一种自漂浮木基水凝胶光热蒸发器及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于光热转换技术领域，具体涉及一种自漂浮木基水凝胶光热蒸发器及其制备方法和应用。


背景技术：

2.自第一次工业革命以来，人类社会迅速发展，但随之而来的水资源危机与环境污染问题却与日俱增。水资源虽然占据了地球71％的表面积，但可供人类使用的淡水资源却仅占整体水量的4％，淡水短缺正成为一个严重的全球性问题。由于太阳能资源丰富，通过太阳能光热蒸发技术对海水与污水资源进行有效的利用，无疑缓解了淡水资源不足的严峻问题。为了加快太阳能光热蒸发技术的开发和实际应用，通过设计功能材料，提高光热转换效率，优化热管理，努力提高实际蒸发率。
3.迄今为止，用于太阳能界面蒸发的光热材料被分为几类，包括等离子金属、半导体、碳基、生物质基和聚合物基材料。特别是生物质基材料为水和能源的应用提供了可持续的替代方案，其中木材和木材衍生的材料引起了科研工作者广泛的研究兴趣。木材作为一种优良的天然多孔基材，具有多个长度尺度的孔隙和孔道。这种独特的分层多孔结构及其轻质结构为太阳能蒸汽生成提供了一个制造可持续且经济高效的蒸发器理想平台。
4.众所周知，水凝胶是一种与水分子发生物理化学作用的交联聚合物网络结构材料，可以实现有效的吸水及隔热。并且，它具有高度可调的物理化学性质，可以通过改变组成调节吸光性能。因此，合理设计水凝胶的组成及结构，将实现高效光吸收、快速水传输及隔热的协同作用，为水凝胶作为太阳能蒸发器提供可能性。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明要解决的一个技术问题在于提供一种自漂浮木基水凝胶光热材料。本发明要解决的另一个技术问题在于提供一种自漂浮木基水凝胶光热材料的制备方法。本发明要解决的技术问题还有一个在于提供一种自漂浮木基水凝胶光热材料在高效光热水蒸发吸附染料污染物中的应用。该材料具有突出的光吸收性、光热蒸汽转化、耐盐性以及吸附性能。
6.为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
7.一种自漂浮木基水凝胶光热蒸发器的制备方法，将壳聚糖和聚乙烯醇混合制备互穿网络聚合物，然后将木制材料与所述聚合物互相组合，制得光热木基水凝胶材料；所述木制材料为通过喷枪灼烧进行表面处理的巴沙木。包括以下步骤：
8.(1)将巴沙木切片，采用喷枪火焰在1300℃条件下均匀炙烤一面后，立即浸入去离子水。
9.(2)分别配置醋酸溶液、壳聚糖水溶液、聚乙烯醇水溶液、戊二醛溶液；
10.(3)将步骤(2)所述的聚乙烯醇溶液与壳聚糖溶液混合，放入磁子低速搅拌均匀，形成前驱体溶液；
11.(4)将处理后的巴沙木加入前驱体溶液中，低速搅拌，真空抽滤，使得前驱体溶液进入巴沙木孔道；随后，将戊二醛溶液缓慢滴入前驱体溶液中，低速搅拌；待样品完全凝胶化，再经循环冷冻解冻的过程，得到水凝胶；最后沿木片轮廓切出水凝胶木头复合结构。
12.所述自漂浮木基水凝胶光热蒸发器的制备方法，将壳聚糖加入到质量分数为1wt％醋酸溶液中，高速搅拌至完全溶解，得到壳聚糖溶液；所述壳聚糖溶液的质量浓度为5wt％。
13.所述自漂浮木基水凝胶光热蒸发器的制备方法，将聚乙烯醇加入到热的去离子水中，100℃水浴加热，高速搅拌至完全溶解，得到聚乙烯醇溶液；所述聚乙烯醇溶液的质量浓度10wt％，聚乙烯醇的醇解度为87.0％。
14.所述自漂浮木基水凝胶光热蒸发器的制备方法，所述戊二醛溶液的质量浓度为4％。
15.所述自漂浮木基水凝胶光热蒸发器的制备方法，所述聚乙烯醇溶液、壳聚糖溶液和戊二醛溶液的质量比为4:1.4:0.2。
16.所述自漂浮木基水凝胶光热蒸发器的制备方法，在步骤(4)中所述的冷冻条件为在-30℃下冷冻，解冻条件为在30℃下解冻，重复冷冻与解冻操作10次。
17.所述自漂浮木基水凝胶光热蒸发器的制备方法，壳聚糖溶液与聚乙烯醇溶液配制好后先静置6小时。
18.上述方法制备得到的自漂浮木基水凝胶光热蒸发器。
19.上述自漂浮木基水凝胶光热蒸发器料在海水和染料废水光热蒸发净化中的应用。
20.有益效果：与现有的技术相比，本发明的优点包括：
21.(1)在标准太阳光照射下，该自漂浮木基水凝胶光热材料的光热转换效率高达83.1％，水蒸发速率达到2.30kg m-2
h-1
。
22.(2)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。
23.(3)本发明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，在海水淡化、污水处理等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
24.图1为本发明自漂浮木基水凝胶材料合成示意图；
25.图2为本发明不同光热材料(wood，b-wood，hy，hy-b-wood)表面亲水性的测量；
26.图3为本发明(3a)不同光热材料(wood，b-wood，hy，hy-b-wood)在250-2500nm太阳光波长范围内的吸收光谱；(3b)在一个太阳光光照强度下不同光热材料的水蒸发重量损失；(3c)不同光热材料的蒸发焓变值；(3d)在一个太阳光光照强度下，不同光热材料的水蒸发速率和蒸发效率；
27.图4为本发明(4a)不同光热材料(b-wood，hy-b-wood)光热蒸发不同浓度的海水，材料表面积盐情况；(4b)hy-b-wood木基水凝胶光热蒸发染料废水(甲基橙ma与亚甲基蓝mb)前后溶液紫外线可见吸收光谱图；(4c)不同光热材料(wood，b-wood，hy，hy-b-wood)对染料废水(甲基橙ma与亚甲基蓝mb)吸附能力。
具体实施方式
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
29.实施例1
30.一种自漂浮木基水凝胶光热材料的制备方法，包括以下步骤：
31.(1)将巴沙木垂直于其输水通道横向切割，切成2*2cm的木块(记为wood)；用1300℃的喷枪火焰均匀炙烤其上表面，立即浸入去离子水，得到光热蒸发器(记为b-wood)；
32.(2)将壳聚糖按加入到质量分数为1wt％醋酸溶液中，高速搅拌至完全溶解，得到质量浓度为5wt％的壳聚糖溶液；将醇解度为87.0％的聚乙烯醇加入到热的去离子水中，100℃水浴加热，高速搅拌至完全溶解，得到质量浓度为10wt％的聚乙烯醇溶液；
33.(3)将聚乙烯醇溶液与壳聚糖溶液混合，放入磁子低速搅拌均匀，形成前驱体溶液；将处理后的巴沙木加入前驱体溶液中，低速搅拌，真空抽滤，使得前驱体溶液进入巴沙木孔道；随后，将戊二醛溶液(戊二醛溶液的质量浓度为4％)缓慢滴入前驱体溶液中(聚乙烯醇溶液、壳聚糖溶液和戊二醛溶液按质量比4:1.4:0.2)，低速搅拌；待样品完全凝胶化，再经循环冷冻解冻的过程，得到水凝胶；冷冻条件为在-30℃下冷冻，解冻条件为在30℃下解冻，重复冷冻与解冻操作10次；最后沿木片轮廓切出水凝胶木头复合结构,记为hy-b-wood。
34.水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：
35.(1)将壳聚糖按加入到质量分数为1wt％醋酸溶液中，高速搅拌至完全溶解，得到质量浓度为5wt％的壳聚糖溶液；
36.(2)将醇解度为87.0％的聚乙烯醇加入到热的去离子水中，100℃水浴加热，高速搅拌至完全溶解，得到质量浓度为10wt％的聚乙烯醇溶液；
37.(3)将聚乙烯醇溶液与壳聚糖溶液混合，放入磁子低速搅拌均匀，形成前驱体溶液；将戊二醛溶液(戊二醛溶液的质量浓度为4％)缓慢滴入前驱体溶液中(聚乙烯醇溶液、壳聚糖溶液和戊二醛溶液的质量比为4:1.4:0.2)低速搅拌；待样品完全凝胶化，再经循环冷冻解冻的过程，冷冻条件为在-30℃下冷冻，解冻条件为在30℃下解冻，重复冷冻与解冻操作10次；得到水凝胶，记为hy。
38.对材料wood、b-wood、hy和hy-b-wood进行性能测试，结果如图2-4所示，具体分析如下：
39.通过饱和含水量的测试，wood、hy、hy-b-wood具有优异的吸水性，对比上述三个蒸发器，b-wood的吸水性较差(图2)。
40.通过紫外可见近红外吸收光谱分析可以发现，wood、b-wood、hy和hy-b-wood表面对波长250-2500nm的光吸收率分别为45.39％、91.01％、78.27％和93.60％(图3a)。通过am1.5光学滤波器的太阳能模拟器模拟一个标准太阳光，在其照射下，由wood、b-wood、hy和hy-b-wood组成的光热蒸发器的蒸发速率分别达到1.08kg m-2
h-1
、1.80kg m-2
h-1
、1.43kg m-2
h-1
和2.3kg m-2
h-1
(图3b)，光热转换效率分别为43.4％、72.1％、54.7％和83.1％(图3d)，蒸发焓变值分别为1445j g-1
、1442j g-1
、1385j g-1
和1302j g-1
(图3c)，远低于纯水的蒸发焓。
41.在带有am1.5光学滤波器的太阳能模拟器的光源照射下，对不同浓度的海水进行
光热蒸发。在3.5wt％浓度海水中进行光热蒸发测试两小时后，b-wood、hy-b-wood上表面无明显的积盐现象。在10wt％浓度海水中进行光热蒸发测试两小时后，b-wood上表面有细微的积盐现象，hy-b-wood上表面仍无明显的积盐现象(图4a)。
42.在带有am1.5光学滤波器的太阳能模拟器的光源照射下，hy-b-wood作为光热材料,对染料废水进行光热蒸发并收集冷凝水。通过紫外-可见光谱对净化前后水中组成进行测试，经过光热蒸发处理后收集到的净化水中染料(甲基橙和亚甲基蓝)的特征吸收峰完全消失(图4b)。
43.通过测试材料吸附染料前后溶液吸光度，发现hy-b-wood对于染料呈现优异的吸附性(图4c)。wood、b-wood和hy对于染料(亚甲基蓝与甲基橙)呈现良好的吸附性(图4c)。