CN110984298B - 一种太阳能辅助空气制水材料的制备方法及其产品和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能辅助空气制水材料的制备方法及其产品和应用，属于空气制水技术领域，其制备方法，包括：(1)将沙子颗粒浸渍到碱性刻蚀液溶液中，烘干，得到处理后的沙子颗粒A；(2)将沙子颗粒A浸渍于氧化溶液中，烘干，得到处理后的沙子颗粒B；(3)将沙子颗粒B浸渍于具有光热转换性能的聚合物溶液中，烘干得到处理后的沙子颗粒C；(4)将沙子颗粒C浸渍于含有金属离子的盐溶液中进行离子掺杂，烘干，得到太阳能辅助空气制水材料。本发明所制备的太阳能空气制水材料具有材料来源广、制备简单、成本低、吸湿能力强、太阳利用率高、气候适应性强等优点，且不需要昂贵和复杂的实验设备，在干旱、沙漠地区具有广阔的应用前景。

Description

一种太阳能辅助空气制水材料的制备方法及其产品和应用
技术领域
本发明涉及空气制水技术领域，具体涉及一种太阳能辅助空气制水材料的制备方法及其产品和应用。
背景技术
水资源短缺，尤其是内陆地区的淡水资源短缺是制约社会经济进一步发展的重要影响因素，尽管一些成熟的净水技术(如反渗透和多级闪蒸)已经取得长足的发展，但是内陆地区由于其远离海洋或缺少天然水源，因此这些技术难以实施。作为全球淡水资源的一部分，大气中估计拥有约全球淡水资源的10％，这些水主要以水汽或雾气的状态存在，因此，如何从空气中捕获这些水，并将其转换成可饮用的淡水逐渐成为了一个亟需突破的课题。
空气集水技术，如雾气收集、露点收集，经过一段时间的发展，已经取得了长足的发展。
公开号为CN110080337A公开了一种雾气收集器，其结构包括支撑杆、底座、格栅网、网框和储水槽，通过格栅网对雾气进行冷凝收集，但是其收集水能力受到天气(雾天)的影响很大，不能普遍适用。
公开号为CN208072522U公开了一种空气制水机，其结构包括将外部空气中水蒸汽冷凝成水滴并储存的制水机主体和用于对所述外部空气流入所述制水机主体之前进行过滤处理的过滤装置，所述过滤装置设于所述制水机主体上。该发明通过人工制冷和多重过滤，实现对空气中水汽的收集，但是此类空气制水机需要消耗大量的能量(电能)，过滤装置需要定期更换，成本高。
公开号为CN108018910A公开了一种节能型空气集水装置，其结构包括内胆，集气装置，制冷装置，过滤装置、太阳能电池板，该发明利用太阳能电池给制冷块供电，然后制冷块将空气中的水蒸气进行制冷，然后利用过滤器将流入净水收集器里的水净化，以达到水蒸气可以饮用的目的，从效果而言，太阳能电池板的太阳能利用率低下限制了其制水效率。
公开号为CN109322347A公了一种基于湿气吸附的空气制水器，所述系统包括湿度吸附转轮、密封导风风道、发热体、抽风装置、密封换热风道、密封换热凝水单元、动力机构以及能源单元，该发明通过逐级吸附、脱附空气中的水气，逐步增加空气的湿度，最后将高湿空气中的水气冷凝成水。该空气制水器的制备过程繁琐，并可能会产生二次水体污染的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种太阳能辅助空气制水材料的制备方法及其产品和应用，该制备方法中通过调控聚合物材料的种类及聚合时间实现聚合物材料对天然沙子颗粒的包覆，得到太阳能辅助空气制水材料；所述的太阳能辅助空气制水材料由同时具有光热转换效应和吸湿性能的聚合物包覆层组成；所制备的太阳能辅助空气制水材料的气候适应性强，在较低的湿度下也能实现空气制水，且整个过程无需外界任何能量输入，具有较好的规模化制备应用前景。
一种太阳能辅助空气制水材料的制备方法，包括：
(1)将沙子颗粒浸渍到碱性刻蚀液溶液中，烘干，得到处理后的沙子颗粒A；
所述的沙子颗粒为海沙、沙漠沙、河沙和碎岩石颗粒中的一种；由于海沙来源性广，颗粒大小适中，易于与聚合物材料复合并且价格低廉，优选的，所述的沙子颗粒为海沙。
进一步优选，所述的沙子颗粒直径为10-2000μm；所述的沙子颗粒的粗糙度为1％-6％。
所述的碱性刻蚀溶液为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙的水溶液，由于氢氧化钠具有碱性强且成本低，优选的，所述的碱性刻蚀剂溶液为氢氧化钠的水溶液，通过对沙子颗粒的刻蚀，使得沙子颗粒的比表面积增大，使得沙子颗粒与粘合剂结合的面积增大，且不易脱落。
为了使沙子颗粒表面的刻蚀孔径的更加均匀，粘合剂的负载量更多，进一步优选，所述的碱性刻蚀剂溶液的浓度为20-30mg/mL；所述的浸渍时间为0.2-0.5h。
优选的，所述的烘干的温度为60-100℃，烘干时长为0.5-1h。
(2)将沙子颗粒A浸渍于氧化溶液中，烘干，得到处理后的沙子颗粒B；
由于沙子颗粒A的的表面经过碱的刻蚀后，沙子颗粒的比表面积增大，可吸附氧化剂，从而引发后续的氧化聚合，使得具有光热转换性能的聚合物与沙子颗粒牢固结合，所述的氧化溶液为次氯酸、高锰酸钾、双氧水或氯化铁的水溶液；由于氯化铁具有环保无毒特征且价格低廉，优选的，所述的氧化溶液为氯化铁的水溶液。
进一步优选，所述的氧化溶液的浓度为1-10mg/mL。
优选的，所述的浸渍时间为0.1-1h。
优选的，所述的烘干的温度为10-40℃，烘干时长为0.5-3h。
(3)将沙子颗粒B浸渍于具有光热转换性能的聚合物溶液中，烘干，得到处理后的沙子颗粒C。
所述的具有光热转换性能的聚合物溶液为聚吡咯及吡咯共聚物、聚苯胺及苯胺共聚物或聚噻吩及噻吩共聚物的有机溶液。
进一步优选，所述的吡咯共聚物、苯胺共聚物或噻吩共聚物为吡咯、苯胺或噻吩与聚丙烯酸、聚乙二醇、聚丙三醇、聚苯甲酸、聚乙烯醇或聚甲基丙烯酸二甲胺乙酯的共聚物。
由于分子量过小，聚合物的光热转换能力弱；分子量过大，聚合物的疏水性增强，会影响后续的太阳能辅助空气制水材料的制水效果，进一步优选，所述聚吡咯及吡咯共聚物、聚吡咯及吡咯共聚物或聚噻吩及噻吩共聚物的分子量均为1000-50000。
优选的，所述的具有光热转换性能的聚合物溶液中的有机溶剂为氯仿、二氯甲烷、甲苯、二甲苯、苯中的一种或几种。
进一步优选，所述的光热转换剂的浓度为1-5mg/mL。
优选的，所述的浸渍的时间为5-20h，浸渍的温度为10-50℃。
优选的，所述的烘干的温度为20-45℃，烘干时长为0.5-3h。
(4)将沙子颗粒C浸渍于含有金属离子的盐溶液中进行离子掺杂，烘干，得到太阳能辅助空气制水材料。
所述的盐溶液中含有的金属离子作为凝聚核，可使潮湿空气聚集，达到空气制水的目的，所述的盐溶液为氯化钙、氯化铁、氯化铜、氯化钾、硫酸钾、硫酸铁或硫酸铜的水溶液。
由于氯化铁成本低，效果好，优选的，所述的含有金属离子的盐溶液为氯化铁的水溶液；进一步优选，所述的盐溶液的浓度为1-5mg/mL。
优选的，所述的浸渍的时间为2-3h，浸渍的温度为10-40℃。
优选的，所述的烘干的温度为20-45℃，烘干时长为1-2h。
本发明还提供了一种由上述制备方法制备得到的太阳能辅助空气制水材料，所述的太阳能辅助空气制水材料中利用聚合物材料对沙子颗粒的完全包覆形成聚合物包覆层，并对聚合物包覆层进行金属离子掺杂，使其同时具有光热转换能力和吸湿性。
没有光照的条件下，通过太阳能辅助空气制水材料掺杂的金属离子对空气中水蒸气进行吸附，凝结；在有光照的条件下，通过太阳能辅助空气制水材料的光热转换效应，将吸附的水进行蒸发收集，从而得到纯化水。
本发明还提供了一种太阳能辅助空气制水材料的应用，可在偏远内陆地区，沙漠地区，利用其昼夜温差而形成的湿度，而进行空气制水。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明所制备的太阳能辅助空气制水材料同时具有光热转换能力和吸湿性；在太阳光照下，将其应用于空气制水实验中，水蒸发能力能够达到1.2kg/m2/h；吸湿能力最高能够达到87kg/m3/day。
(2)本发明所制备的太阳能辅助空气制水材料制得的纯净水，其钾、钙、钠、镁四种主要离子含量均符合世界卫生组织(WHO)规定的饮用水标准。
(3)本发明所制备的太阳能辅助空气制水材料的气候适应性强，在较低的湿度下也能实现空气制水，且整个过程无需外界任何能量输入。
(4)本发明所制备的太阳能辅助空气制水材料制备方法工艺简单，原材料来源广，无需昂贵的制备仪器、高温作用和催化剂，耗时少，具有较好的规模化制备应用前景。
附图说明
图1为本发明所制备的太阳能辅助空气制水材料的制备示意图。
图2为本发明所制备的太阳能辅助空气制水材料的应用示意图。
图3为本发明实施案例1中所制备太阳能辅助空气制水材料的宏观与微观图；其中，A图为所制备制水材料的宏观外貌图，B图为微米尺度外貌图；C图为纳米尺度外貌图。
图4为本发明实施案例1中所制备太阳能辅助空气制水材料表面元素分析图。
图5为本发明实施案例1中所制备太阳能辅助空气制水材料在不同湿度中的吸水量统计图；其中，1为太阳能辅助空气制水材料的吸水量曲线；2为是未修饰的海沙的吸水量曲线。
图6为本发明实施案例1中所制备太阳能辅助空气制水材料的释水速度统计图；其中，1为太阳能辅助空气制水材料材料的释水速度统计图；2为没有修饰海沙的释水速度统计图；3为纯海水蒸发量速度统计图。
图7为本发明实施案例1中所制备太阳能辅助空气制水材料所制备的水中离子的浓度统计表。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
如图1所示，本实施例所制备的太阳能辅助空气制水材料的制备示意图；
(1)将体积为500cm3、粗糙度为1％、颗粒大小为100-500μm的海沙颗粒浸入浓度为20mg/mL的氢氧化钠溶液中，浸泡时间为10min，随后在25℃条件下烘干2h，得到处理后的海沙颗粒A；
(2)将海沙颗粒A浸入到5mg/ml的氯化铁水溶液中，在30℃下浸泡0.5h，随后在20℃条件下烘干3h，得到处理后的海沙颗粒B；
(3)将海沙颗粒B浸入到2.5mg/mL、分子量为12000的聚吡咯的氯仿溶液中，在50℃浸泡9h，随后在20℃条件下烘干3h，得到处理后的海沙颗粒C；
(4)将步骤海沙颗粒C浸入到5mg/ml的氯化铁水溶液中，在30℃浸泡2h，随后在20℃条件下烘干3h，得到所述的太阳能辅助空气制水材料。
如图2示，本实施例所制备的太阳能辅助空气制水材料的应用示意图，由于本实施例所制备的太阳能辅助空气制水材料具有强的吸湿性，可在无太阳光照射期间(夜间)吸收空气中的湿气，然后在太阳光照射期间(白天)，将其转移至以密封容器内，得益于其光热转换能力，可加热前期吸收的湿气，形成水蒸气。形成的水蒸气上升，在玻璃板处冷凝，从而得到纯化水。
通过被本实施例所制备的太阳能辅助空气制水材料进行形貌、表面元素、吸水速度、释水速度、所制水离子浓度等性能进行表征。
如图3所示，本施案例所制备太阳能辅助空气制水材料的宏观与微观图，A图为所制备制水材料的宏观外貌，可以看到材料整个表面呈现黑色；B图、C图分别为微米尺度外貌和纳米尺度外貌，可以看到表面已被聚合物包裹。
如图4所示，通过对本案例所制备太阳能辅助空气制水材料表面元素分析，出现Fe和Cl离子的峰，证明离子对聚合物层的成功掺杂。
如图5所示，本发明实施案例1中所制备太阳能辅助空气制水材料在不同湿度中的吸水量统计图；其中，1为太阳能辅助空气制水材料的吸水量曲线，在35％，45％，58％，68％，97％的相对湿度下，吸水能力分别能达到1.19，3.63，4.40，6.62，8.73kg/m3/h；2为是未修饰的海沙的吸水量曲线，在相同相对湿度下，没有修饰的海沙颗粒的吸水能力分别只有0.06，0.10，0.30，0.34，0.68kg/m3/h。
如图6所示，本发明实施案例1中所制备太阳能辅助空气制水材料的释水速度统计图；其中，1为太阳能辅助空气制水材料材料的释水速度统计图；2为没有修饰海沙的释水速度统计图；3为纯海水蒸发量速度统计图；本实施例所制备的太阳能辅助的空气制水材料的释水速度，在太阳照射下，达到1.1kg/m-2；与没有修饰的海沙颗粒相比，释水速度提高1.6倍；与纯海水相比，释水速度提高2.8倍。
如图7所示，本实施例所制备的太阳能辅助空气制水材料所制的水中金属离子钠、钾、镁、钙四种离子的含量分别为0.55，0.51，0.70，1.19mg/L，符合WHO的饮用的标准。
实施例2
(1)将体积为500cm3、粗糙度为1％、颗粒大小为100-500μm的海沙颗粒浸入浓度为20mg/mL的氢氧化钾溶液中，浸泡时间为10min，随后在25℃条件下烘干2h，得到处理后的海沙颗粒A；
(2)将海沙颗粒A浸入到5mg/ml的氯化铁水溶液中，在30℃下浸泡0.5h，随后在20℃条件下烘干3h，得到处理后的海沙颗粒B；
(3)将海沙颗粒B浸入到2.5mg/mL、分子量为12000的聚吡咯的氯仿溶液中，在50℃浸泡9h，随后在20℃条件下烘干3h，得到处理后的海沙颗粒C；
(4)将步骤海沙颗粒C浸入到5mg/ml的氯化铁水溶液中，在30℃浸泡2h，随后在20℃条件下烘干3h，得到所述的太阳能辅助空气制水材料。
对本实施例所制备的太阳能辅助空气制水材料进行形貌、表面元素、吸水速度、释水速度、所制水离子浓度等性能进行表征。
结果表明，本实施例所制备的太阳能辅助空气制水材料在35％，45％，58％，68％，97％的相对湿度下，吸水能力分别能达到1.18，3.62，4.39，6.61，8.72kg/m3/h；而在相同湿度下，没有修饰的海沙颗粒的吸水能力分别只有0.06，0.10，0.30，0.34，0.68kg/m3/h；其释水速度为1.09kg/m-2，与没有修饰的海沙颗粒相比，释水速度提高1.6倍，与纯海水相比，释水速度提高2.7倍。
本实施例所制备的太阳能辅助空气制水材料所制的水中钠、钾、镁、钙四种离子的含量分别为0.57，0.57，0.77，1.17mg/L-1,均符合WHO的饮用的标准。
实施例3
(1)将体积为500cm3、粗糙度为1％、颗粒大小为100-500μm的海沙颗粒浸入浓度为20mg/mL的氢氧化钠溶液中，浸泡时间为10min，随后在25℃条件下烘干2h，得到处理后的海沙颗粒A；
(2)将海沙颗粒A浸入到5mg/ml的高锰酸钾水溶液中，在30℃下浸泡0.5h，随后在20℃条件下烘干3h，得到处理后的海沙颗粒B；
(3)将海沙颗粒B浸入到2.5mg/mL、分子量为12000的聚吡咯的氯仿溶液中，在50℃浸泡9h，随后在20℃条件下烘干3h，得到处理后的海沙颗粒C；
(4)将步骤海沙颗粒C浸入到5mg/ml的氯化铁水溶液中，在30℃浸泡2h，随后在20℃条件下烘干3h，得到所述的太阳能辅助空气制水材料。
对本实施例所制备的太阳能辅助空气制水材料进行形貌、表面元素、吸水速度、释水速度、所制水离子浓度等性能进行表征。
结果表明，本实施例所制备的太阳能辅助空气制水材料在35％，45％，58％，68％，97％的相对湿度下，吸水能力分别能达到1.17，3.61，4.35，6.55，8.70kg/m3/h；而在相同湿度下，没有修饰的海沙颗粒的吸水能力分别只有0.06，0.10，0.30，0.34，0.68kg/m3/h；其释水速度为1.05kg/m-2，与没有修饰的海沙颗粒相比，释水速度提高1.6倍，与纯海水相比，释水速度提高2.7倍。
本实施例所制备的太阳能辅助空气制水材料所制的水中钠、钾、镁、钙四种离子的含量分别为0.56，0.57，0.67，1.16mg/L-1,均符合WHO的饮用的标准。
实施例4
(1)将体积为500cm3、粗糙度为1％、颗粒大小为100-500μm的海沙颗粒浸入浓度为20mg/mL的氢氧化钠溶液中，浸泡时间为10min，随后在25℃条件下烘干2h，得到处理后的海沙颗粒A；
(2)将海沙颗粒A浸入到5mg/ml的氯化铁水溶液中，在30℃下浸泡0.5h，随后在20℃条件下烘干3h，得到处理后的海沙颗粒B；
(3)将海沙颗粒B浸入到2.5mg/mL、分子量为15000的吡咯-丙烯酸共聚的氯仿溶液中，在50℃浸泡9h，随后在20℃条件下烘干3h，得到处理后的海沙颗粒C；
(4)将步骤海沙颗粒C浸入到5mg/ml的氯化铁水溶液中，在30℃浸泡2h，随后在20℃条件下烘干3h，得到所述的太阳能辅助空气制水材料。
对本实施例所制备的太阳能辅助空气制水材料进行形貌、表面元素、吸水速度、释水速度、所制水离子浓度等性能进行表征。
结果表明，本实施例所制备的太阳能辅助空气制水材料在35％，45％，58％，68％，97％的相对湿度下，吸水能力分别能达到1.10，3.50，4.00，6.02，8.03kg/m3/h；而在相同湿度下，没有修饰的海沙颗粒的吸水能力分别只有0.06，0.10，0.30，0.34，0.68kg/m3/h；其释水速度为1.06kg/m-2，与没有修饰的海沙颗粒相比，释水速度提高1.6倍，与纯海水相比，释水速度提高2.7倍。
本实施例所制备的太阳能辅助空气制水材料所制的水中钠、钾、镁、钙四种离子的含量分别为0.57，0.57，0.77，1.17mg/L-1,均符合WHO的饮用的标准。
实施例5
(1)将体积为500cm3、粗糙度为4％、颗粒大小为1000-2000μm的碎岩石颗粒浸入浓度为20mg/mL的氢氧化钠溶液中，浸泡时间为10min，随后在25℃条件下烘干2h，得到处理后的海沙颗粒A；
(2)将海沙颗粒A浸入到5mg/ml的氯化铁水溶液中，在30℃下浸泡0.5h，随后在20℃条件下烘干3h，得到处理后的海沙颗粒B；
(3)将海沙颗粒B浸入到2.5mg/mL、分子量为15000的吡咯-丙烯酸共聚的氯仿溶液中，在50℃浸泡9h，随后在20℃条件下烘干3h，得到处理后的海沙颗粒C；
(4)将步骤海沙颗粒C浸入到5mg/ml的氯化铁水溶液中，在30℃浸泡2h，随后在20℃条件下烘干3h，得到所述的太阳能辅助空气制水材料。
对本实施例所制备的太阳能辅助空气制水材料进行形貌、表面元素、吸水速度、释水速度、所制水离子浓度等性能进行表征。
结果表明，本实施例所制备的太阳能辅助空气制水材料在35％，45％，58％，68％，97％的相对湿度下，吸水能力分别能达到1.08，3.40，3.98，5.99，7.93kg/m3/h；而在相同湿度下，没有修饰的碎岩石颗粒的吸水能力分别只有0.04，0.08，0.20，0.26，0.27kg/m3/h；其释水速度为1.08kg/m-2，与没有修饰的海沙颗粒相比，释水速度提高1.65倍，与纯海水相比，释水速度提高2.6倍。
本实施例所制备的太阳能辅助空气制水材料所制的水中钠、钾、镁、钙四种离子的含量分别为0.50，0.58，0.77，1.17mg/L-1，均符合WHO的饮用的标准。

Claims (10)

1.一种太阳能辅助空气制水材料的制备方法，其特征在于，包括：
（1）将沙子颗粒浸渍到碱性刻蚀液溶液中，烘干，得到处理后的沙子颗粒A；
所述的碱性刻蚀剂溶液的浓度为20-30 mg/mL；所述的浸渍时间为0.2-0.5 h；（2）将沙子颗粒A浸渍于氧化溶液中，烘干，得到处理后的沙子颗粒B；
（3）将沙子颗粒B浸渍于具有光热转换性能的聚合物溶液中，烘干得到处理后的沙子颗粒C；
（4）将沙子颗粒C浸渍于含有金属离子的盐溶液中进行离子掺杂，烘干，得到太阳能辅助空气制水材料。
2.根据权利要求1所述的太阳能辅助空气制水材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述的沙子颗粒直径为10-2000μm，粗糙度为1%-6%。
3.根据权利要求1所述的太阳能辅助空气制水材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述的碱性刻蚀溶液为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙的水溶液。
4.根据权利要求1所述的太阳能辅助空气制水材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述的氧化溶液为次氯酸、高锰酸钾、双氧水或氯化铁的水溶液。
5.根据权利要求1所述的太阳能辅助空气制水材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述的具有光热转换性能的聚合物溶液为聚吡咯及吡咯共聚物、聚苯胺及苯胺共聚物或聚噻吩及噻吩共聚物的有机溶液。
6.根据权利要求5所述的太阳能辅助空气制水材料的制备方法，其特征在于，所述聚吡咯及吡咯共聚物、聚苯胺及苯胺共聚物或聚噻吩及噻吩共聚物的分子量为1000-50000。
7.根据权利要求5所述的太阳能辅助空气制水材料的制备方法，其特征在于，所述的具有光热转换性能的聚合物溶液中的有机溶剂为氯仿、二氯甲烷、甲苯、二甲苯、苯中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的太阳能辅助空气制水材料的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，所述的盐溶液为氯化钙、氯化铁、氯化铜、氯化钾、硫酸钾、硫酸铁或硫酸铜的水溶液。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到的太阳能辅助空气制水材料。
10.一种根据权利要求9所述的太阳能辅助空气制水材料在空气制水方面的应用。
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