CN111074534B - 一种三维多孔海水淡化热蒸发材料、其制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维多孔海水淡化热蒸发材料、其制备方法及应用。所述三维多孔海水淡化热蒸发材料包括具有三维多孔支撑结构的织物材料、具有光热转换效应的聚合物材料以及具有抗菌性能的纳米复合材料，所述聚合物材料和纳米复合材料均匀分布于三维多孔支撑结构内。所述制备方法包括：将具有三维多孔支撑结构的织物材料依次与氧化剂的溶液、聚合物材料溶液和纳米复合材料溶液接触，反应获得三维多孔海水淡化热蒸发材料。本发明的海水淡化热蒸发材料具有孔径可控、耐候性强、力学性能优异、抗菌性好、高淡化率和高截留率等优点，并且制备工艺简单、成本低廉、可大面积制备，且不需昂贵和复杂的实验设备，在海水淡化领域具有广阔的应用前景。

Description

一种三维多孔海水淡化热蒸发材料、其制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种新材料，特别涉及到一种三维多孔海水淡化热蒸发材料及其制备方法与应用，属于材料技术和海水淡化领域。
背景技术
水是生命的源泉，是支撑经济、社会发展的必需资源。随着我国经济社会的快速发展和城市化进程的不断推进，水资源总量短缺和时空匹配矛盾日益突出，特别在沿海地区和海岛，水资源缺乏已成为制约经济社会发展的瓶颈之一。全球超过十亿人缺乏淡水，相关学者推算，到2025年将有三分之二的世界人口面临缺乏淡水。与此同时，海水资源非常丰富，如何将海水淡化成饮用水是人类一直追求的目的。海水淡化作为稳定的水资源增量技术，是解决我国沿海和临海地区水资源供需矛盾、优化水资源结构和保障供水安全的重要战略选择。
常用的海水淡化途径过滤法，但是从经济效益方面考虑，其所需的过滤材料需经常更换，成本高、技术难度大、耗能大、经济负担重，从处理效果考虑，其依旧存在结垢和细菌污染的问题，致使水通量快速下降，缩短膜寿命，并且在极端情况下材料表面形成的初级和次级病原体群还会造成水质污染，不利于饮水安全保障。
专利CN104941461A公布了一种海水淡化用纳滤膜的制备方法，其结构包括无纺布层、聚砜多孔支撑层、超薄多孔过渡层和聚酰胺交联网络脱盐层；在聚砜多孔支撑层和聚酰胺交联网络脱盐层之间具有厚度为5～10微米的超薄多孔过渡层；还涉及纳滤膜的制备方法，包括聚砜多孔支撑层的制备、超薄多孔过渡层的制备、聚酰胺交联网络脱盐层的制备步骤。该制备方法从效果而言，膜的耐候性能并没有涉及。
专利CN107812452A公布了一种海水淡化膜及其制备方法，包括以下步骤：A、制备成膜剂：取丁二烯苯乙烯共聚物溶解于溶剂中，静置至形成透明胶状物，所述透明胶状物为成膜剂；B、取溶剂，高速搅拌，将物料投入至所述溶剂中，高速分散；所述物料为：纳米级二氧化锰；碳纳米管；纳米级导电黑粒；C、将步骤A得到的成膜剂投入所述步骤B中，高速分离20～40min，得到纳米混合物；D、将步骤C的纳米混合物涂布于骨架上，通风，干燥，得到海水淡化膜；其中，上述的溶剂为苯类、酮类、酯类、醚类中任意一种。该制备方法中原料成分复杂，制备过程繁琐，并且使用的有机溶剂依旧会产生二次水体污染的问题，这制约着海水淡化膜材料的发展。
专利CN105833749A公布了一种新型抗生物污染的聚酰胺反渗透复合膜的制备方法。通过原子转移自由基聚合对聚酰胺反渗透膜进行接枝改性并负载杀菌粒子。专利CN105833749A公布了一种新型抗生物污染的聚酰胺反渗透复合膜，其制备方法是通过原子转移自由基聚合对聚酰胺反渗透膜进行接枝改性并负载杀菌粒子，得到兼具抗生物附着和具有抗菌性的复合反渗透膜。由于上述2个专利负载杀菌性的银纳米粒子在长期暴露空气中会被氧化，降低抗菌性能。
专利CN108018641A公开了一种三维中空结构电热蒸发织物，其包括电热蒸发层、漂浮层，两者之间存在间隙且通过间隔纱结合为一体，设有间隔纱的间隙构成隔热导水层；电热蒸发层由电热蒸发层纬纱、电热蒸发层经纱构成，漂浮层由漂浮层经纱、漂浮层纬纱构成。专利CN108035050A公开了一种三维多层填充电热蒸发织物、制备方法及应用。所述织物包括依次复合的电热蒸发层、漂浮隔热层、吸水层，三者通过捆绑纱相互交织结合为一体。制备方法为：按照纱线的选择方案排布各层经纱和捆绑纱；引入各层纬纱；引入漂浮嵌入材料；捆绑纱相互交织，将各层织造成一体。将所述电热蒸发层中的电热纤维的两端连接电极，利用电热纤维产生的热量将电热蒸发层中的水分加热蒸发。专利CN108035051A公开了一种线圈结构多层中空电热蒸发织物，其特征在于，由蒸发层、电热层、隔热导水层及漂浮层组成，蒸发层、电热层、隔热导水层及漂浮层通过不同的功能纤维织造成为一个整体。专利CN108166126A公开了三维结构电热蒸发织物的制备方法，所述织物包括依次复合的电热蒸发层、漂浮隔热层、吸水层，三者通过捆绑纱结合为一体。制备方法为：按照纱线的选择方案排布经纱；引入各层纬纱；捆绑纱相互交织将各层经纬纱织造成一体；步进电机卷取；经过多次循环后下机。将电热蒸发层中电热纤维的两端连接电极，利用电热纤维产生的热量将电热蒸发层的水分加热蒸发。专利CN108035036A公开了一种三维多层中空结构电热蒸发织物，所述织物包括依次复合的蒸发层、电热层、隔热导水层及漂浮层，四者通过间隔纱结合为一体。制备方法为：开动引纬装置，引入各层纬纱；单组综框运动带动各层经纱同步交织，实现蒸发层、电热层、隔热导水层和漂浮层的织造；放入高度为间隔片，双组综框运动带动间隔纱相互交织，构成间隔层；打纬，并通过步进电机卷取，即获得三维多层结构电热蒸发织物。将电热层中电热纤维的两端连接电极，利用电热纤维产生的热量将蒸发层加热，使水分蒸发。专利CN108018642A公布了一种线圈结构多层填充电热蒸发织物、制造方法，其特征在于，由蒸发层、电热层、漂浮隔热层及吸水层组成，蒸发层、电热层、漂浮隔热层及吸水层通过不同的功能纤维和材料织造成为一个整体。上述现有专利都是采用砂布织造的方式，且利用电热加速水分的蒸发，成本加大，另外，并没有涉及到对海水中腐蚀性细菌的处理。德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华等人发展了一种具有分级纳米结构的凝胶用于海水蒸发，其蒸发效率在一个太阳下能够达到3.2kg/m2/h，但是其的材料强度仅有104Pa,并且制备过程要经过10次冷冻干燥，比较复杂。
阿卜杜拉国王科技大学的王鹏等人通过将氧化石墨烯和碳管的混合液抽滤的方法获得了发展了一种3D结构的海水蒸发器，但是其在一个太阳下效率仅能达到1.59kg/m2/h。
南京大学朱嘉教授课题组利用海水蒸发过程中的所产生的蒸汽放出的热量，将收集容器中的灭菌(Advanced Materials，DOI:10.1002/adma.201805159)，但是，其对海水中的细菌没有抑制作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维多孔海水淡化热蒸发材料，以克服现有技术的不足。
本发明的又一目的在于提供所述三维多孔海水淡化热蒸发材料的制备方法。
本发明的还有一目的在于提供所述三维多孔海水淡化热蒸发材料的应用。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种三维多孔海水淡化热蒸发材料，其包括具有三维多孔支撑结构的织物材料、具有光热转换效应的聚合物材料以及具有抗菌性能的纳米复合材料，所述聚合物材料和纳米复合材料均匀分布于所述三维多孔支撑结构内。
本发明实施例还提供了一种三维多孔海水淡化热蒸发材料的制备方法，其包括：将具有三维多孔支撑结构的织物材料依次与氧化剂的溶液、聚合物材料溶液和纳米复合材料溶液接触，反应获得所述的三维多孔海水淡化热蒸发材料。
在一些实施例中，所述制备方法具体包括：
(1)将具有三维多孔支撑结构的织物材料浸渍于氧化剂的溶液中，取出干燥；
(2)将步骤(1)所获织物材料浸渍于聚合物材料溶液中，取出干燥；
(3)将步骤(2)所获织物材料置于纳米复合材料溶液中进行聚合反应，之后取出干燥，获得所述的三维多孔海水淡化热蒸发材料。
本发明实施例还提供了前述三维多孔海水淡化热蒸发材料于海水淡化领域的用途。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明提供的三维多孔海水淡化热蒸发材料通过调控织物的纹理结构和材质、光热转换效应的聚合物体系的高分子链结构、纳米粒子的组成、形貌及用量，可以实现三维多孔海水热蒸发材料的形貌清晰、厚度和孔径等尺寸精确可控；
2)本发明提供的三维多孔海水淡化热蒸发材料通过调节材料的组成、反应条件、孔隙率的大小等，所制备的三维多孔海水热蒸发材料的抗拉强度大于3500MPa，弹性模量大于240GPa，优于市场碳纤维织物的力学性能；
3)本发明提供的三维多孔海水淡化热蒸发材料具有较好的耐候性，在高温、低温、高浓度盐、强酸、强碱环境中处理24h后，抗拉强度和弹性模量保持；
4)本发明通过加入具有抗菌性能的功能纳米粒子组分，所制备的三维多孔海水热蒸发材料具有较好的抗菌性，针对厌氧菌和好氧菌的破坏率分别达95％及98％以上；
5)本发明提供的三维多孔海水淡化热蒸发材料的蒸发量至少大于3.5kg/m2/h，高于目前所报道的海水蒸发材料；
6)本发明提供的三维多孔海水淡化热蒸发材料对含有不同离子(Na+、Ca2+、Mg2+、K+、Sr2+、B3+)不同浓度(10-10000mg/L)的海水溶液均具有99.95％以上的截留率；
7)本发明提供的三维多孔海水淡化热蒸发材料的制备方法工艺简单，对环境因素要求低，原料价格低廉，可大面积制备，且无需昂贵和复杂的制备仪器、高温作用和催化剂，耗时少，将会在海水淡化领域具有较好的规模化、广阔的应用前景。
附图说明
图1a是本发明一典型实施方案之中一种三维多孔海水淡化热蒸发材料的三维多孔结构示意图。
图1b是本发明一典型实施方案之中一种三维多孔海水淡化热蒸发材料用于海水淡化过程的示意图。
图2a是本发明实施例1所制备的三维多孔海水淡化热蒸发材料的三维多孔结构示意图，图2b和图2c是图2a的放大图。
图3a是本发明实施例2所制备的三维多孔海水淡化热蒸发材料的三维多孔结构示意图，图3b和图3c是图3a的放大图。
图4a是本发明实施例3所制备的三维多孔海水淡化热蒸发材料的三维多孔结构示意图，图4b和图4c是图4a的放大图。
图5a是本发明实施例4所制备的三维多孔海水淡化热蒸发材料的三维多孔结构示意图，图5b和图5c是图5a的放大图。
图6是本发明实施例1所制备的三维多孔海水淡化热蒸发材料的图片。
图7a和图7b分别是将本发明实施例1所制备的三维多孔海水淡化热蒸发材料浸入到浓硫酸及高浓度盐溶液体系中的示意图。
图8a-图8c是将本发明实施例4所制备的三维多孔海水淡化热蒸发材料浸入到表面活性剂溶液体系中的过程示意图。
图9是本发明实施例1和实施例2中所制备的三维多孔海水淡化热蒸发材料对紫外光的吸收率结果示意图。
图10a和图10b是本发明实施例1所制备的三维多孔海水淡化热蒸发材料用于海水淡化实验，不同浓度的离子的截留率示意图。
图11是本发明对照例3中分级纳米结构的凝胶的力学性能示意图。
图12是本发明对照例4中氧化石墨烯和碳管的混合液抽滤薄膜的对太阳光的海水淡化量示意图。
图13是本发明对照例5中海水淡化的同时实现接收容器中的灭菌过程示意图。
具体实施方式
鉴于当前海水淡化材料效率低、寿命低等问题，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
作为本发明技术方案的一个方面，其所涉及的系一种三维多孔海水淡化热蒸发材料，如图1a和图1b所示，所述三维多孔海水淡化热蒸发材料包括具有三维多孔支撑结构的织物材料、具有光热转换效应的聚合物材料以及具有抗菌性能的纳米复合材料，所述聚合物材料和纳米复合材料均匀分布于所述三维多孔支撑结构内。
所述三维多孔海水淡化热蒸发材料具有三维多孔结构，利于水汽运输与传递。
在一些实施例中，所述织物材料包括棉、麻和棉的复合材料、毛和棉的复合材料或涤和棉的复合材料，优选为强度极高、吸湿、导热、透气性好的棉织物，但不仅限于此。
进一步地，所述织物材料的纹理包括平纹、斜纹、缎纹或蜂窝状纹等，优选为具有孔径可控、力学性能优异、结构稳定、隔热性好的蜂窝状纹的织物，但不仅限于此。
进一步地，所述蜂窝状织物的形状包括正方形、菱形、正弦曲线形、六边形等不同的形状，以满足海水淡化工艺的需要。
在一些实施例中，所述具有光热转换效应的聚合物材料包括聚吡咯衍生物、聚苯胺衍生物等，但不仅限于此。
进一步地，所述聚吡咯衍生物包括聚吡咯与高分子材料的共聚物和/或掺杂聚吡咯，所述聚苯胺衍生物包括聚苯胺与高分子材料的共聚物和/或掺杂聚苯胺。
进一步地，共聚的高分子材料包括聚丙烯酸、聚乙二醇、聚丙三醇、聚苯甲酸、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸二甲胺乙酯等极性高分子中的任意一种或两种以上的组合，但不仅限于此。
进一步地，所述掺杂聚吡咯或掺杂聚苯胺中所含掺杂元素包括N、S、Si、Bi、Ti、P等中的任意一种或两种以上的组合，但不仅限于此。
进一步地，所述聚吡咯衍生物的数均分子量为10000～100000。
进一步地，所述聚苯胺衍生物的数均分子量为5000～50000。
在一些实施例中，所述具有抗菌性能的纳米复合材料包括改性银纳米粒子、改性二氧化钛纳米粒子和改性氧化锌纳米粒子等中的任意一种或两种以上的组合，但不仅限于此。
进一步地，所述纳米复合材料中纳米粒子的尺寸为5～20nm，尤其优选为8～12nm。
进一步地，对不同纳米粒子进行改性的方法包括不同尺寸、不同形貌的金纳米粒子界面修饰，形成具非对称结构的纳米复合材料，以提高抗菌性纳米粒子的抗菌性能和耐候性。亦即，所述纳米复合材料包括金纳米粒子界面修饰的、具有非对称结构的纳米复合材料。
进一步地，所述金纳米粒子的形貌包括棒状、球状、星状、指南针状等，优选指南针状，但不仅限于此。
进一步地，所述金纳米粒子的尺寸在5～30nm之间，纳米粒子的尺寸影响抗菌性能的优异，尺寸太小，容易团聚，尺寸太大，抗菌性能和耐候性减弱，因此优选13～17nm。
在一些实施例中，所述三维多孔海水淡化热蒸发材料的厚度为5～50μm，精确度为1～5μm。进一步地，所述三维多孔海水淡化热蒸发材料所含孔的孔径为50～150nm，精确度为5～10nm。在一些实施例中，所述三维多孔海水淡化热蒸发材料具有较高的力学性能，通过调节材料的组成、反应条件、孔隙率的大小等，其抗拉强度大于3500MPa，弹性模量大于240GPa，优于市场碳纤维织物的力学性能。
进一步地，所述三维多孔海水淡化热蒸发材料具有较好的耐候性，在高温(50～450℃)、低温(-50～0℃)、高浓度盐(盐浓度为0.1mol/L～10mol/L)、强酸(浓度为0.1～1mol/L的盐酸溶液)、强碱(浓度为0.1～2mol/L的氢氧化钠溶液)等环境中处理24h后，仍保持抗拉强度大于3500MPa，弹性模量大于240Gpa。
进一步地，所述三维多孔海水淡化热蒸发材料具有较好的抗菌性，针对厌氧菌、好氧菌的破坏率分别达95％及98％以上。
进一步地，所述三维多孔海水淡化热蒸发材料的蒸发量至少大于3.5kg/m2/h，高于目前所报道的海水蒸发材料。
进一步地，所述三维多孔海水淡化热蒸发材料对不同浓度的离子(10～10000mg/L)均具有99.95％以上的截留率，所包含的离子包括Na+、Ca2+、Mg2+、K+、Sr2+、B3+等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
进一步地，所述三维多孔海水淡化热蒸发材料可以大面积连续制备，对设备及环境的要求较低，具有广阔的工业化前景。
本发明通过调控织物的纹理结构和材质、光热转换效应的聚合物体系的高分子链结构、纳米粒子的组成、形貌及用量，可以实现三维多孔海水蒸发材料的形貌清晰、厚度(5～50μm，精确度为1～5μm)和孔径(50～150nm，精确度为5～10nm)等尺寸精确可控。
综上所述，本发明的三维多孔海水淡化热蒸发材料具有孔径可控、耐候性强、力学性能优异、抗菌性好、高淡化率和高截留率等优点。
作为本发明技术方案的另一个方面，其还涉及一种三维多孔海水淡化热蒸发材料的制备方法，其包括：将具有三维多孔支撑结构的织物材料依次与氧化剂的溶液、聚合物材料溶液和纳米复合材料溶液接触，反应获得所述的三维多孔海水淡化热蒸发材料。
在一些实施例中，所述制备方法具体包括：
(1)将具有三维多孔支撑结构的织物材料浸渍于氧化剂的溶液中，取出干燥；
(2)将步骤(1)所获织物材料浸渍于聚合物材料溶液中，取出干燥；
(3)将步骤(2)所获织物材料置于纳米复合材料溶液中进行聚合反应，之后取出干燥，获得所述的三维多孔海水淡化热蒸发材料。
进一步地，在一些更为具体的实施例中，所述制备方法可以包括以下步骤：
1)首先，将具有不同组成和不同形貌的织物材料浸渍到具有氧化性的氧化剂溶液中，一段时间后烘干；
2)再次，将步骤1)所获得的织物材料浸渍到具有光热转换效应的聚吡咯的衍生物或聚苯胺的衍生物溶液中，一段时间后取出烘干；
3)最后，将织物材料置于具有抗菌性能的改性银纳米粒子、改性二氧化钛纳米粒子及改性氧化锌纳米粒子一种体系中，聚合一段时间后取出烘干。
在一些实施例中，步骤1)中，所述氧化剂包括次氯酸、高锰酸钾、双氧水、氯化铁等中的任意一种，由于氯化铁具有环保无毒特征且价格低廉，优选氯化铁作为氧化剂，但不仅限于此。
进一步地，所述氧化剂的溶液的浓度为0.01～4mol/L。
进一步地，所述浸渍的时间为10min～5h，浸渍温度为0～20℃。
进一步地，所述干燥的温度为50～150℃，时间为1～10h。
在一些实施例中，所述聚合物材料溶液中的溶剂包括氯仿、二氯甲烷、甲苯、二甲苯、苯等中的任意一种或两种以上的组合，溶液的浓度为0.01～2.5mol/L。
进一步地，所述浸渍的温度为-5～80℃，时间为5min～48h。
进一步地，所述干燥的温度为10～70℃，时间为1～4h。
在一些实施例中，所述纳米复合材料溶液中的溶剂包括乙醇、乙二醇、丙三醇等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
进一步地，所述纳米复合材料溶液的浓度为0.01～0.08mol/L。
进一步地，所述聚合反应的温度为30～90℃，时间为5～50min。
进一步地，所述干燥的温度为10～60℃，时间为10～40min。
在一些实施例中，所述具有三维多孔支撑结构的织物材料、具有光热转换效应的聚合物材料和具有抗菌性能的纳米复合材料等的结构和种类如前文所述，此处不再赘述。
综上所述，本发明的制备方法工艺简单，对环境因素要求低，原料价格低廉，可大面积制备，且无需昂贵和复杂的制备仪器、高温作用和催化剂，耗时少，将会在海水淡化领域具有较好的规模化、广阔的应用前景。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述的三维多孔海水淡化热蒸发材料于海水淡化领域的用途。
藉由前述制备工艺，本发明的海水淡化热蒸发材料具有孔径可控、耐候性强、力学性能优异、抗菌性好、高淡化率和高截留率等优点，并且制备工艺简单、价格低廉、可大面积制备，且不需要昂贵和复杂的实验设备，将会在海水淡化领域具有广阔的应用前景。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及若干较佳实施例，对本发明的技术方案进行进一步详细的解释说明。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
(1)首先，将长度为2.5m，材质为棉纺、纹理为蜂窝结构的织物浸入到浓度为0.01mol/L的氯化铁溶液中，浸泡时间为5h，浸渍温度为0℃，随后在温度为50℃条件下烘干10h；
(2)其次，将步骤(1)所制备的织物再次浸入到浓度为0.01mol/L、数均分子量为10000的聚吡咯-聚丙烯酸共聚的氯仿溶液体系中，在温度为-5℃浸泡48h，随后在10℃条件下烘干4h；(3)最后，将步骤(2)所获得的被共聚物修饰的织物浸入到浓度为0.01mol/L二氧化钛/金纳米复合粒子的乙醇溶液中，二氧化钛的尺寸是5nm，金纳米粒子的尺寸为5nm，金纳米粒子的形貌为指南针型，进行聚合5min，温度为90℃，随后在60℃下烘干10min，得到三维多孔海水淡化热蒸发材料，图片如图6所示，其长度约2.5m。
(4)对上述步骤(3)所得的三维多孔海水淡化热蒸发材料进行力学性能、耐候性、抗菌性、海水淡化效率等表征，形貌结果表明，所制备的海水淡化热蒸发材料具有结构清晰的三维多孔结构(如图2a-图2c所示)；力学性能表明，所制备的三维多孔海水热蒸发材料的抗拉强度是3540MPa，弹性模量是244GPa；耐候性结果表明，在氧化性酸、高浓度氯化钠体系中处理24h，抗拉强度和弹性模量保持不变(如图7a和图7b所示)；抗菌性能表明，所制备的三维多孔海水热蒸发材料较好的抗菌性，针对厌氧菌和好氧菌的破坏率分别达95％、98％；蒸发效率结果表明，所制备的海水淡化热蒸发材料的蒸发量为3.5kg/m2/h，高于目前所报道的海水蒸发材料，对紫外光的吸收率达95％以上(如图9所示，其中，1为没有修饰的支撑层对紫外光的吸收，2为本实施例中三维多孔海水淡化热蒸发材料对紫外光的吸收率分别达95％以上)，并且其对浓度处于10-10000mg/L之间的Na+、Ca2+、Mg2+、K+、Sr2+、B3+离子均具有99.99％的截留率(如图10a和图10b所示)。
实施例2
(1)首先，将长度为2.5m，材质为麻/绵、纹理为平纹结构的织物浸入到浓度为1.0mol/L的次氯酸体系中，浸泡时间为4h，浸渍温度为5℃，随后在温度为100℃条件下烘干8h；
(2)其次，将步骤(1)所制备的织物再次浸入到浓度为1mol/L、数均分子量为30000的N掺杂聚吡咯共聚的苯溶液体系中，在温度为20℃浸泡20h，随后在30℃条件下烘干2h；
(3)最后，将步骤(2)所获得的被氧化的共聚物修饰织物浸入到浓度为0.03mol/L二氧化钛/金纳米复合粒子的乙醇溶液中，二氧化钛的尺寸是5nm，金纳米粒子的尺寸为8nm，金纳米粒子的形貌为星型，进行聚合10min，聚合温度为60℃，随后在40℃下烘干20min，得到三维多孔海水淡化热蒸发材料。
(4)对上述步骤(3)所得的三维多孔海水淡化热蒸发材料进行力学性能、耐候性、抗菌性、海水淡化效率等表征，形貌结果表明,所制备的海水淡化热蒸发材料具有结构清晰的三维多孔结构(如图3a-图3c所示)；力学性能表明，所制备的三维多孔海水热蒸发材料的抗拉强度是3550MPa，弹性模量是254GPa；耐候性结果表明，浸入到表面活性剂溶液体系形貌保持不变；抗菌性能表明，所制备的三维多孔海水热蒸发材料较好的抗菌性，针对厌氧菌和好氧菌的破坏率分别达96％、97％；蒸发效率结果表明，所制备的孔海水淡化热蒸发材料的蒸发量为3.7kg/m2/h，对紫外光的吸收率达99.4％及以上(如图9所示，其中，3为本实施例中三维多孔海水淡化热蒸发材料对紫外光的吸收率分别达99％以上)，并且其对浓度处于10-10000mg/L之间的Na+、Ca2+、Mg2+、K+、Sr2+、B3+离子均具有99.96％的截留率。
实施例3
(1)首先，将长度为2.5m，材质为毛/棉、纹理为斜纹结构的织物浸入到浓度为2.0mol/L的双氧水体系中，浸泡时间为2h，浸渍温度为20℃，随后在温度为100℃条件下烘干1h；
(2)其次，将步骤(1)所制备的织物再次浸入到浓度为1.5mol/L、数均分子量为5000的聚苯胺-聚丙烯酸共聚高分子的甲苯溶液体系中，在温度为40℃浸泡40h，随后在60℃条件下烘干1h；
(3)最后，将步骤(2)所获得的被氧化的共聚物修饰织物浸入到浓度为0.05mol/L氧化锌/金纳米复合粒子的乙醇溶液中，氧化锌的尺寸是10nm，金纳米粒子的尺寸为5nm，金纳米粒子的形貌为棒状型，进行聚合20min，聚合温度为40℃，随后在30℃下烘干30min，得到三维多孔海水淡化热蒸发材料。
(4)对上述步骤(3)所得的三维多孔海水淡化热蒸发材料进行力学性能、耐候性、抗菌性、海水淡化效率等表征，形貌结果表明,所制备的海水淡化热蒸发材料具有结构清晰的三维多孔结构(如图4a-图4c所示)；力学性能表明，所制备的三维多孔海水热蒸发材料的抗拉强度是3530MPa，弹性模量是240GPa；耐候性结果表明，在氧化性酸、高浓度氯化钠体系中处理24h，抗拉强度和弹性模量保持不变；抗菌性能表明，所制备的三维多孔海水热蒸发材料较好的抗菌性，针对厌氧菌和好氧菌的破坏率分别达95％、96％；蒸发效率结果表明，所制备的孔海水淡化热蒸发材料的蒸发量为3.9kg/m2/h，并且其对浓度处于10-10000mg/L之间的Na+、Ca2+、Mg2+、K+、Sr2+、B3+离子均具有99.97％的截留率。
实施例4
(1)首先，将长度为2.5m，材质为涤/绵、纹理为缎纹结构的织物浸入到浓度为4mol/L的高锰酸钾溶液体系中，浸泡时间为10min，浸渍温度为20℃，随后在温度为150℃条件下烘干1h；
(2)其次，将步骤(1)所制备的共聚物修饰织物再次浸入到浓度为2.5mol/L、数均分子量为25000的S掺杂共聚高分子的二氯甲烷溶液体系中，在温度为80℃浸泡5min，随后在70℃条件下烘干1h；
(3)最后，将步骤(2)所获得的被氧化的共聚物修饰织物浸入到浓度为0.08mol/L的银/金纳米复合粒子的乙醇溶液中，银纳米粒子的尺寸是20nm，金纳米粒子的尺寸为30nm，金纳米粒子的形貌为球星型，进行聚合50min，聚合温度为30℃，随后在10℃下烘干40min，得到三维多孔海水淡化热蒸发材料。
(4)对上述步骤(3)所得的三维多孔海水淡化热蒸发材料进行力学性能、耐候性、抗菌性、海水淡化效率等表征，形貌结果表明,所制备的海水淡化热蒸发材料具有结构清晰的三维多孔结构(如图5a-图5c所示)；力学性能表明，所制备的三维多孔海水热蒸发材料的抗拉强度是3550MPa，弹性模量是245GPa；耐候性结果表明，在氧化性酸、高浓度氯化钠体系中处理24h，抗拉强度和弹性模量保持不变；抗菌性能表明，所制备的三维多孔海水热蒸发材料较好的抗菌性，针对厌氧菌和好氧菌的破坏率分别达96％、97％；蒸发效率结果表明，所制备的孔海水淡化热蒸发材料的蒸发量为4.0kg/m2/h，并且其对浓度处于10-10000mg/L之间的Na+、Ca2+、Mg2+、K+、Sr2+、B3+离子均具有99.98％的截留率。
对照例1
本对照例与实施例1的不同之处在于：缺少步骤(3)。
对本对照例所得的三维多孔海水淡化热蒸发材料进行力学性能、耐候性、抗菌性、海水淡化效率等表征，力学性能表明，所制备的海水热蒸发材料的抗拉强度是1600MPa，弹性模量是82GPa；抗菌性能表明，所制备的海水热蒸发材料针对厌氧菌和好氧菌均不具有破坏率；蒸发效率结果表明，所制备的海水淡化热蒸发材料的蒸发量为1.5Kg/m2/h，其对浓度处于10-10000mg/L之间的Na+、Ca2+、Mg2+、K+、Sr2+、B3+离子具有82.4％的截留率。
对照例2
本对照例与实施例3的不同之处在于：缺少步骤(2)。
对本对照例所得的三维多孔海水淡化热蒸发材料进行力学性能、耐候性、抗菌性、海水淡化效率等表征，力学性能表明，所制备的三维多孔海水热蒸发材料的抗拉强度是900MPa，弹性模量是59GPa；耐候性结果表明，在氧化性酸、高浓度氯化钠体系中处理24h，抗拉强度和弹性模量不再保持；抗菌性能表明，所制备的三维多孔海水热蒸发材料针对厌氧菌和好氧菌的破坏率分别达58％、35％；蒸发效率结果表明，所制备的孔海水淡化热蒸发材料的蒸发量为0.4kg/m2/h，对Na+、Ca2+、Mg2+、K+、Sr2+、B3+离子不具有截留率。
对照例3
德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华等人发展了一种具有分级纳米结构的凝胶用于海水蒸发，其蒸发效率在一个太阳下能够达到3.2kg/m2/h，但是其的材料强度仅有104Pa(图11),并且制备过程要经过10次冷冻干燥，比较复杂。
对照例4
阿卜杜拉国王科技大学的王鹏等人通过将氧化石墨烯和碳管的混合液抽滤的方法获得了发展了一种3D结构的海水蒸发器，但是其在一个太阳下效率仅能达到1.59kg/m2/h(图12)。
对照例5
南京大学朱嘉教授课题组利用海水蒸发过程中的所产生的蒸汽放出的热量，将收集容器中的灭菌(Advanced Materials，DOI:10.1002/adma.201805159)，其示意图参见图13，但是，其对海水中的细菌没有抑制作用。
此外，本案发明人还参照实施例1-实施例4的方式，以本说明书中列出的其它原料和条件等进行了试验，并同样制得了具有孔径可控、耐候性强、力学性能优异、抗菌性好、高淡化率和高截留率等优点的三维多孔海水淡化热蒸发材料。
应当理解，以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (22)

1.一种三维多孔海水淡化热蒸发材料，其特征在于包括具有三维多孔支撑结构的织物材料、具有光热转换效应的聚合物材料以及具有抗菌性能的纳米复合材料，所述聚合物材料和纳米复合材料均匀分布于所述三维多孔支撑结构内，所述聚合物材料选自聚吡咯衍生物和/或聚苯胺衍生物，所述聚吡咯衍生物选自聚吡咯与高分子材料的共聚物和/或掺杂聚吡咯，所述聚苯胺衍生物选自聚苯胺与高分子材料的共聚物和/或掺杂聚苯胺；所述高分子材料选自聚丙烯酸、聚乙二醇、聚丙三醇、聚苯甲酸、聚甲基丙烯酸二甲胺乙酯中的任意一种或两种以上的组合；所述掺杂聚吡咯或掺杂聚苯胺中所含掺杂元素选自N、S、Si、Bi、Ti、P中的任意一种或两种以上的组合；
所述纳米复合材料为金纳米粒子界面修饰的、具有非对称结构的纳米复合材料，所述纳米复合材料选自改性银纳米粒子、改性二氧化钛纳米粒子和改性氧化锌纳米粒子中的任意一种或两种以上的组合，所述纳米复合材料的尺寸为5～20nm，所述金纳米粒子的尺寸为5～30nm；所述三维多孔海水淡化热蒸发材料的抗拉强度大于3500MPa，弹性模量大于240GPa；
所述三维多孔海水淡化热蒸发材料在高温、低温、高盐、强酸或强碱环境中浸泡24h后的抗拉强度大于3500MPa，弹性模量大于240Gpa，所述高温环境的温度为50～450℃，所述低温环境的温度为-50～0℃，所述高盐环境的盐浓度为0.1～10mol/L，所述强酸环境为浓度为0.1～1mol/L的盐酸溶液，所述强碱环境为浓度为0.1～2mol/L的氢氧化钠溶液；
所述三维多孔海水淡化热蒸发材料对厌氧菌、好氧菌的破坏率分别在95％以上、98％以上；
所述三维多孔海水淡化热蒸发材料的蒸发量大于3.5kg/m2/h以上，蒸发效率大于80％；
所述三维多孔海水淡化热蒸发材料对海水中离子的截留率在99.95％以上。
2.根据权利要求1所述的三维多孔海水淡化热蒸发材料，其特征在于：所述三维多孔海水淡化热蒸发材料的厚度为5～50μm，精确度为1～5μm；和/或，所述三维多孔海水淡化热蒸发材料所含孔的孔径为50～150nm，精确度为5～10nm。
3.根据权利要求1所述的三维多孔海水淡化热蒸发材料，其特征在于：所述织物材料选自棉、麻和棉的复合材料、毛和棉的复合材料或涤和棉的复合材料。
4.根据权利要求3所述的三维多孔海水淡化热蒸发材料，其特征在于：所述织物材料为棉织物。
5.根据权利要求1所述的三维多孔海水淡化热蒸发材料，其特征在于：所述织物材料的纹理选自平纹、斜纹、缎纹或蜂窝状纹。
6.根据权利要求5所述的三维多孔海水淡化热蒸发材料，其特征在于：所述织物材料的纹理为蜂窝状纹。
7.根据权利要求1所述的三维多孔海水淡化热蒸发材料，其特征在于：所述聚吡咯衍生物的数均分子量为10000～100000。
8.根据权利要求1所述的三维多孔海水淡化热蒸发材料，其特征在于：所述聚苯胺衍生物的数均分子量为5000～50000。
9.根据权利要求1所述的三维多孔海水淡化热蒸发材料，其特征在于：所述纳米复合材料的尺寸为8～12nm。
10.根据权利要求1所述的三维多孔海水淡化热蒸发材料，其特征在于：所述金纳米粒子的形貌选自棒状、球状、星状或指南针状。
11.根据权利要求10所述的三维多孔海水淡化热蒸发材料，其特征在于：所述金纳米粒子的形貌为指南针状。
12.根据权利要求1所述的三维多孔海水淡化热蒸发材料，其特征在于：所述金纳米粒子的尺寸为13～17nm。
13.根据权利要求1所述的三维多孔海水淡化热蒸发材料，其特征在于：所述离子选自Na+、Ca2+、Mg2+、K+、Sr2+、B3+中的任意一种或两种以上的组合，所述离子的浓度为10～10000mg/L。
14.如权利要求1-13中任一项所述三维多孔海水淡化热蒸发材料的制备方法，其特征在于包括：
(1)将具有三维多孔支撑结构的织物材料浸渍于氧化剂的溶液中，取出干燥，所述氧化剂选自次氯酸、高锰酸钾、双氧水、氯化铁中的任意一种，所述氧化剂的溶液的浓度为0.01～4mol/L；
(2)将步骤(1)所获织物材料浸渍于聚合物材料溶液中，取出干燥，所述聚合物材料溶液的浓度为0.01～2.5mol/L；
(3)将步骤(2)所获织物材料置于纳米复合材料溶液中进行聚合反应，之后取出干燥，获得所述的三维多孔海水淡化热蒸发材料，所述纳米复合材料溶液的浓度为0.01～0.08mol/L；所述聚合反应的温度为30～90℃，时间为5～50min。
15.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述浸渍的温度为0～20℃，时间为10min～5h。
16.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述干燥的温度为50～150℃，时间为1～10h。
17.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述聚合物材料溶液中的溶剂选自氯仿、二氯甲烷、甲苯、二甲苯、苯中的任意一种或两种以上的组合。
18.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述浸渍的温度为-5～80℃，时间为5min～48h。
19.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述干燥的温度为10～70℃，时间为1～4h。
20.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述纳米复合材料溶液中的溶剂选自乙醇、乙二醇、丙三醇中的任意一种或两种以上的组合。
21.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述干燥的温度为10～60℃，时间为10～40min。
22.权利要求1-13中任一项所述的三维多孔海水淡化热蒸发材料于海水淡化领域的用途。
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