CN106587271A - 一种以亲水耐压缩气凝胶作为正渗透汲取物汲取净水的方法 - Google Patents

一种以亲水耐压缩气凝胶作为正渗透汲取物汲取净水的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种以亲水耐压缩气凝胶作为正渗透汲取物汲取净水的方法，属于环境污染控制工程技术领域。亲水耐压缩气凝胶作为正渗透汲取物，并将其应用于正渗透工艺中，用以优化正渗透汲水及产水再生过程，进而提高该技术性能。本发明所制备的亲水耐压缩气凝胶因其结构特点能够完全避免反向盐渗透，同时保持较高的水通量。此外，其汲取物再生无需复杂耗能的物理、化学方法，仅依靠人力压缩即可完成再生和产水过程。同时，原料来源广泛、价格低廉、制备条件温和、毒性低、膜相容性好。特别适合用于军事和应急救灾等领域所用便携式净水装置中汲取液的革新。

Description

一种以亲水耐压缩气凝胶作为正渗透汲取物汲取净水的方法
技术领域
本发明属于环境工程技术领域，涉及到以亲水耐压缩气凝胶作为正渗透汲取物汲取净水的研究，特别涉及到应用于军事和应急救灾等领域的便携式汲水装置中汲取物的革新。
背景技术
正渗透是一种物理现象，即水透过选择性半透膜自发地从水化学位高的区域(低渗透压侧)向水化学位低的区域(高渗透压侧)传递的过程，该现象可用于从污水或海水中提取饮用水。与已经得到广泛应用的微滤、超滤、纳滤和反渗透等膜过滤技术相比，正渗透技术具有脱盐能力高，不需要外加驱动力，对膜材料机械强度要求较低，汲水能耗低，膜污染趋势小和系统对进水水质要求低等优点。鉴于正渗透所具有的显著优势，该技术已经得到多角度、深层次的理论研究和实践探索，在海水脱盐、发电、污水处理、药物缓释、食品浓缩等方面都有较为成功的尝试。
HTI公司开发的水提取包(hydration bag)是正渗透技术商业化应用之一，主要用于军事及救灾应急等饮用水缺乏情况下，从脏水中直接获得饮用水。结构具体为：由正渗透膜做成一个密封的包，里面放有可食用的汲取物(糖类或饮料粉未)。当把这种膜包浸入脏水中时，水在渗透压作用下扩散进入膜包，稀释的汲取溶液就是可饮用的水溶液。这一过程不需要外加能源，得到的水没有生物和外在有机物的污染，可直接饮用，适用于野外救生和军事领域。
虽然正渗透技术已经备受关注，但汲取液反向渗透及再生过程复杂耗能等关键问题仍制约其广泛应用和发展。目前，无机盐类、天然大分子类、合成大分子化合物类、水凝胶类、聚合电解质和磁性纳米颗粒等已经被广泛研究的汲取液均无法解决汲取液反向渗透和再生过程复杂耗能的问题。温敏、电敏等刺激响应型水凝胶作为汲取液，尽管可以完全避免反向渗透，但其再生过程仍存在耗时长、耗能高等问题。hydration bag以葡萄糖、果糖、浓缩果汁等可食用溶质作为汲取物质，但产水含糖，受众面有限，且该汲取物为一次性利用，需要频繁更换。
气凝胶是一类高孔隙率、低密度、大比表面积的功能材料，根据其组成成分不同而具有不同的理化性质。Gao等将二维的石墨烯和一维的碳纳米管结合，经物理共混、冷冻干燥和化学还原等步骤制得疏水气凝胶，反复压缩1000次后仍基本保持原有尺寸，在-196℃和300℃下均能保持良好的弹性，被称为“超级海绵”。
本发明制备亲水性好、耐压缩气凝胶作为正渗透汲取物，可以完全避免汲取液反向渗透，且汲取物释水再生无需借助任何复杂的物理或化学手段，仅依靠人力进行简单压缩即可完成从污水中多次提取净水过程，操作简便，产水无受众范围限制，特别适合用于军事和应急救灾等领域所用hydration bag的汲取液革新。
发明内容
本发明提供一种亲水性好、可反复压缩气凝胶制备方法，并应用于正渗透作为汲取物完成净水提取。气凝胶固体结构，能够完全避免汲取物反向渗透；高亲水性，能够保持较高的正渗透水通量；低外力作用下可反复压缩，保障作为正渗透汲取物可以方便、快捷、低耗完成污水提纯和自身再生。
本发明的技术方案：
一种以亲水耐压缩气凝胶作为正渗透汲取物汲取净水的方法，步骤如下：
步骤1：配制海藻酸钠与GO的混合溶液，超声搅拌至均匀，其中，海藻酸钠与GO的质量比为100:1～8:1，GO的浓度为0.2～2.5mg/mL。
步骤2：向步骤1的混合溶液加入CaCl2水溶液，控制CaCl2与海藻酸钠(C6H7O6Na)n中重复糖单元的摩尔比为3～1:1，室温静置24～48h，将形成的水凝胶取出，置于去离子水中，室温静置，每隔3h更换一次去离子水，反复直至置换后的去离子水电导率没有明显增加为止(证明未反应的原料和无机盐已经基本除去)。
步骤3：将步骤2得到的水凝胶置于-25℃～-15℃中预冷冻2～4h，取出冷冻后水凝胶进行冷冻干燥，冻干时间为24～48h，冻干温度为-60～-90℃，得到亲水性可反复压缩气凝胶。
将亲水性可反复压缩气凝胶作为便携式正渗透装置-hydration bag的汲取物，替代现用糖类汲取物。将该hydration bag置于被污染的水中，利用气凝胶亲水性和汲水能力，通过正渗透膜从被污染水中汲取水分子。之后，打开hydration bag出水口，通过人力压缩hydration bag使汲水饱和的气凝胶释放水分子，即可获得可以直接饮用的净水。
本发明方法中首次以气凝胶作为正渗透汲取物，既能够完全避免反向渗透，又能够保持较高水通量，同时还极大简化了汲取物再生和产水工艺条件。以氧化石墨烯(GO)和海藻酸钠作为原料，经过凝胶、置换、冻干等过程，制备出具有强吸水性和重复压缩能力的气凝胶。GO作为化学法制备石墨烯过程中的重要中间体，结构中含有大量亲水基团(羧基、羟基)，比石墨烯具有更好的亲水性和易修饰性，同时也可提供大量反应位点与胺基、羟基和羧基发生交联反应。而海藻酸作为天然大分子化合物，原料来源广泛，成本较低，自身具有较强的亲水性，且易于形成凝胶。在制备凝胶时，海藻酸与GO相互交联，进一步提高所形成气凝胶结构稳定性和亲水性。
具体实施方式
以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例1
海藻酸钠-氧化石墨烯气凝胶制备：取200ml 2wt％海藻酸钠水溶液加入500mL烧杯中，搅拌，加入50mg GO，超声2h。待溶液混合均匀，加入29mL0.24mol/L CaCl2水溶液，均匀混合后，倒入模具中，室温静置24h。之后，将水凝胶取出，置于去离子水中，室温静置，每隔3h更换一次去离子水，反复直至置换后的去离子水电导率没有明显增加为止。将置换完毕的水凝胶放入-25℃的冰箱中进行预冷冻处理，时间为2h(依据水凝胶体积而定，以整体凝固为准)，之后进行冷冻干燥，冻干时间为48h，冻干温度为-90℃。待冻干结束，得到亲水性可反复压缩气凝胶。
海水脱盐应用：将6g干气凝胶作为正渗透汲取物，置于hydration bag中，将hydration bag浸入海水原料液中。静置待汲水饱和，取出，打开hydration bag出水口塞子，轻轻挤压hydration bag，从出水口流出净水。
盖好出水口塞子，重复浸泡，再打开出水口塞子，轻轻挤压，重复以上步骤，可多次获取净水。
实施例2
海藻酸钠-氧化石墨烯气凝胶制备：取400ml 2wt％海藻酸钠水溶液加入1000mL烧杯中，搅拌，加入100mg GO，超声4h。待溶液混合均匀，加入58mL 0.24mol/L CaCl2水溶液，均匀混合后，倒入模具中，室温静置48h。之后，将水凝胶取出，置于去离子水中，室温静置，每隔3h更换一次去离子水，反复直至置换后的去离子水电导率没有明显增加为止。将置换完毕的水凝胶放入-25℃的冰箱中进行预冷冻处理，时间为4h(依据水凝胶体积而定，以整体凝固为准)，之后进行冷冻干燥，冻干时间为48h，冻干温度为-90℃。待冻干结束，得到亲水性可反复压缩气凝胶。
雨水再生应用：将12g干气凝胶作为正渗透汲取物，置于hydration bag中，取实际收集雨水作为原料液，将hydration bag浸入原料液中。静置待汲水饱和，取出，打开hydration bag出水口塞子，轻轻挤压hydration bag，从出水口流出净水。
盖好出水口塞子，重复浸泡，再打开出水口塞子，轻轻挤压，重复以上步骤，可多次获取净水。
实施例3
海藻酸钠-氧化石墨烯气凝胶制备：取2000ml 2wt％海藻酸钠水溶液加入5000mL烧杯中，搅拌，加入500mg GO，超声4h。待溶液混合均匀，加入290mL0.24mol/L CaCl2水溶液，均匀混合后，倒入模具中，室温静置48h。之后，将水凝胶取出，置于去离子水中，室温静置，每隔3h更换一次去离子水，反复直至置换后的去离子水电导率没有明显增加为止。将置换完毕的水凝胶放入-25℃的冰箱中进行预冷冻处理，时间为4h(依据水凝胶体积而定，以整体凝固为准)，之后进行冷冻干燥，冻干时间为48h，冻干温度为-90℃。待冻干结束，得到亲水性可反复压缩气凝胶。
污水提纯应用：在双室正渗透装置中，一侧为原料液室，引入生活污水，另一侧为汲取液室，安置气凝胶作为汲取物，且紧贴气凝胶安置活塞板。将污水引入原料液室，待气凝胶汲取饱和，通过汲取液室活塞板对气凝胶进行反复压缩，通过汲取液室出口获取净水。气凝胶反复吸收、压缩释放1000次后，仍可在正渗透装置中进行有效的汲水-释水，产水率较高且保持稳定，没有较大衰减。

Claims (2)

1.一种以亲水耐压缩气凝胶作为正渗透汲取物汲取净水的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：配制海藻酸钠与GO的混合溶液，超声搅拌至均匀，其中，海藻酸钠与GO的质量比为100:1～8:1，GO的浓度为0.2～2.5mg/mL；
步骤2：向步骤1的混合溶液加入CaCl2水溶液，控制CaCl2与海藻酸钠中糖单元的摩尔比为3～1:1；室温静置24～48h，将形成的水凝胶取出置于去离子水中，室温静置，每隔3h更换一次去离子水，反复直至置换后的去离子水电导率不再增加为止；
步骤3：将步骤2得到的水凝胶置于-25℃～-15℃中预冷冻2～4h，取出冷冻后水凝胶进行冷冻干燥，冻干时间为24～48h，冻干温度为-60～-90℃，得到亲水耐压缩气凝胶；
步骤4：将步骤3得到亲水耐压缩气凝胶作为正渗透技术中的汲取物，用于污水或苦咸水提取净水过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将亲水耐压缩气凝胶作为作为便携式正渗透装置-hydration bag的汲取物，替代糖类汲取物。
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