CN110511558B

CN110511558B - 一种基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料的制备方法

Info

Publication number: CN110511558B
Application number: CN201910821060.2A
Authority: CN
Inventors: 程喜全; 黄军辉; 王凯; 张瑛洁
Original assignee: Shandong Zhong'ou Membrane Technology Research Co ltd; Harbin Institute of Technology Weihai
Current assignee: Shandong Zhong'ou Membrane Technology Research Co ltd; Harbin Institute of Technology Weihai
Priority date: 2019-09-02
Filing date: 2019-09-02
Publication date: 2021-12-31
Anticipated expiration: 2039-09-02
Also published as: CN110511558A

Abstract

一种基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料的制备方法，它涉及一种材料的制备方法。本发明的目的是要解决现有方法利用光热转换制备的海水淡化材料除盐效率低的问题。方法：一、制备过硫酸铵和苯胺溶液；二、制备聚苯胺粉末；三、制备聚苯胺溶液；四、制备聚乙烯醇溶液；五、制备基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料粗品；六、优化处理，即得到基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料。本发明制备的能够聚氨酯泡沫材料充分孔径结构与聚乙烯醇凝胶的纳米通道，有效地降低水的蒸发潜热,大幅提升海水淡化效率。该海水淡化材料有较高的海水蒸发速率（2.0kg m^‑2 h^‑1）和除盐效率（99.9%），相比于传统的光热转换海水淡化材料而言，提高了25%。

Description

一种基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种海水淡化材料的制备方法。

背景技术

由于人口增长率的上升和生活水平的提高，以及工业和农业活动的扩大，对淡水资源需求日益增加。来自河流、地下水等现有淡水资源有限，面临日益增加的淡水需求，许多城市面临缺水危机。然而，地球上海水资源丰富，但海水含盐量高，不适合人类使用，也不适合工业和农业使用。为实现海水脱盐制备淡水，多年来，在多效蒸发、膜分离、冷冻、电渗析等技术的基础上发展了多种脱盐技术，其中最重要的两项技术是基于多级闪蒸技术（MSF）和反渗透（RO）工艺。然而，这些技术存在一个严重的弊端就是能耗高。其处理成本远远高于淡水的售价。

近年来，全球推广可持续性发展，可再生能源-太阳能越来越受到人们的重视，随之而来的光热转换技术也为海水淡化提供了重要的技术支撑。光热转换是指通过反射、吸收或其他方式把太阳辐射能集中起来，转换成足够高温度的过程。光热转换技术能够有效降低能耗，降低处理成本，成为海水淡化领域的研究热点。但是，现阶段由于技术的限制，光热转换效率较低，缺乏较好的海水淡化材料，不能够将太阳能有效地利用。

发明内容

本发明的目的是要解决现有方法利用光热转换制备的海水淡化材料除盐效率低的问题，而提供一种基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料的制备方法。

一种基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料的制备方法，具体是按以下步骤制备的：

一、制备过硫酸铵（A）和苯胺（B）溶液：首先将10-15 g过硫酸铵溶于300-500 ml去离子水中，记为溶液A。然后，将5-10 ml苯胺加入到600-1000 ml的去离子水中，超声处理90-120 min使其完全溶解，记为溶液B；

二、制备聚苯胺粉末：在搅拌下，将（1）中的溶液A和溶液B依次加入到含有3 L1.0-2.0 M HCl的烧杯中，反应5min后过滤。然后，用去离子水洗涤、过滤3次后得聚苯胺粉末。最后，将所得得聚苯胺粉末放入烘箱中50-70 ℃下干燥48-96 h得聚苯胺粉末；

三、制备聚苯胺溶液：将0.5-2 g聚苯胺加入到10-20 ml去离子水中，超声处理120-150 min得聚苯胺分散液；

四、制备聚乙烯醇（PVA）溶液：首先，将300-500ml去离子水加入三口烧瓶中，向其中加入25-45 g 聚乙烯醇粉末，60-90 ℃下搅拌至完全溶解。然后，冷却至室温后加入3-5ml戊二醛，室温搅拌2-4 h；

五、制备基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料粗品：向含有聚氨酯泡沫得容器中依次加入10-50 ml聚乙烯醇溶液、0-10 ml聚苯胺溶液和0.5-3 ml 1.2 M HCl溶液，凝胶化2-5h。凝胶化结束后将其浸泡在去离子水中8-12 h，得基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料粗品；

六、优化处理：将步骤五得到的基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料粗品在-20-10 ℃下冷冻，在20-40 ℃下解冻，重复10次。最后，将其冷冻干燥24-48 h，得基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料。

本发明优点：一、本发明利用聚乙烯醇（PVA）通过戊二醛进行化学交联，同时，通过重复地冻融过程进行物理交联，制备水凝胶，为海水淡化过程中的水提供通道。聚乙烯醇水凝胶是已知的具有较好吸水效果地水凝胶，其具有丰富的孔隙率，吸水溶胀率大，最重要的是成本低；二、本发明加入聚苯胺，聚苯胺中含有共轭大π键，能够降低电子跃迁所需要的能量，具有超快速的非线性光学响应，聚苯胺在吸光后能够使电子跃迁到激发态，激发态电子不稳定又降回到基态，并释放出热量，实现光热转换。另一方面，聚苯胺在经掺杂后能在价带与导带之间产生一个能带，从而迫使电子发生移动，降低了激发态能级，导致其吸收峰将红移到近红外区域，而近红外区域能量高，因此更有利于光热转换；三、本发明的海水淡化材料是在聚氨酯支撑体上制备的。聚氨酯泡沫机械性能好，密度小，能够使水凝胶有效地漂浮在水面上，增大吸光材料聚苯胺的吸光面积。此外，聚氨酯泡沫也是多孔材料，不会阻碍水分子的运动。四、本发明制备的基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料，其中水凝胶的多孔结构能够有效的降低水的切向阻力。聚苯胺能够将吸收的光能转换为热能传输给分子网格中的水，降低水的蒸发潜热，这种独特的热定位可实现海水蒸发速率2.0 kg m-2 h-1除盐效率为99.9%，较传统的光热转换海水淡化材料海水蒸发速率提高了25%。该材料展现出海水淡化方面的光明的应用前景，为我国海水资源的开发提供了技术支撑。

附图说明

图1是试验一制备的基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料2000（左）和10000（右）倍电镜扫描图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是一种基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料的制备方法，具体是按以下步骤制备的：

水凝胶(Hydrogel)是以水为分散介质的凝胶。具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基，亲水残基与水分子结合，将水分子连接在网状内部，而疏水残基遇水膨胀的交联聚合物。是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水。水凝胶有触变性、溶胀性、脱水收缩性和透过性。尤为重要的是，聚乙烯醇水凝胶有较高的润滑性，这使水分子受到的阻力减小，同时也具有高弹性、高强度和良好的生物相容性。水凝胶的这些特性为光热转换海水淡化奠定了基础。

聚苯胺，一种导电共轭聚合物，是由苯胺单体聚合而成。其具有良好的吸光性，并能将吸收的光能转化为热能，是一种新兴的高分子材料。聚苯胺吸收光能使电子发生跃迁，当电子返回基态时会伴随热量的产生，产生的热量可以精确地传输给水凝胶分子网络中的水分子，从而使得水分子蒸发，实现海水淡化，这一过程也被称为精准地热定位。这使得水的蒸发晗下降，提高水分蒸发速率。此外，聚苯胺吸收光谱范围广，基本对各种波长的光都有一定的吸收，这就决定了该材料具有较高的太阳能利用率。

聚氨酯泡沫是以异氰酸酯和聚醚为主要原料，在发泡剂、催化剂、阻燃剂等多种助剂的作用下，通过专用设备混合，经高压喷涂现场发泡而成的高分子聚合物。聚氨酯泡沫具有多孔性、低密度和高比强度。支撑起水凝胶的同时，也为水分子提供通道。聚氨酯泡沫的加入可以使水凝胶有效地漂浮在水面上，增加了吸光材料聚苯胺对太阳能地吸收，进一步促进了太阳能利用率，从而提高了水分蒸发速率。

本实施方式制备的海水淡化材料是以聚氨酯泡沫为支撑体，以水凝胶作为介质，以聚苯胺作为吸光材料的一种基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料，该材料在海水中具有较高的除盐效率，并且制备成本低，可实现大规模生产。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤三中所述的聚苯胺的质量为0.5-1.5 g。。其他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之一不同点是：步骤四中所述的聚乙烯醇粉末的质量为25-35 g。其他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点是：步骤五中所述的聚苯胺溶液为0-6 ml。其他与具体实施方式一至三相同。

采用下述试验验证本发明效果：

试验一：一种基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料的制备方法，具体是按以下步骤制备的：

一、制备过硫酸铵（A）和苯胺（B）溶液：首先将12 g过硫酸铵溶于350 ml去离子水中，记为溶液A。然后，将6 ml苯胺加入到600 ml的去离子水中，超声处理120 min使其完全溶解，记为溶液B；

二、制备聚苯胺粉末：在搅拌下，将（1）中的溶液A和溶液B依次加入到含有3 L 1.2M HCl的烧杯中，反应5min后过滤。然后，用去离子水洗涤、过滤3次后得聚苯胺粉末。最后，将所得得聚苯胺粉末放入烘箱中50℃下干燥48-96 h得聚苯胺粉末；

三、制备聚苯胺溶液：将1 g聚苯胺加入到10 ml去离子水中，超声处理120 min得聚苯胺分散液；

四、制备聚乙烯醇（PVA）溶液：首先，将300 ml去离子水加入三口烧瓶中，向其中加入30 g 聚乙烯醇粉末，90 ℃下搅拌至完全溶解。然后，冷却至室温后加入3.5 ml戊二醛，室温搅拌4 h；

五、制备基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料粗品：向含有聚氨酯泡沫得容器中依次加入15 ml聚乙烯醇溶液、4.5 ml聚苯胺溶液和0.75 ml 1.2 M HCl溶液，凝胶化2 h。凝胶化结束后将其浸泡在去离子水中12 h，得基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料粗品；

六、优化处理：将步骤五得到的基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料粗品在-15 ℃下冷冻，在30 ℃下解冻，重复10次。最后，将其冷冻干燥48 h，得基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料。

通过对本试验制备的基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料进行水分蒸发速率和除盐效率检测，可知海水蒸发速率为1.5 kg•m-2•h-1，除盐效率为99.9%。

采用扫描电子显微镜观察本试验制备的基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料。图1是试验一制备的基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料2000（左）和1万（右）倍电镜扫描图，通过图1可以看到，本试验制备的基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料具有明显的类海绵状孔隙，并且水凝胶具有很高的孔隙率，这些不仅为水分子提供了通道也加速了水分子的传输。

海水蒸发速率的测试是将基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料置于自制的含有盐水的容器中，并将其置于太阳光模拟器下，调节太阳通量为1 KW m-2，测试一定时间内水分减少量。

试验二：一种基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料的制备方法，具体是按以下步骤制备的：

一、制备过硫酸铵（A）和苯胺（B）溶液：首先将15 g过硫酸铵溶于500 ml去离子水中，记为溶液A。然后，将10 ml苯胺加入到1000 ml的去离子水中，超声处理120 min使其完全溶解，记为溶液B；

二、制备聚苯胺粉末：在搅拌下，将（1）中的溶液A和溶液B依次加入到含有3 L 2.0M HCl的烧杯中，反应5min后过滤。然后，用去离子水洗涤、过滤3次后得聚苯胺粉末。最后，将所得得聚苯胺粉末放入烘箱中70 ℃下干燥96 h得聚苯胺粉末；

三、制备聚苯胺溶液：将1.5 g聚苯胺加入到20 ml去离子水中，超声处理150 min得聚苯胺分散液；

四、制备聚乙烯醇（PVA）溶液：首先，将500ml去离子水加入三口烧瓶中，向其中加入45 g 聚乙烯醇粉末，90 ℃下搅拌至完全溶解。然后，冷却至室温后加入5 ml戊二醛，室温搅拌4 h；

五、制备基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料粗品：向含有聚氨酯泡沫得容器中依次加入50 ml聚乙烯醇溶液、10 ml聚苯胺溶液和3 ml 1.2 M HCl溶液，凝胶化5 h。凝胶化结束后将其浸泡在去离子水中12 h，得基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料粗品；

六、优化处理：将步骤五得到的基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料粗品在-20℃下冷冻，在40 ℃下解冻，重复10次。最后，将其冷冻干燥48 h，得基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料。

通过对本试验制备的基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料进行水分蒸发速率和除盐效率检测，可知海水蒸发速率为1.21 kg•m-2•h-1，除盐效率为99%。

试验三：一种基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料的制备方法，具体是按以下步骤制备的：

一、制备过硫酸铵（A）和苯胺（B）溶液：首先将10 g过硫酸铵溶于300 ml去离子水中，记为溶液A。然后，将8 ml苯胺加入到800 ml的去离子水中，超声处理90 min使其完全溶解，记为溶液B；

二、制备聚苯胺粉末：在搅拌下，将（1）中的溶液A和溶液B依次加入到含有3 L 1.0M HCl的烧杯中，反应5min后过滤。然后，用去离子水洗涤、过滤3次后得聚苯胺粉末。最后，将所得得聚苯胺粉末放入烘箱中60 ℃下干燥48 h得聚苯胺粉末；

三、制备聚苯胺溶液：将0.5 g聚苯胺加入到10 ml去离子水中，超声处理120 min得聚苯胺分散液；

四、制备聚乙烯醇（PVA）溶液：首先，将400 ml去离子水加入三口烧瓶中，向其中加入35 g 聚乙烯醇粉末，80 ℃下搅拌至完全溶解。然后，冷却至室温后加入4 ml戊二醛，室温搅拌2 h；

五、制备基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料粗品：向含有聚氨酯泡沫得容器中依次加入25 ml聚乙烯醇溶液、6 ml聚苯胺溶液和1.5 ml 1.2 M HCl溶液，凝胶化3 h。凝胶化结束后将其浸泡在去离子水中8 h，得基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料粗品；

六、优化处理：将步骤五得到的基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料粗品在-15 ℃下冷冻，在40 ℃下解冻，重复10次。最后，将其冷冻干燥36 h，得基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料。

通过对本试验制备的基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料进行水分蒸发速率和除盐效率检测，可知海水蒸发速率为（2.0kg m-2 h-1），除盐效率为99%。

Claims

1.一种基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料的制备方法，其特征在于基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料是按以下步骤制备的：

一、制备过硫酸铵（A）和苯胺（B）溶液：首先将10-15 g过硫酸铵溶于300-500 ml去离子水中，记为溶液A；然后，将5-10 ml苯胺加入到600-1000 ml的去离子水中，超声处理90-120min使其完全溶解，记为溶液B；

二、制备聚苯胺粉末：在搅拌下，将（1）中的溶液A和溶液B依次加入到含有3 L 1.0-2.0M HCl的烧杯中，反应5min后过滤；然后，用去离子水洗涤、过滤3次后得聚苯胺粉末；最后，将所得的聚苯胺粉末放入烘箱中50-70 ℃下干燥48-96 h得聚苯胺粉末；

三、制备聚苯胺溶液：将0.5-2 g聚苯胺加入到10-20 ml去离子水中，超声处理120-150min得聚苯胺分散液；

四、制备聚乙烯醇（PVA）溶液：首先，将300-500ml去离子水加入三口烧瓶中，向其中加入25-45 g 聚乙烯醇粉末，60-90 ℃下搅拌至完全溶解；然后，冷却至室温后加入3-5 ml戊二醛，室温搅拌2-4 h；

五、制备基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料粗品：向含有聚氨酯泡沫的容器中依次加入10-50 ml聚乙烯醇溶液、0-10 ml聚苯胺溶液和0.5-3 ml 1.2 M HCl溶液，凝胶化2-5 h；凝胶化结束后将其浸泡在去离子水中8-12 h，得基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料粗品，其中，聚苯胺溶液的加入量不为0 ml；

六、优化处理：将步骤五得到的基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料粗品在-20-10 ℃下冷冻，在20-40 ℃下解冻，重复10次；最后，将其冷冻干燥24-48 h，得基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料；

其中，所述聚氨酯泡沫为支撑体，所述聚乙烯醇通过戊二醛进行化学交联并通过重复地冻融过程进行物理交联以制备聚乙烯醇水凝胶作为介质，所述聚苯胺作为吸光材料；所述聚氨酯泡沫能够使水凝胶有效地漂浮在水面上，增大吸光材料聚苯胺的吸光面积且不会阻碍水分子的运动；所述聚乙烯醇水凝胶的多孔结构能够有效的降低水的切向阻力；所述聚苯胺能够将吸收的光能转换为热能传输给分子网格中的水，降低水的蒸发潜热，所述基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料的海水蒸发速率为2.0 kg· m^-2· h^-1，除盐效率为99.9%。

2.根据权利要求1所述的一种基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料的制备方法，其特征在于步骤三中所述的聚苯胺的质量为0.5-1.5 g。

3.根据权利要求1所述的一种基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料的制备方法，其特征在于步骤四中所述的聚乙烯醇粉末的质量为25-35 g。

4.根据权利要求1所述的一种基于聚氨酯泡沫的海水淡化材料的制备方法，其特征在于步骤五中所述的聚苯胺溶液为0-6 ml。