CN110437496A - 一种用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料，其以铯掺杂纳米粉体为负载粉体，亲水聚硅氧烷气凝胶为支撑载体，铯掺杂纳米粉体是一种高效的光热转换材料，亲水改性的聚硅氧烷气凝胶具有独特的结构特点，可以很容易的实现基材负载，同时气凝胶具有低热导、3D多孔结构和盐分不易富集析晶等优点，实现水蒸气的快速通过，具有高效的光吸收、光转化、水传输和水蒸发的特性。本发明还公开了用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料的制备方法以及其在海水淡化或者工业污水处理中的应用。

Description

一种用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料及其制备方 法和应用
技术领域
本发明属于利用太阳能进行水蒸发技术领域，涉及一种光热材料，特别涉及一种用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
储存于地球的总储水量约1386×10亿立方米，其中海洋水为1338×10亿立方米，约占全球总水量的96.5％，淡水资源只占到全球总水量的3.5％。而淡水又主要以冰川和深层地下水的形式存在，河流湖泊等人类可以直接利用的的淡水仅占世界总淡水的0.3％。所以缺水已经是全世界城市面临的首要问题，约占世界人口总数40％的80个国家和地区约15亿人口淡水不足，其中26个国家约3亿人极度缺水。此外，预计到2025年，世界上将会有30亿人面临缺水，40个国家和地区淡水严重不足。
随着现代的科技进步，人们开始采取反渗透、热法等方式的海水淡化，力求能够有效解决人类未来淡水的需求。但是传统的海水淡化属于高耗能产业，应用传统海水淡化技术的工厂消耗大量能源并过度依赖于化石燃料能源，导致环境污染和能源紧缺是人类生存亟待解决的两大难题。为了解决化石燃料枯竭和环境污染严重的问题，迫切地需要向传统海水淡化技术中引入诸如太阳能热能此类的可再生能源作为其能量来源。在全球变暖的碳减排压力和化石能源不可持续的危机之下，世界各国以风能、太阳能为代表的可再生能源开发利用步伐日益加快。随着可再生新能源发电占比的不断提高，稳定发电出力波动、增强可调节性、改善电网消纳能力等面临巨大挑战。然而，现有技术中提供的蒸发冷凝设备，其工作方式大多为对水进行单次蒸发冷凝处理，其处理效果往往达不到需求标准，并且现有冷凝管的冷凝效率普遍较低，进一步地导致蒸发冷凝设备的工作效率低下。
同时，目前大量的海岛地区以及偏远地区存在有电力和供水基础设施不足的问题，由于不仅需要高昂的初始建设成本和维护成本，而且不具备有效的操作/维护技术，由此在此类地区建造和操作大型蒸馏冷凝设备不太容易实现。因此，在例如此类能源供需过高且不易建设供水基础设施的地区中，为有效解决海岛的用能、用水问题，迫切地需要发展可再生能源系统与海水淡化结合技术。近年来，界面太阳能光蒸汽转化被认为是一种很有前景的高效能量转换技术，通过合理地设计漂浮在水-空气界面上的光热材料，加快水的蒸发速度来实现高效界面太阳能光蒸汽转化。实现高效的界面光-蒸汽转化，对光热材料有如下的要求：1)高效且宽带的太阳光吸收；2)具有极低的热损失和高效的光热转换效率；3)亲水且具有充足的水供给； 4)具有为水蒸气提供快速逃逸通道的多孔结构。
公开号为CN107986368A的专利公开了一种基于碟式聚光的太阳能风能互补驱动多效含盐水淡化装置。通过碟式聚光器的结构变化实现太阳能驱动和风能驱动的有效切换。本装置利用受热水蒸气向上浮升特点，沿水蒸气浮升方向布置多个盛水冷凝盘，多次回收水蒸气冷凝时释放的潜热，能够实现水蒸气所含热量分级多次利用。但是其无法有效地利用蒸发冷凝潜热。因而太阳能利用率比较低，更重要的是本装置比较复杂不利于推广。
太阳光的总能量中红外光区的能量占50％，可见光区的能量占45％，紫外光区的能量占5％，数据显示，红外光区的能量占了一半，若能对这部分的能量高效吸收利用，能够充分提高利用太阳能的利用效率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料，其以铯掺杂纳米粉体为负载粉体，亲水聚硅氧烷气凝胶为支撑载体，铯掺杂纳米粉体是一种高效的光热转换材料，亲水改性的聚硅氧烷气凝胶具有独特的结构特点，可以很容易的实现基材负载，同时气凝胶具有低热导、3D多孔结构和盐分不易富集析晶等优点，实现水蒸气的快速通过，具有高效的光吸收、光转化、水传输和水蒸发的特性；本发明的另一目的在于提供用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料的制备方法和应用。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料，所述复合材料以铯掺杂三氧化钨纳米粉体为负载粉体，亲水聚硅氧烷气凝胶为支撑载体。
所述复合材料中铯掺杂三氧化钨纳米粉体含量为5-20%，亲水聚硅氧烷气凝胶含量为80-95%。
本发明的进一步改进方案为：
一种用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料的制备方法，包括以下步骤：
制备亲水聚硅氧烷气凝胶：将疏水的聚硅氧烷气凝胶进行亲水改性，得亲水聚硅氧烷气凝胶；
制备树脂浆料：将铯掺杂三氧化钨纳米粉体、溶剂、树脂、分散剂和紫外吸收剂混合配置为树脂浆料；
制备用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料：将上述制得的亲水聚硅氧烷气凝胶浸入制得的树脂浆料中，浸泡30-100min，充分吸附之后，40~120oC烘干1~4h，得用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料。
进一步的，所述铯掺杂三氧化钨纳米粉体、溶剂、树脂、分散剂和紫外吸收剂的重量比为0.1-0.5:2-6:1-4:0.01-0.05:1；所述树脂浆料的固含量为0.9%~11.1%。
进一步的，所述溶剂为水，所述树脂为聚丙烯树脂，所述分散剂为BYK358N，所述紫外吸收剂为BYK1130。
本发明的更进一步改进方案为：
所述亲水改性的方法为：将硅酸四乙酯、去离子水以及乙醇混合均匀，用氨水调整上述混合溶液的pH为7~10；然后将疏水的聚硅氧烷气凝胶浸泡在上述溶液中，浸泡40min-5 h之后，60~120oC烘干20~30h，得亲水聚硅氧烷气凝胶。
进一步的，所述硅酸四乙酯、去离子水与乙醇的体积比为0.1~5:0.5~5:2~20。
进一步的，所述氨水的浓度为0.8~1.2M。
7、本发明的再进一步改进方案为：
所述亲水改性的方法为：将疏水的气凝胶放到管式炉中，抽真空后通入氮气，匀速升温，升温速度为2℃/min, 升至600℃~1000℃保温30min-6h得亲水聚硅氧烷气凝胶。
本发明的再进一步改进方案为：
用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料在海水淡化或者工业污水处理中的应用。
本发明的有益效果为：
本发明以铯掺杂纳米粉体为负载粉体，铯掺杂纳米粉体是一种高效的光热转换材料，具有高效的光热转换效率，能够充分吸收太阳能，并转换为热量；
本发明以亲水聚硅氧烷气凝胶为支撑载体，本发明制备的亲水聚硅氧烷气凝胶接触角为10°-90°，密度为0.07~0.26 g·cm-3，孔隙率85%~96%，孔径分布为20~1200 nm，亲水改性的聚硅氧烷气凝胶具有较强的吸附能力，同时进行高温碳化改亲水性气凝胶的同时，还可以增加气凝胶内的孔径尺寸，时改性后的气凝胶具有低热导、3D多孔结构和盐分不易富集析晶等优点，实现水蒸气的快速通过；
本发明制得的聚硅氧烷气凝胶复合材料具有高效的光吸收、光转化、水传输和水蒸发的特性；
本发明的制备过程中，树脂浆料完全固化，纳米粉体紧密吸附在气凝胶表面。本发明能够高效利用太阳能蒸发水蒸气，并且制备过程简单，形状稳定，易于加工，在海水淡化，工业污水处理等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例1制得的聚硅氧烷气凝胶复合材料的外观图；
图2为实施例1制得的亲水改性聚硅氧烷气凝胶的扫描电镜图；
图3为实施例1制得的亲水改性聚硅氧烷气凝胶的接触角图；
图4为实施例2制得的亲水改性聚硅氧烷气凝胶的接触角图；
图5为实施例9的水蒸发示意图；
图6为实施例1制得的聚硅氧烷气凝胶复合材料的水蒸发速率图。
具体实施方式
实施例1
将1 ml硅酸四乙酯、1 ml去离子水、10ml乙醇混合均匀，然后加入1M氨水调整上述混合溶液的pH为7.5；然后将市售的疏水聚硅氧烷气凝胶，浸泡在上述溶液中，浸泡充分之后，于60~120oC烘干20~30h，得亲水聚硅氧烷气凝胶。
将铯掺杂三氧化钨纳米粉体、水、聚丙烯树脂、分散剂BYK358N和紫外吸收剂BYK1130配置为固含量0.9%的树脂浆料；其中铯掺杂三氧化钨纳米粉体、水、聚丙烯树脂、分散剂BYK358N和紫外吸收剂BYK1130的质量比例是0.1：6:4: 0.05:1。将配置好的浆料搅拌均匀之后，避光储存。
将经过亲水改性的聚硅氧烷气凝胶浸入树脂浆料中，充分吸附之后，于40~120oC烘干1~4h，即得用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料。
实施例2
将气凝胶放到管式炉中，先抽真空再通入氮气，升温速度2度/min,800度保温2h，得亲水聚硅氧烷气凝胶。
将铯掺杂三氧化钨纳米粉体、水、聚丙烯树脂、分散剂BYK358N和紫外吸收剂BYK1130配置为固含量1.2%的树脂浆料；其中铯掺杂三氧化钨纳米粉体、水、聚丙烯树脂、分散剂BYK358N和紫外吸收剂BYK1130的质量比例是0.1：4:3:0.01:1。将配置好的浆料搅拌均匀之后，避光储存。
将经过亲水改性的聚硅氧烷气凝胶浸入树脂浆料中，充分吸附之后，于40~120oC烘干1~4h，即得用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料。
实施例3
将1 ml硅酸四乙酯、1 ml去离子水、10ml乙醇混合均匀，然后加入1.2M氨水调整上述混合溶液的pH为10；然后将市售的疏水聚硅氧烷气凝胶，浸泡在上述溶液中，充分浸泡之后，于60~120oC烘干20~30h，得亲水聚硅氧烷气凝胶。
将铯掺杂三氧化钨纳米粉体、水、聚丙烯树脂、分散剂BYK358N和紫外吸收剂BYK1130配置为固含量2.4%的树脂浆料；其中铯掺杂三氧化钨纳米粉体、水、聚丙烯树脂、分散剂BYK358N和紫外吸收剂BYK1130的质量比例是0.2：4:3:0.01:1。将配置好的浆料搅拌均匀之后，避光储存。
将经过亲水改性的聚硅氧烷气凝胶浸入树脂浆料中，充分吸附之后，于40~120oC烘干1~4h，即得用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料。
实施例4
将气凝胶放到管式炉中，先抽真空再通入氮气，升温速度2度/min, 1000度保温30min，得亲水聚硅氧烷气凝胶。
铯掺杂三氧化钨纳米粉体、水、聚丙烯树脂、分散剂BYK358N和紫外吸收剂BYK1130配置为固含量5.9%的树脂浆料；其中铯掺杂三氧化钨纳米粉体、水、聚丙烯树脂、分散剂BYK358N和紫外吸收剂BYK1130的质量比例是0.5：4:3:0.01:1。将配置好的浆料搅拌均匀之后，避光储存。
将经过亲水改性的聚硅氧烷气凝胶浸入树脂浆料中，充分吸附之后，于40~120oC烘干1~4h，即得用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料。
实施例5
将1 ml硅酸四乙酯、1 ml去离子水、10ml乙醇混合均匀，然后加入1M氨水调整上述混合溶液的pH为7.5；然后将市售的疏水聚硅氧烷气凝胶，浸泡在上述溶液中，充分浸泡之后，于60~120oC烘干20~30h，得亲水聚硅氧烷气凝胶。
铯掺杂三氧化钨纳米粉体、水、聚丙烯树脂、分散剂BYK358N和紫外吸收剂BYK1130配置为固含量4.3%的树脂浆料；其中铯掺杂三氧化钨纳米粉体、水、聚丙烯树脂、分散剂BYK358N和紫外吸收剂BYK1130的质量比例是0.5：6:4:0.05:1。将配置好的浆料搅拌均匀之后，避光储存。
将经过亲水改性的聚硅氧烷气凝胶浸入树脂浆料中，充分吸附之后，于40~120oC烘干1~4h，即得用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料。
实施例6
将疏水的气凝胶放到管式炉中，抽真空后通入氮气，匀速升温，升温速度为2℃/min,升至600℃保温30min得亲水聚硅氧烷气凝胶。
铯掺杂三氧化钨纳米粉体、水、聚丙烯树脂、分散剂BYK358N和紫外吸收剂BYK1130配置为固含量11.1%的树脂浆料；其中铯掺杂三氧化钨纳米粉体、水、聚丙烯树脂、分散剂BYK358N和紫外吸收剂BYK1130的质量比例是0.5：2:1:0.01:1。将配置好的浆料搅拌均匀之后，避光储存。
将经过亲水改性的聚硅氧烷气凝胶浸入树脂浆料中，充分吸附之后，于40~120oC烘干1~4h，即得用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料。
实施例7
将1 ml硅酸四乙酯、1 ml去离子水、10ml乙醇混合均匀，然后加入1M氨水调整上述混合溶液的pH为7.5；然后将市售的疏水聚硅氧烷气凝胶，浸泡在上述溶液中，充分浸泡之后，于60~120oC烘干20~30h，得亲水聚硅氧烷气凝胶。
铯掺杂三氧化钨纳米粉体、水、聚丙烯树脂、分散剂BYK358N和紫外吸收剂BYK1130配置为固含量4.1%的树脂浆料；其中铯掺杂三氧化钨纳米粉体、水、聚丙烯树脂、分散剂BYK358N和紫外吸收剂BYK1130的质量比例是0.3：4:2:0.03:1。将配置好的浆料搅拌均匀之后，避光储存。
将经过亲水改性的聚硅氧烷气凝胶浸入树脂浆料中，充分吸附之后，于40~120oC烘干1~4h，即得用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料。
实施例8
将1 ml硅酸四乙酯、1 ml去离子水、10ml乙醇混合均匀，然后加入1M氨水调整上述混合溶液的pH为7.5；然后将市售的疏水聚硅氧烷气凝胶，浸泡在上述溶液中，充分浸泡之后，于60~120oC烘干20~30h，得亲水聚硅氧烷气凝胶。
铯掺杂三氧化钨纳米粉体、水、聚丙烯树脂、分散剂BYK358N和紫外吸收剂BYK1130配置为固含量9.1%的树脂浆料；其中铯掺杂三氧化钨纳米粉体、水、聚丙烯树脂、分散剂BYK358N和紫外吸收剂BYK1130的质量比例是0.5：2:2:0.02:1。将配置好的浆料搅拌均匀之后，避光储存。
将经过亲水改性的聚硅氧烷气凝胶浸入树脂浆料中，充分吸附之后，于40~120oC烘干1~4h，即得用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料。
实施例9
将实施例1制备的用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料放入烧杯中，其中烧杯中已经装入了20g的去离子水，厚度为0.5cm，直径6cm的气凝胶复合材料漂浮液面上。烧杯放置于精度为0.1μg的天平上，并归零。光照强度为一个标准太阳光的氙灯位于烧杯之上，光源至液面的垂直距离是8cm。开始光照之后即开始计时，并以时间为横坐标，以天平示数（即烧杯中去离子水的减少量）为纵坐标绘制曲线（如图6）。
平行的，在同样规格的烧杯中加入20g的去离子水，液面上不使用气凝胶复合材料遮挡，烧杯放置于精度为0.1μg的天平上，并归零。光照强度为一个标准太阳光的氙灯位于烧杯之上，光源至液面的垂直距离是8cm。开始光照之后即开始计时，并以时间为横坐标，以天平示数（即烧杯中去离子水的减少量）为纵坐标绘制曲线（如图6）。
由图6可知，本发明提供的聚硅氧烷气凝胶复合材料具有高效的光吸收、光转化、水传输和水蒸发的特性，能够高效利用太阳能蒸发水蒸气。
实施例2至8制得的聚硅氧烷气凝胶复合材料具有相同的高效水蒸发性能，此处不再赘述。

Claims (10)

1.一种用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料，其特征在于，所述复合材料以铯掺杂三氧化钨纳米粉体为负载粉体，亲水聚硅氧烷气凝胶为支撑载体。
2.根据权利要求1所述的一种用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料，其特征在于：所述复合材料中铯掺杂三氧化钨纳米粉体含量为5-20%，亲水聚硅氧烷气凝胶含量为80-95%。
3.一种用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备亲水聚硅氧烷气凝胶：将疏水的聚硅氧烷气凝胶进行亲水改性，得亲水聚硅氧烷气凝胶；
制备树脂浆料：将铯掺杂三氧化钨纳米粉体、溶剂、树脂、分散剂和紫外吸收剂混合配置为树脂浆料；
制备用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料：将上述制得的亲水聚硅氧烷气凝胶浸入制得的树脂浆料中，浸泡30-100 min，充分吸附后，40~120oC烘干1~6h，得用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料。
4.根据权利要求3所述的一种用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：所述亲水改性的方法为：将硅酸四乙酯、去离子水以及乙醇混合均匀，用氨水调整上述混合溶液的pH为7~10；然后将疏水的聚硅氧烷气凝胶浸泡在上述溶液中，浸泡40min-5h后，60~120oC烘干1-48h，得亲水聚硅氧烷气凝胶。
5.根据权利要求4所述的一种用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：所述硅酸四乙酯、去离子水与乙醇的体积比为0.1~5:0.5~5:2~20。
6.根据权利要求4所述的一种用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：所述氨水的浓度为0.8~1.2M。
7.根据权利要求3所述的一种用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：所述亲水改性的方法为：将疏水的气凝胶放到管式炉中，抽真空后通入氮气，匀速升温，升温速度为2℃/min, 升至600℃~1000℃保温30min-6h，得亲水聚硅氧烷气凝胶。
8.根据权利要求3所述的一种用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：所述铯掺杂三氧化钨纳米粉体、溶剂、树脂、分散剂和紫外吸收剂的重量比为0.1-0.5:2-6:1-4:0.01-0.05:1；所述树脂浆料的固含量为0.9%~11.1%。
9.根据权利要求3或8任意一项所述的一种用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：所述溶剂为水，所述树脂为聚丙烯树脂，所述分散剂为BYK358N，所述紫外吸收剂为BYK1130。
10.用于高效水蒸发的聚硅氧烷气凝胶复合材料在海水淡化或者工业污水处理中的应用。
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