CN111170392A - 一种水凝胶蒸发膜及其制备方法及应用 - Google Patents

一种水凝胶蒸发膜及其制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水凝胶蒸发膜及其制备方法与应用，水凝胶蒸发膜，包括水凝胶膜基体和碳吸光材料，所述碳吸光材料均匀分布于水凝胶膜基体中。吸光的碳颗粒均匀分散在水凝胶中，在可见光到红外范围内具有90％以上的光吸收率。水凝胶具有自然形成的多级微纳孔，内部包裹水，形成互相连通的孔道，可以将水从膜底部向接受阳光的蒸发侧输送。

Description

一种水凝胶蒸发膜及其制备方法及应用
技术领域
本发明属于海水淡化技术领域，具体涉及一种水凝胶蒸发膜及其制备方法及应用，其可以高效转化太阳光用于蒸发水，实现海水淡化。
背景技术
当前商用海水淡化技术主要为两种：蒸馏法和反渗透膜法。蒸馏法制备的淡水质量高，但是耗能大，设备复杂，生产成本很高，只有在能源丰富的地区才能以较低成本生产淡水。反渗透膜法利用膜截留盐分，实现海水的淡化，其生产成本相对蒸馏法低，但通过反渗透膜生产的淡水质量不及蒸馏法，盐分含量较高。
太阳能是最环保、最廉价的可持续能源，然而其功率密度低(峰值1kW/m2左右)，需要昂贵的光学器件聚光，以及传统的太阳能水蒸发技术集热效率差，具有很高的热损失，导致太阳能蒸发的总体效率很低。
随着界面蒸发理论的发展，碳材料因其极佳的全光谱吸收率成为光驱动蒸发的重要材料之一。2014年Hadi Ghasemi等(Solar steam generation by heat localization，)利用亲水的碳材料蒸发膜和隔热设计实现了10倍阳光功率(10kW/m2)下85％的蒸发效率，1倍阳光功率(1kW/m2)下仍有60％以上的蒸发效率。2017年Rongzheng Wan(Acceleratedevaporation of water on graphene oxide，Phys.Chem.Chem.Phys.,2017,19,8843)理论上解释了氧化石墨烯因其周期性亲疏水表面，而具有极高的水蒸发速率。2018年YongfengHuang(Transparency in graphene mediated evaporation，2D Mater.5(2018)041001)进一步从理论和实验上解释了水主要从固液气三相线蒸发，当不同材料表面附着上石墨烯后，线蒸发速度基本不变。
综上，现有的碳蒸发膜效率因其疏水性在自然太阳光功率密度(不大于1kW/m2)下仍然不高。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种水凝胶蒸发膜及其制备方法与应用，制备的水凝胶蒸发膜具有90％以上的光吸收率、超亲水表面、超高蒸发线长度，并且具有优良的水输送能力，实现了自然太阳光条件下高效蒸发。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种水凝胶蒸发膜，包括水凝胶膜基体和碳吸光材料，所述碳吸光材料均匀分布于水凝胶膜基体中。
吸光的碳颗粒均匀分散在水凝胶中，在可见光到红外范围内具有90％以上的光吸收率。水凝胶具有自然形成的多级微纳孔，内部包裹水，形成互相连通的孔道，可以将水从膜底部向接受阳光的蒸发侧输送。
在一些实施例中，所述碳吸光材料为石墨烯、石墨粉或炭黑。
进一步的，所述碳吸光材料的尺寸为：石墨烯为单层或少层结构，石墨粉和炭黑的粒径为1μm以下。
在一些实施例中，所述水凝胶膜基体的材料为海藻酸钠或/和壳聚糖。
一种水凝胶蒸发装置，包括上述水凝胶蒸发膜、浮子和吸水材料层，所述吸水材料层包裹在所述浮子的表面，包括蒸发端和吸水端，吸水端用于与待蒸发水体接触，水凝胶蒸发膜涂覆于所述吸水膜的蒸发端，浮子用于将水凝胶蒸发膜远离待蒸发水体。
在一些实施例中，所述浮子为泡沫，优选为隔热泡沫。泡沫的主要作用是隔热和漂浮，不能吸水。吸水材料为包裹在泡沫表面，或穿插与泡沫中，用于提供蒸发水分。
优选的，所述吸水材料层的蒸发端和吸水端分别位于柱体的两个端面上。采用该种结构时，将浮子放于待蒸发水体中，浮子容易在水面上保持稳定，使吸水端与水体接触，蒸发端与水体隔离，吸水端吸水，并通过吸水材料将水输送至蒸发端，通过蒸发端的水凝胶蒸发膜将该部分水分进行蒸发。
在一些实施例中，所述吸水材料层为滤纸、植物纤维的纺织布或亲水性化纤布。各类植物纤维的纺织布，如棉、麻、竹纤维等。
在一些实施例中，所述水凝胶蒸发膜的厚度为0.3-0.8mm。
上述水凝胶蒸发膜的制备方法，包括如下步骤：
将溶胶溶液和碳吸光材料混合均匀，然后将该混合体系涂覆在吸水材料层上成膜，静置反应后，滴加交联剂，凝固后即得。
在一些实施例中，所述交联剂为CaCl2或乙醇。
在一些实施例中，所述CaCl2的浓度为1％-5％(质量百分数)，乙醇浓度为40％-100％(质量百分数)。
在一些实施例中，所述水凝胶的材料为海藻酸钠、壳聚糖或两者的组合。
在一些实施例中，所述碳吸光材料为石墨烯、石墨粉或炭黑。
在一些实施例中，所述混合体系中，碳吸光材料的浓度为1-10mg/mL，溶胶的浓度为5-20mg/mL。
在一些实施例中，所述水凝胶蒸发膜的制备方法，具体包括如下步骤：
将氧化石墨烯、海藻酸钠、抗坏血酸和水混合均匀制成溶胶后，平铺在滤纸上，静置反应6-10小时后，滴加CaCl2溶液交联固化，即得。亦可先将氧化石墨烯、海藻酸钠和水混合均匀后，平铺在滤纸上，滴加CaCl2溶液交联固化，再浸泡在1％-2％(质量百分数)抗坏血酸溶液中于95摄氏度下加温反应1小时，即得。
在一些实施例中，所述水凝胶蒸发膜的制备方法，具体包括如下步骤：
将氧化石墨烯、海藻酸钠、壳聚糖、氢氧化钾、尿素混合均匀制成溶胶后，冷冻解冻两次，平铺在滤纸上，滴加CaCl2溶液或乙醇溶液交联固化，再浸泡在1％-2％(质量百分数)抗坏血酸溶液中于95摄氏度下加温反应1小时，即得。
所述水凝胶蒸发膜或一种水凝胶蒸发装置在海水淡化中的应用。
本发明的有益效果为：
将疏水的碳吸光材料复合在亲水的水凝胶中，实现了90％以上的光吸收率，并利用水凝胶的亲水性和水输送能力，大大提高了蒸发膜在自然太阳光条件下的蒸发效率。
通过将吸光颗粒均匀分散在水凝胶中，及水凝胶自身的微纳通道，实现蒸发膜90％以上的高光吸收率，并在一倍太阳光下最高可达到1.464kg/(h*m2)海水蒸发速率，有效光热转化效率最高可达76.1％。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为水凝胶蒸发膜结构示意图(I)和蒸发装置的结构示意图(II)；
图2为水凝胶蒸发膜和纯氧化石墨烯膜的光吸收率曲线；
图3为1倍阳光下纯水蒸发曲线；
图4为1倍阳光下海水蒸发曲线。
其中，1、石墨烯，2、水凝胶，3、微纳孔道，4、阳光，5、水凝胶蒸发膜，6、隔热泡沫，7、容器。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。
本发明的一种典型实施方式，将25mg氧化石墨烯、50mg海藻酸钠、100mg抗坏血酸和5mL去离子水混合，平铺在直径6cm的快速滤纸上，静置反应一夜。然后滴入2％氯化钙溶液交联固化，即可在滤纸上形成一层0.5mm左右厚的黑色水凝胶膜。或者先将25mg氧化石墨烯、50mg海藻酸钠和5mL去离子水混合，平铺在直径6cm的快速滤纸上，滴入2％氯化钙溶液交联固化，然后在1％-2％抗坏血酸溶液中于95摄氏度下加温反应1小时，即可在滤纸上形成一层0.5mm左右厚的黑色水凝胶膜。其内部结构如图1中I图所示，片状的石墨烯1均匀分散在水凝胶2中，而水凝胶2中包裹着大量的微米级水滴，具有天然形成的互通的多级微纳孔道3，可供水输送。石墨烯复合的水凝胶蒸发膜的光吸收率可达到90％(图2水凝胶曲线)，比纯氧化石墨烯膜(图2氧化石墨烯曲线)高5-10％。
图1中II为蒸发装置结构示意图。将制备好的水凝胶蒸发膜5，放在包裹了滤纸或其它输水材料的隔热泡沫6上，置入水容器7中进行光驱动水蒸发测试。当阳光4垂直照射在蒸发膜5上，蒸发膜5表面水分受热蒸发，而容器7中的水通过滤纸或其它输水材料持续向蒸发膜输送水分。
图3为纯水蒸发测试的结果，图4为海水蒸发测试的结果。3.5％浓度海水由海盐调配成。测试环境温度为31℃，相对湿度为33％。一倍阳光(1kW/m2)照射下，纯水的蒸发速率为1.469kg/(h*m2)，膜温48.1℃，水温34.9℃，水蒸发焓为2439.6kJ/kg，扣除黑暗条件下纯水的蒸发速率0.323kg/(h*m2)，有效蒸发速率为1.146kg/(h*m2)，光热转化效率为77.2％。一倍阳光(1kW/m2)照射下，海水的蒸发速率为1.464kg/(h*m2)，膜温45.9℃，水温34.4℃，水蒸发焓为2438.2kJ/kg，扣除黑暗条件下海水的蒸发速率0.333kg/(h*m2)，有效蒸发速率为1.136kg/(h*m2)，光热转化效率为76.1％。
以上测试结果采用了25mg氧化石墨烯所制的蒸发膜，实际上仅用5mg氧化石墨烯即可制成光热转化效率达到70％的水凝胶蒸发膜。采用0.25g纳米石墨粉与5mL 1％海藻酸钠混合所制成的水凝胶蒸发膜光热转化效率亦可达到69.3％。
本发明所示的水凝胶蒸发膜制备方法简单，成本可控，在1倍阳光下蒸发效率最高可达77％，且不需要额外的能源输入，对海水淡化具有较高应用价值。
本发明提供另一个实施方式，将25mg氧化石墨烯、25mg海藻酸钠、25mg壳聚糖、0.56g氢氧化钾、0.2g尿素和5mL去离子水混合，于-18摄氏度下冷冻，再于5摄氏度下解冻，如此两次，再平铺在直径6cm的快速滤纸上，滴入2％氯化钙溶液或50％乙醇交联固化，即可在滤纸上形成一层0.5mm左右厚的水凝胶膜。将水凝胶膜浸入1％-2％抗坏血酸溶液中于95摄氏度下加温反应1小时，即可获得石墨烯均匀分散的水凝胶蒸发膜。一倍阳光(1kW/m2)照射下，测试环境温度22℃，相对湿度45％，纯水的蒸发速率为1.098kg/(h*m2)，膜温43.3℃，水温26.6℃，水蒸发焓为2466.7kJ/kg，扣除黑暗条件下纯水的蒸发速率0.150kg/(h*m2)，有效蒸发速率为0.948kg/(h*m2)，光热转化效率为65％。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水凝胶蒸发膜，其特征在于：包括水凝胶膜基体和碳吸光材料，所述碳吸光材料均匀分布于水凝胶膜基体中。
2.根据权利要求1所述的水凝胶蒸发膜，其特征在于：所述碳吸光材料为石墨烯、石墨粉或炭黑；
进一步的，所述碳吸光材料的尺寸为：石墨烯为单层或少层结构，石墨粉和炭黑的粒径为1μm以下。
3.根据权利要求1所述的水凝胶蒸发膜，其特征在于：所述水凝胶膜基体的材料为海藻酸钠或/和壳聚糖。
4.一种水凝胶蒸发装置，其特征在于：包括权利要求1-3任一所述水凝胶蒸发膜、浮子和吸水材料层，所述吸水材料层包裹在所述浮子的表面，包括蒸发端和吸水端，吸水端用于与待蒸发水体接触，水凝胶蒸发膜涂覆于所述吸水膜的蒸发端，浮子用于将水凝胶蒸发膜远离待蒸发水体。
5.根据权利要求4所述的水凝胶蒸发装置，其特征在于：所述浮子为泡沫，优选为隔热泡沫。
6.根据权利要求5所述的水凝胶蒸发装置，其特征在于：所述吸水材料层的蒸发端和吸水端分别位于柱体的两个端面上。
7.根据权利要求4所述的水凝胶蒸发装置，其特征在于：所述吸水材料层为滤纸、植物纤维的纺织布或亲水性化纤布；
优选的，所述水凝胶蒸发膜的厚度为0.3-0.8mm。
8.权利要求1-3任一所述水凝胶蒸发膜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
将溶胶溶液和碳吸光材料混合均匀，然后将该混合体系涂覆在吸水材料层上成膜，静置反应后，滴加交联剂，凝固后即得。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述交联剂为CaCl2或乙醇溶液。
优选的，所述水凝胶溶液的材料为海藻酸钠或/和壳聚糖；
优选的，所述碳吸光材料为石墨烯、石墨粉或炭黑；
优选的，水凝胶蒸发膜的制备方法，具体包括如下步骤：
将氧化石墨烯、海藻酸钠、抗坏血酸和水混合均匀制成溶胶后，平铺在滤纸上，静置反应6-10小时后，滴加CaCl2溶液交联固化，即得。亦可先将氧化石墨烯、海藻酸钠和水混合均匀后，平铺在滤纸上，滴加CaCl2溶液交联固化，再浸泡与1％-2％抗坏血酸溶液中于95摄氏度下加温反应1小时，即得；
或，水凝胶蒸发膜的制备方法，具体包括如下步骤：
将氧化石墨烯、海藻酸钠、壳聚糖、氢氧化钾、尿素混合均匀制成溶胶后，冷冻解冻两次，平铺在滤纸上，滴加CaCl2溶液或乙醇溶液交联固化，再浸泡在1％-2％抗坏血酸溶液中于95摄氏度下加温反应1小时，即得。
10.权利要求1-3任一所述水凝胶蒸发膜或权利要求4-7任一所述水凝胶蒸发装置在海水淡化中的应用。
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