CN110003509B - 一种具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜的制备方法，它涉及一种石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜的制备方法。本发明要解决现有光热转化材料在海水淡化过程中蒸发速度和光热转化效率低的问题。制备方法：一、凝胶纤维的制备；二、氧化石墨烯片层的制备；三、杂化凝胶膜的制备。本发明用于具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜的制备。

Description

一种具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜的制 备方法
技术领域
本发明涉及一种石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜的制备方法。
背景技术
随着世界经济和技术的快速发展，导致了全球气候变化和水资源的严重匮乏。根据世界卫生组织的报告《饮用水、环境卫生和卫生方面的进展(2017)》，在2015年，有8亿4400万人仍然缺乏基本饮水服务，有1亿5900万人直接以地表水为水源并从中取水。在过去几十年中，利用反渗透技术进行海水淡化已成为从海水中获得纯净水的常用技术。但是，过滤和反冲洗过程会消耗大量的能源，从而增加水处理的成本。近年来，直接利用太阳能进行海水淡化技术逐渐受到科研工作者和技术公司的关注，通过利用各种光吸收剂收集和转换太阳能来产生可直接饮用的水，这项技术有望成为反渗透法淡化海水的替代科技。目前，常用的吸光材料主要有天然生物质材料和纳米碳材料，虽然前者具有易获得性、低成本、光吸收效果好等优点，但仍面临着低蒸发速度和低光热转化率的问题。如利用碳化的蘑菇作为光热蒸发材料，但是水蒸发速度低于1.5kg/m2h，光热转化效率低于80％。纳米碳材料(如石墨烯，碳纳米管)经过特殊处理后具有高比表面积和极佳的光热转化效率，因此逐渐成为光吸收材料研究的热点。然而，碳材料普遍具有亲水性差和水传输效率低的特点，因此将纳米碳材料与亲水材料相结合是目前构建光热蒸发材料的一种有效策略。静电纺丝技术是一种可以制备多孔纤维膜材料的手段，近年来开始被用于制备纳米凝胶膜材料。由于电纺凝胶膜的比表面积大，孔隙率高，亲水官能团丰富等特点，因此被广泛地应用于水处理、生物技术和组织工程等领域。目前，将超亲水的凝胶纤维和具有光热转化能力的石墨烯材料进行杂化复合，并作为光热蒸发材料尚未有所报道。
发明内容
本发明要解决现有光热转化材料在海水淡化过程中蒸发速度和光热转化效率低的问题，而提供一种具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜的制备方法。
一种具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜的制备方法是按以下步骤进行的：
一、凝胶纤维的制备：
在温度为80℃～90℃及搅拌速度为100rpm～300rpm的条件下，将醋酸纤维素与聚甲基丙烯酸溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌48h～72h，得到纺丝液，在高压电场为15kV～17kV、纺丝距离为20cm～30cm及注射泵推进速度为1mL/h～2mL/h的条件下，利用单轴静电纺丝装置将纺丝液进行纺丝，纺丝时间为8h～24h，然后利用平板式收丝方式，得到凝胶纤维；
所述的醋酸纤维素的质量与N,N-二甲基甲酰胺的体积为(0.5～1)g:8.5mL；所述的聚甲基丙烯酸的质量与N,N-二甲基甲酰胺的体积为(0.5～1)g:8.5mL；
二、氧化石墨烯片层的制备：
将鳞片石墨加入到混酸溶液中，得到混合溶液，在冰浴及搅拌速度为150rpm～200rpm的条件下，向混合溶液中加入高锰酸钾，搅拌1.5h～2h，然后在温度为35℃～40℃及搅拌速度为150rpm～200rpm的条件下，继续搅拌20h～24h，得到反应液，向反应液中加入去离子水稀释，再以加入速度为5mL/min～15mL/min，依次加入质量百分数为20％～40％的过氧化氢和质量百分数为5％～10％的稀盐酸，最后在转速为3000rpm～6000rpm的条件下，高速离心10min～20min，得到离心后产物，将离心后产物放入透析袋渗析3天～5天，得到浓度为8mg/mL～10mg/mL氧化石墨烯片溶液；
所述的鳞片石墨的质量与混酸溶液的体积比为1g:(15～30)mL；所述的鳞片石墨与高锰酸钾的质量比为1:(1.5～3)；所述的反应液与去离子水的体积比为1:(100～200)；所述的反应液与质量百分数为20％～40％的过氧化氢的体积比为1:(0.67～13.3)；所述的反应液与质量百分数为5％～10％的稀盐酸的体积比为1:(20～40)；
三、杂化凝胶膜的制备：
利用去离子水调节浓度为8mg/mL～10mg/mL的氧化石墨烯片溶液浓度，然后超声5min～10min，得到浓度为2mg/mL～10mg/mL的氧化石墨烯片溶液，将凝胶纤维浸泡于浓度为2mg/mL～10mg/mL的氧化石墨烯片溶液中，在搅拌速度为20rpm～30rpm的条件下，搅拌20min～40min，然后超声5min～15min，得到凝胶状混合物，在温度为-47℃～-54℃的条件下，将凝胶状混合物冷冻干燥48h～72h，得到海绵状气凝胶，在温度为60℃～80℃的条件下，将海绵状气凝胶热压2次～3次，得到薄膜，在温度为120℃～150℃的条件下，将薄膜热处理4h～7h，得到具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜。
本发明的有益效果是：
一、本发明提供了一种简单的制备石墨烯和凝胶纤维杂化膜的方法，所得杂化纤维膜由于原料中使用的纳米纤维具有水凝胶特性，当其与水滴接触后，具有极强的吸水能力，接触角为0度，因此具有超亲水的特性；
二、本发明利用一维纳米凝胶纤维和二维的氧化石墨烯片层构建具有三维多孔结构的杂化膜，这一特点为水蒸气的扩散提供了连续传输孔道；
三、本发明所制备的杂化凝胶膜具有水凝胶的超亲水特点，在一定程度上提高了水蒸发速度和光热转化效率，本发明所制备的杂化凝胶膜具有可反复再利用的特点，1个小时的纯水蒸发量为1.85kg/m2，在处理海水时，经过20次循环使用，杂化凝胶膜依旧具有良好的光热转化效率，光转化效率保持在85.1％，蒸发速度维持在1.67kg/m2h。
四、本发明所用的纳米凝胶纤维具有丰富的羧基官能团，在处理重金属离子废水和海水淡化过程中，能有效地去除一价态和二价态的金属离子，从而提高出水的水质，钠离子的浓度低于10mg/L，镉离子去除率为99.99％，铜离子去除率为99.89％。镍离子去除率为99.59％，铅离子的去除率为99.94％，锌离子的去除率为99.56％。
附图说明
图1为实施例一制备的具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜在干燥状态下的数码照片；
图2为实施例一制备的具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜完全被水润湿后的数码照片；
图3为实施例一制备的具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜的扫描电镜照片；
图4为紫外可见近红外光谱，1为具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜，2为对比实验一制备的未掺杂膜；
图5为在1kW/m2的光强照射下，表面温度随时间变化曲线，1为设置实施例一制备的具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜的水体系，2为没有放置任何光热材料的纯水体系；
图6为在1kW/m2的光强下照射60分钟，水蒸发质量随时间变化曲线，1为设置实施例一制备的具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜的水蒸发体系，2为没有放置任何光热材料的纯水体系；
图7为实施例一制备的具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜在1kW/m2的光强照射下，光蒸发前后，海水和出水中各种金属离子浓度变化情况对比图，1为初始浓度，2为最终浓度；
图8为实施例一制备的具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜在1kW/m2的光强照射下循环使用对比图，1为蒸发速度，2为光热转化效率；
图9为实施例一制备的具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜在1kW/m2的光强照射下，金属离子去除率对比图，1为光蒸发后重金属离子去除率，2为光蒸发前含有五种重金属离子的配制溶液初始离子浓度。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜的制备方法是按以下步骤进行的：
一、凝胶纤维的制备：
在温度为80℃～90℃及搅拌速度为100rpm～300rpm的条件下，将醋酸纤维素与聚甲基丙烯酸溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌48h～72h，得到纺丝液，在高压电场为15kV～17kV、纺丝距离为20cm～30cm及注射泵推进速度为1mL/h～2mL/h的条件下，利用单轴静电纺丝装置将纺丝液进行纺丝，纺丝时间为8h～24h，然后利用平板式收丝方式，得到凝胶纤维；
所述的醋酸纤维素的质量与N,N-二甲基甲酰胺的体积为(0.5～1)g:8.5mL；所述的聚甲基丙烯酸的质量与N,N-二甲基甲酰胺的体积为(0.5～1)g:8.5mL；
二、氧化石墨烯片层的制备：
将鳞片石墨加入到混酸溶液中，得到混合溶液，在冰浴及搅拌速度为150rpm～200rpm的条件下，向混合溶液中加入高锰酸钾，搅拌1.5h～2h，然后在温度为35℃～40℃及搅拌速度为150rpm～200rpm的条件下，继续搅拌20h～24h，得到反应液，向反应液中加入去离子水稀释，再以加入速度为5mL/min～15mL/min，依次加入质量百分数为20％～40％的过氧化氢和质量百分数为5％～10％的稀盐酸，最后在转速为3000rpm～6000rpm的条件下，高速离心10min～20min，得到离心后产物，将离心后产物放入透析袋渗析3天～5天，得到浓度为8mg/mL～10mg/mL氧化石墨烯片溶液；
所述的鳞片石墨的质量与混酸溶液的体积比为1g:(15～30)mL；所述的鳞片石墨与高锰酸钾的质量比为1:(1.5～3)；所述的反应液与去离子水的体积比为1:(100～200)；所述的反应液与质量百分数为20％～40％的过氧化氢的体积比为1:(0.67～13.3)；所述的反应液与质量百分数为5％～10％的稀盐酸的体积比为1:(20～40)；
三、杂化凝胶膜的制备：
利用去离子水调节浓度为8mg/mL～10mg/mL的氧化石墨烯片溶液浓度，然后超声5min～10min，得到浓度为2mg/mL～10mg/mL的氧化石墨烯片溶液，将凝胶纤维浸泡于浓度为2mg/mL～10mg/mL的氧化石墨烯片溶液中，在搅拌速度为20rpm～30rpm的条件下，搅拌20min～40min，然后超声5min～15min，得到凝胶状混合物，在温度为-47℃～-54℃的条件下，将凝胶状混合物冷冻干燥48h～72h，得到海绵状气凝胶，在温度为60℃～80℃的条件下，将海绵状气凝胶热压2次～3次，得到薄膜，在温度为120℃～150℃的条件下，将薄膜热处理4h～7h，得到具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜。
本实施方式的有益效果是：
一、本实施方式提供了一种简单的制备石墨烯和凝胶纤维杂化膜的方法，所得杂化纤维膜由于原料中使用的纳米纤维具有水凝胶特性，当其与水滴接触后，具有极强的吸水能力，接触角为0度，因此具有超亲水的特性；
二、本实施方式利用一维纳米凝胶纤维和二维的氧化石墨烯片层构建具有三维多孔结构的杂化膜，这一特点为水蒸气的扩散提供了连续传输孔道；
三、本实施方式所制备的杂化凝胶膜具有水凝胶的超亲水特点，在一定程度上提高了水蒸发速度和光热转化效率，本发明所制备的杂化凝胶膜具有可反复再利用的特点，1个小时的纯水蒸发量为1.85kg/m2，在处理海水时，经过20次循环使用，杂化凝胶膜依旧具有良好的光热转化效率，光转化效率保持在85.1％，蒸发速度维持在1.67kg/m2h。
四、本实施方式所用的纳米凝胶纤维具有丰富的羧基官能团，在处理重金属离子废水和海水淡化过程中，能有效地去除一价态和二价态的金属离子，从而提高出水的水质，钠离子的浓度低于10mg/L，镉离子去除率为99.99％，铜离子去除率为99.89％。镍离子去除率为99.59％，铅离子的去除率为99.94％，锌离子的去除率为99.56％。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤二中所述的混酸溶液为磷酸和浓硫酸的混合物；所述的磷酸和浓硫酸的体积比1:(7～9)；所述的磷酸的质量百分数≥85％；所述的浓硫酸的质量百分数为95％～98％。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中在温度为80℃～85℃及搅拌速度为100rpm～200rpm的条件下，将醋酸纤维素与聚甲基丙烯酸溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌48h～60h，得到纺丝液。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中在高压电场为16kV～17kV、纺丝距离为25cm～30cm及注射泵推进速度为1.5mL/h～2mL/h的条件下，利用单轴静电纺丝装置将纺丝液进行纺丝，纺丝时间为12h～24h，然后利用平板式收丝方式，得到凝胶纤维。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中所述的醋酸纤维素的质量与N,N-二甲基甲酰胺的体积为(0.8～1)g:8.5mL；步骤一中所述的聚甲基丙烯酸的质量与N,N-二甲基甲酰胺的体积为(0.5～0.8)g:8.5mL。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中将鳞片石墨加入到混酸溶液中，得到混合溶液，在冰浴及搅拌速度为150rpm～180rpm的条件下，向混合溶液中加入高锰酸钾，搅拌1.8h～2h，然后在温度为38℃～40℃及搅拌速度为150rpm～180rpm的条件下，继续搅拌22h～24h，得到反应液。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中向反应液中加入去离子水稀释，再以加入速度为10mL/min～15mL/min，依次加入质量百分数为30％～40％的过氧化氢和质量百分数为5％～8％的稀盐酸，最后在转速为3000rpm～5000rpm的条件下，高速离心10min～15min，得到离心后产物，将离心后产物放入透析袋渗析3天～4天，得到浓度为8mg/mL～10mg/mL氧化石墨烯片溶液。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中所述的鳞片石墨的质量与混酸溶液的体积比为1g:(15～20)mL；步骤二中所述的鳞片石墨与高锰酸钾的质量比为1:(1.5～2)；步骤二中所述的反应液与去离子水的体积比为1:(150～200)；步骤二中所述的反应液与质量百分数为20％～40％的过氧化氢的体积比为1:(1～13.3)；步骤二中所述的反应液与质量百分数为5％～10％的稀盐酸的体积比为1:(20～30)。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三中将凝胶纤维浸泡于浓度为2mg/mL～4mg/mL的氧化石墨烯片溶液中，在搅拌速度为20rpm～25pm的条件下，搅拌20min～30min，然后超声10min～15min，得到凝胶状混合物。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤三中在温度为-47℃～-54℃的条件下，将凝胶状混合物冷冻干燥48h～60h，得到海绵状气凝胶，在温度为70℃～80℃的条件下，将海绵状气凝胶热压2次～3次，得到薄膜，在温度为130℃～150℃的条件下，将薄膜热处理5h～7h，得到具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
一种具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜的制备方法是按以下步骤进行的：
一、凝胶纤维的制备：
在温度为80℃及搅拌速度为100rpm的条件下，将醋酸纤维素与聚甲基丙烯酸溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌48h，得到纺丝液，在高压电场为17kV、纺丝距离为30cm及注射泵推进速度为2mL/h的条件下，利用单轴静电纺丝装置将纺丝液进行纺丝，纺丝时间为24h，然后利用平板式收丝方式，得到凝胶纤维；
所述的醋酸纤维素的质量与N,N-二甲基甲酰胺的体积为1g:8.5mL；所述的聚甲基丙烯酸的质量与N,N-二甲基甲酰胺的体积为0.5g:8.5mL；
二、氧化石墨烯片层的制备：
将鳞片石墨加入到混酸溶液中，得到混合溶液，在冰浴及搅拌速度为150rpm的条件下，向混合溶液中加入高锰酸钾，搅拌2h，然后在温度为40℃及搅拌速度为150rpm的条件下，继续搅拌24h，得到反应液，向反应液中加入去离子水稀释，再以加入速度为10mL/min，依次加入质量百分数为30％的过氧化氢和质量百分数为5％的稀盐酸，最后在转速为5000rpm的条件下，高速离心10min，得到离心后产物，将离心后产物放入透析袋渗析3天，得到浓度为8mg/mL氧化石墨烯片溶液；
所述的鳞片石墨的质量与混酸溶液的体积比为1g:15mL；所述的鳞片石墨与高锰酸钾的质量比为1:1.5；所述的反应液与去离子水的体积比为1:200；所述的反应液与质量百分数为30％的过氧化氢的体积比为1:1；所述的反应液与质量百分数为5％的稀盐酸的体积比为1:30；
三、杂化凝胶膜的制备：
将浓度为8mg/mL的氧化石墨烯片溶液与去离子水混合，然后超声10min，得到浓度为4mg/mL的氧化石墨烯片溶液，将凝胶纤维浸泡于浓度为4mg/mL的氧化石墨烯片溶液中，在搅拌速度为20rpm的条件下，搅拌30min，然后超声15min，得到凝胶状混合物，在温度为-54℃的条件下，将凝胶状混合物冷冻干燥48h，得到海绵状气凝胶，在温度为80℃的条件下，将海绵状气凝胶热压3次，得到薄膜，在温度为150℃的条件下，将薄膜热处理5h，得到具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜。
步骤二中所述的混酸溶液为磷酸和浓硫酸的混合物；所述的磷酸和浓硫酸的体积比1:9；所述的磷酸的质量百分数≥85％；所述的浓硫酸的质量百分数为95％～98％。
对比实验一：
一、凝胶纤维的制备：
在温度为80℃及搅拌速度为100rpm的条件下，将醋酸纤维素与聚甲基丙烯酸溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌48h，得到纺丝液，在高压电场为17kV、纺丝距离为30cm及注射泵推进速度为2mL/h的条件下，利用单轴静电纺丝装置将纺丝液进行纺丝，纺丝时间为24h，然后利用平板式收丝方式，得到凝胶纤维；
所述的醋酸纤维素的质量与N,N-二甲基甲酰胺的体积为1g:8.5mL；所述的聚甲基丙烯酸的质量与N,N-二甲基甲酰胺的体积为0.5g:8.5mL；
二、未掺杂膜的制备：
将凝胶纤维浸泡于水中，在搅拌速度为20rpm的条件下，搅拌30min，然后超声15min，得到凝胶状混合物，在温度为-54℃的条件下，将凝胶状混合物冷冻干燥48h，得到海绵状气凝胶，在温度为80℃的条件下，将海绵状气凝胶热压3次，得到薄膜，在温度为150℃的条件下，将薄膜热处理5h，得到未掺杂膜。
图1为实施例一制备的具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜在干燥状态下的数码照片；从图中可以看出干膜为灰白色的。
图2为实施例一制备的具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜完全被水润湿后的数码照片；由于原料中的纳米纤维在吸水后呈现透明水凝胶状态，从图中可以看出，杂化膜被水润湿后灰白色的膜变成黑色，能够完全呈现还原后氧化石墨烯的颜色，因此不会影响杂化膜在500nm-2500nm波长范围的吸光度。
图3为实施例一制备的具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜的扫描电镜照片；从图片中可以看出，纤维表面被还原的氧化石墨烯片层包裹着，并且还原的氧化石墨烯片层很薄。
图4为紫外可见近红外光谱，1为具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜，2为对比实验一制备的未掺杂膜；从曲线图中可以看出没有修饰石墨烯的纤维膜具有很低的吸光性，由于还原氧化石墨烯的存在，使得本实施例制备的杂化凝胶膜在500nm～2500nm波长范围内具有良好的吸光度，平均吸光度在85％以上。
将本实施例制备的具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜放置于厚度为1cm的隔热泡沫板上，且隔热泡沫板放置在装有测试液体的50mL烧杯中，长度为6cm的玻璃纤维穿过隔热泡沫板，并与杂化凝胶膜接触，作为杂化凝胶膜与测试液体之间的传输水的通道。通过杂化凝胶膜进行表面温度随时间变化测试、水蒸发质量随时间变化测试、海水和出水中各种金属离子浓度变化情况测试，所述的测试液为水或海水。
图5为在1kW/m2的光强照射下，表面温度随时间变化曲线，1为设置实施例一制备的具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜的水体系，2为没有放置任何光热材料的纯水体系；从曲线的变化趋势可以看出，在600秒内杂化凝胶膜表面温度从23.1℃迅速升温到43.2℃，之后温度变化趋势稳定，而水温度基本维持在30℃。
图6为在1kW/m2的光强下照射60分钟，水蒸发质量随时间变化曲线，1为设置实施例一制备的具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜的水蒸发体系，2为没有放置任何光热材料的纯水体系；从曲线的变化中可以看出，一个小时后，设置本实施例制备的杂化凝胶膜的水蒸发量为1.85kg/m2，而没有放置膜材料的水在同样光照条件下，蒸发量仅为0.3kg/m2。
图7为实施例一制备的具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜在1kW/m2的光强照射下，光蒸发前后，海水和出水中各种金属离子浓度变化情况对比图，1为初始浓度，2为最终浓度；从柱状图中可以看出经过蒸发所获得出水中，钠离子的浓度低于10mg/L，且图中虚线处为WHO对于海水淡化水质的要求，由此可知，本实施例制备的杂化凝胶膜符合WHO对海水淡化水质的要求，并且其他离子也符合相关标准制定的阀值。
将本实施例制备的具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜放置于厚度为1cm的隔热泡沫板上，且隔热泡沫板放置在装有测试液体的50mL烧杯中，长度为6cm的玻璃纤维穿过隔热泡沫板，并与杂化凝胶膜接触，作为杂化凝胶膜与测试液体之间的传输水的通道，在1kW/m2光强度照射下，蒸发1h，然后关闭光源，10min后再打开光源，在相同光照强度照射下进行第二次蒸发测试，以此循环20次，所述的测试液为海水。
图8为实施例一制备的具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜在1kW/m2的光强照射下循环使用对比图，1为蒸发速度，2为光热转化效率；从图中可以看出，经过20次循环使用，杂化凝胶膜依旧具有良好的光热转化效率，基本可以维持在85.1％，蒸发速度基本维持在1.67kg/m2h上下。
将本实施例制备的具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜放置于厚度为1cm的隔热泡沫板上，且隔热泡沫板放置在装有测试液体的50mL烧杯中，长度为6cm的玻璃纤维穿过隔热泡沫板，并与杂化凝胶膜接触，作为杂化凝胶膜与测试液体之间的传输水的通道，测试液体为含有五种重金属离子的配制溶液，利用光热蒸发装置测试金属离子去除率测试。
图9为实施例一制备的具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜在1kW/m2的光强照射下，金属离子去除率对比图，1为光蒸发后重金属离子去除率，2为光蒸发前含有五种重金属离子的配制溶液初始离子浓度；从图中可以看出经过光蒸发获得的出水中重金属离子都得到了一定程度的去除，其中镉离子去除率为99.99％，铜离子去除率为99.89％，镍离子去除率为99.59％，铅离子的去除率为99.94％，锌离子的去除率为99.56％。

Claims (1)

1.一种具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜的制备方法，其特征在于一种具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜的制备方法是按以下步骤进行的：
一、凝胶纤维的制备：
在温度为80℃及搅拌速度为100rpm的条件下，将醋酸纤维素与聚甲基丙烯酸溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌48h，得到纺丝液，在高压电场为17kV、纺丝距离为30cm及注射泵推进速度为2mL/h的条件下，利用单轴静电纺丝装置将纺丝液进行纺丝，纺丝时间为24h，然后利用平板式收丝方式，得到凝胶纤维；
所述的醋酸纤维素的质量与N,N-二甲基甲酰胺的体积为1g:8.5mL；所述的聚甲基丙烯酸的质量与N,N-二甲基甲酰胺的体积为0.5g:8.5mL；
二、氧化石墨烯片层的制备：
将鳞片石墨加入到混酸溶液中，得到混合溶液，在冰浴及搅拌速度为150rpm的条件下，向混合溶液中加入高锰酸钾，搅拌2h，然后在温度为40℃及搅拌速度为150rpm的条件下，继续搅拌24h，得到反应液，向反应液中加入去离子水稀释，再以加入速度为10mL/min，依次加入质量百分数为30％的过氧化氢和质量百分数为5％的稀盐酸，最后在转速为5000rpm的条件下，高速离心10min，得到离心后产物，将离心后产物放入透析袋渗析3天，得到浓度为8mg/mL氧化石墨烯片溶液；
所述的鳞片石墨的质量与混酸溶液的体积比为1g:15mL；所述的鳞片石墨与高锰酸钾的质量比为1:1.5；所述的反应液与去离子水的体积比为1:200；所述的反应液与质量百分数为30％的过氧化氢的体积比为1:1；所述的反应液与质量百分数为5％的稀盐酸的体积比为1:30；
三、杂化凝胶膜的制备：
将浓度为8mg/mL的氧化石墨烯片溶液与去离子水混合，然后超声10min，得到浓度为4mg/mL的氧化石墨烯片溶液，将凝胶纤维浸泡于浓度为4mg/mL的氧化石墨烯片溶液中，在搅拌速度为20rpm的条件下，搅拌30min，然后超声15min，得到凝胶状混合物，在温度为-54℃的条件下，将凝胶状混合物冷冻干燥48h，得到海绵状气凝胶，在温度为80℃的条件下，将海绵状气凝胶热压3次，得到薄膜，在温度为150℃的条件下，将薄膜热处理5h，得到具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶膜；
步骤二中所述的混酸溶液为磷酸和浓硫酸的混合物；所述的磷酸和浓硫酸的体积比1:9；所述的磷酸的质量百分数≥85％；所述的浓硫酸的质量百分数为95％～98％；
在1kW/m2的光强照射下，具有光热转化功能的石墨烯/纳米纤维杂化凝胶对于海水蒸发速度为1.67kg/m2h。
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