液的质量分数为1～5％，所述用醋酸调节ph具体为用浓度为5％的醋酸调节ph＝4～5，所述加热搅拌处理的温度75℃，搅拌处理时间为1.5h；所述步骤1.3中搅拌操作采用集热式磁力搅拌器。
22.进一步，所述步骤1.4中naoh溶液质量分数为1～10％，所述加热搅拌处理的加热温度为85～95℃，搅拌处理时间为1.5h。
23.进一步，所述步骤1.5中hcl溶液质量分数为1～5％，所述加热处理的温度为70～90℃，时间为2h，所述干燥的温度为60℃，干燥时间为24h。
24.进一步，所述步骤2藜麦纤维素水分散液的质量分数为0.5～5％；
25.所述步骤2配制成藜麦纤维素水分散液的具体方法为：用悬壁式高速分散机处理1h，随后再超声1h，如此重复5
‑
10次，直到形成均一悬浮液。
26.进一步，所述步骤3中复合液中氧化石墨烯含量分别为2.5wt％、5wt％、10wt％；所述步骤3中氧化石墨烯分散液浓度为2mg ml
‑1；所述步骤3中超声混匀的超声时间为1h。
27.一种自变黑藜麦纤维素/氧化石墨烯气凝胶的应用，在光和水综合刺激下，会从浅棕色变为深黑色，增强对光的吸收；在海水淡化过程中对表面积累的结晶盐在无光照或者
弱光照情况下进行自清洁功能；所述弱光照情况为光照小于300w m
‑2；所述自清洁功能具体为在无光照或者弱光照情况下，表面积累的结晶盐会在化学势的作用下溶解在海水本体中；所述变黑所需时间为30～240min。
28.与现有技术相比本发明具有以下优点：
29.本发明气凝胶所用的纤维素由藜麦麸皮通过化学方法提取；提取的纤维素与氧化石墨烯制备的气凝胶在“水
‑
光”协同刺激下，颜色从浅棕色变成深黑色；变黑后的气凝胶具有优异的光热转换性能，可应用在界面水汽蒸发；同时，由该气凝胶组成的蒸发器具有非常优异的“自脱盐”的自我清洁性能，用于海水淡化过程中具有良好的“自脱盐”性能和长期的稳定使用性。
30.本发明提供了一种藜麦加工副产物利用的新途径，蒸发器不需要高温处理，同时可以有效缓解污染，同时可以制备一种高效率海水处理的蒸发器。
31.本发明所制备的蒸发器具有良好的结晶盐自清洁功能，长时间使用其蒸发性能稳定。
附图说明
32.附图1实验室蒸发器实物图片；
33.附图2藜麦纤维素/氧化石墨烯气凝胶sem扫描图；
34.附图3仅水刺激下，sba
10
颜色变化；
35.附图4在“水
‑
光”联合刺激下sba
10
颜色变化；
36.附图5样品sba
10
在“水
‑
光”联合刺激前后紫外
‑
可见
‑
近红外吸收光谱；
37.附图6蒸发器sba
10
在1个模拟日光下质量随时间变化；
38.附图7蒸发器sba
10
在1个模拟日光下蒸发速度随时间变化；
39.附图8真实日光下实验装置实物图；
40.附图9真实日光下每天蒸发水量及其日光平均强度；
41.附图10蒸发器sba
10
表面结晶盐随时间变化；
42.附图11蒸发器sba
10
处理模拟海水后，水中离子变化。
具体实施方式
43.实施例1
44.藜麦纤维提取：
45.(1)100g藜麦皮经粉碎机粉碎，过80目筛网，收集粉末，在60℃烘箱中干燥12h去除水分。
46.(2)准确称量上述干燥好的藜麦皮粉60g，用滤纸包紧，置于索氏提取器中，体积比2:1的苯/乙醇溶液在85～95℃下提取12h。
47.(3)将提取物置入质量分数为1％的naclo2溶液中，溶液用醋酸(5％)调节ph＝4～5(ph试纸)，75℃置于集热式磁力搅拌器加热并均匀搅拌1.5h，抽滤，用蒸馏水洗涤5次，用ph试纸测定其为中性。
48.(4)将提取物置于质量分数为5％的naoh溶液中85～95℃加热搅拌处理1.5h，随后进行抽滤，用蒸馏水洗涤，用ph试纸测试直至滤液不显碱性。
49.(5)将抽滤滤饼用质量分数为1％的hcl，70～90℃处理2h，抽滤，用蒸馏水洗涤15次直至中性，放入60℃烘箱中干燥24h，干燥后粉碎。将提取的藜麦纤维素配制质量分数为1％的水溶液。具体方法为：用悬壁式高速分散机处理1h，随后再超声1h，如此重复5
‑
10次，直到形成均一悬浮液。
50.实施例2
51.50ml的烧杯中，称取实施例1所制备的纤维素水溶液22.5g，氧化石墨烯分散液2.89g(2mg ml
‑1)，超声1h使其混合均匀；随后通过抽滤的方法将其抽滤成黏糊状的饼状物，置于
‑
18℃冰箱，24h后取出，用冷冻干燥机冷冻干燥48h除去水分得到藜麦纤维素/氧化石墨烯气凝胶，命名为sba
2.5
。
52.将冻干好的样品放置在如附图1所示扫描电镜图如附图2所示，内部结构为纤维素纳米片和氧化石墨烯纳米片构成；如附图6～7所示，在模拟日光氙灯光源下进行实验，光照强度为1000w m
‑2，其蒸发速度达到2.3kg m
‑2h
‑1。
53.实施例3
54.50ml的烧杯中，称取实施例1所制备的纤维素水溶液22.5g，氧化石墨烯分散液5g(2mg ml
‑1)，超声1h使其混合均匀；随后通过抽滤的方法将其抽滤成黏糊状的饼状物，置于
‑
18℃冰箱，24h后取出，用冷冻干燥机冷冻干燥48h除去水分得到藜麦纤维素/氧化石墨烯气凝胶，命名为sba5。
55.将冻干好的样品放置在如附图1所示扫描电镜图如附图2所示，内部结构为纤维素纳米片和氧化石墨烯纳米片构成；如附图6～7所示，在模拟日光氙灯光源下进行实验，光照强度为1000w m
‑2，其蒸发速度达到2.6kg m
‑2h
‑1。
56.实施例4
57.50ml的烧杯中，称取实施例1所制备的纤维素水溶液22.5g，氧化石墨烯分散液10g(2mg ml
‑1)，超声1h使其混合均匀；随后通过抽滤的方法将其抽滤成黏糊状的饼状物，置于
‑
18℃冰箱，24h后取出，用冷冻干燥机冷冻干燥48h除去水分得到藜麦纤维素/氧化石墨烯气凝胶，命名为sba
10
。
58.将冻干好的样品放置在如附图1所示扫描电镜图如附图2所示，内部结构为纤维素纳米片和氧化石墨烯纳米片构成；如附图6～7所示，在模拟日光氙灯光源下进行实验，光照强度为1000w m
‑2，其蒸发速度达到3.6kg m
‑2h
‑1，用相机记录拍下光照下样品颜色随光照时间变化，如附图3～4所示，在光和水联合刺激下，样品在240min后变为深黑色，而仅有水存在的情况下仅仅是变为深棕色。另外，如附图5所示，6h“水
‑
光”刺激后，藜麦纤维素/氧化石墨烯在紫外
‑
可见
‑
远红外区域对光的吸收性能从34.5％提高到77.0％。
59.实施例5
60.户外实验装置如附图8所示，将装有sba
10
的蒸发器，放进一个透明的圆桶里面，蒸发器中装水约200g，放置到屋顶，有利于全天太阳照射，放置时间为早上8:00到下午18：00，共计十个小时。记录起始蒸发器质量(8:00)和实验结束后的质量(18:00)；同时用辐照计记录太阳光强度(每隔1h记录一次)，用来评估真实太阳的辐射强度；另外记录蒸发过程中sba
10
表面结晶盐的情况，本实验持续15天。如附图9所示，对去离子水和模拟海水的15天内平均蒸发速率分别达到12.6kg m
‑2day
‑1和12kg m
‑2day
‑1，可以满足5～6人日常饮水需求；另外，如附图10所示，蒸发器经过一天的工作，表面会有少量的结晶盐积累，这些积累的结晶
盐第二天早上消失，说明所制备的藜麦纤维素气凝胶具有良好的“自清洁”功能，如此优异的自清洁功能保证了蒸发器具有良好的耐久性和长时间高性能蒸发性能。如附图11所示，sba
10
蒸发器处理模拟海水后，所得的水中含有na

、k

、ca
2
、mg
2
的浓度从的11619,376.6,1203.2,1052.8mg
·
l
‑1变为4.14,1.789,0.9489,0.0981mg
·
l
‑1，符合安全饮用水标准。
61.本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。