CN112708148A - 一种应用于太阳能水净化的导电聚合物水凝胶的制备方法 - Google Patents

一种应用于太阳能水净化的导电聚合物水凝胶的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于太阳能水净化的导电聚合物水凝胶的制备方法，涉及太阳能水净化新材料技术领域，利用聚（3,4‑二氧乙撑噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）再分散液与高分子材料复合经凝胶化得到可用于太阳能水净化的导电聚合物水凝胶，能够实现优异的太阳光吸收、高效的光热转换、快速的水蒸发速率（2.0‑2.84 Kg m‑2 h‑1），能适用于各种复杂恶劣的环境，可以实现不同水样的净化以及进一步的大面积水净化的应用和推广；所制备的导电聚合物水凝胶材料应用于太阳能水净化，较好的环境稳定性和防污能力，可以应用于各种恶劣条件下的水净化。

Description

一种应用于太阳能水净化的导电聚合物水凝胶的制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能水净化新材料技术领域，具体涉及一种应用于太阳能水净化的导电聚合物水凝胶的制备方法。
背景技术
淡水是一种有限的自然资源，对维持所有生态系统的平衡至关重要。目前全球有11亿人缺乏安全饮用水，每年有500多万人死于同水有关的疾病，例如癌症、结石症和心血管硬化等疾病。随着人口的持续增长，淡水资源的污染以及气候的变化，提供足够安全的淡水更加困难。因此，开发高效、低成本以及大规模的水净化技术十分重要。目前应用于水净化的技术主要包括高级氧化法、膜处理和絮凝沉积等方法，但是这些方法仍然面临这高能耗、高成本、低效率和二次污染等问题。太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源受到了广大研究人员的关注，太阳光能够通过光热转换技术将其转换为热能，通过汽化过程分离水与杂质而实现水净化，是一种很有前景的缓解淡水短缺的技术。但是，水的高蒸发焓(40.63kJ/mol)导致此技术在自然阳光下纯化的水量较低。因此，开发优异太阳吸收、高效光热转换和高吸水速率的太阳能水净化材料对于自然条件下实现高效太阳能水净化十分重要。
应用于太阳能水净化的材料主要包括碳基材料、黑色无机半导体、贵金属等离子体纳米颗粒和黑色聚合物/凝胶等，然而，其中碳基材料的高热导率导致其大量的能量损失，黑色无机半导体较宽的禁带宽度使得其对太阳光谱的吸收范围较窄，贵金属等离子体纳米颗粒较高的成本也使得其在太阳能水净化领域的发展受到严重的限制(CN108585092A、CN108569811A、CN205717132U、CN106442439A)。
水凝胶作为一种可溶胀水但不溶于水的三维多孔网状结构，具有较低的热导率和较高的水输送能力。导电聚合物水凝胶其共轭结构能够吸收较多的太阳光子使得吸收光谱发生红移，应用于太阳能水净化中表现出优异的光吸收能力。聚(3,4-二氧乙撑噻吩)(PEDOT)作为导电聚合物中的明星分子，具有相比于其他导电聚合物(例如：PPy和PANi)较窄的能带隙，与聚苯乙烯磺酸盐(PSS)形成导电聚合物水凝胶能够吸收较宽范围的太阳光谱，以及自身所具有的防污能力，能够抑制水蒸发过程中大量的盐堵塞水输送通道。
基于此，开发新型可用于太阳能水净化的高蒸发性能导电聚合物水凝胶具有重大的现实意义，对进一步解决水污染和淡水资源短缺有巨大的帮助。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种应用于太阳能水净化的导电聚合物水凝胶的制备方法，通过将PEDOT:PSS再分散液与高分子材料复合经凝胶化得到的导电聚合物水凝胶，这种太阳能水净化的导电聚合物水凝胶表现出优异的光吸收、高效光热转换和良好的蒸发能力，可以实现不同水样的净化以及进一步的大面积水净化的应用和推广。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种应用于太阳能水净化的导电聚合物水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将聚乙烯醇(PVA)溶于去离子水中，制备一定浓度的聚乙烯醇溶胶，利用过滤器匀质，得到均匀的聚乙烯醇溶胶；
(2)将聚(3,4-二氧乙撑噻吩)导电聚合物(PEDOT)：聚苯乙烯磺酸盐(PSS)导电颗粒溶于溶剂中，利用过滤器匀质，得到均匀的一定浓度的PEDOT:PSS再分散液；
(3)将上述步骤(1)所得的聚乙烯醇溶胶与步骤(2)所得的PEDOT:PSS再分散液按照一定比例进行混合匀质，得到均匀的混合溶液；
(4)将上述混合溶液中加入一定量的交联剂进行化学交联；
(5)将上述步骤(4)中加入一定量的酸促进化学交联过程，得到混合溶胶；
(6)将上述混合溶胶置于模具中，室温放置24h后，置于-20℃冷冻5h后取出，室温浸泡5h，并将冻融过程循环不少于三次。
优选的，所述步骤(1)中，聚乙烯醇(PVA)的分子量为15000，31000，47000，67000或145000。
优选的，所述步骤(1)中，聚乙烯醇溶胶浓度为1-10wt％。
优选的，所述步骤(2)中，溶剂包括一元溶剂水或水与极性溶剂组成的二元溶剂体系(极性溶剂:水15:85v/v)，所述极性溶剂为二甲基亚砜(DMSO)、乙二醇(EG)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃(THF)中的任意一种，所述PEDOT:PSS再分散液的浓度范围为1-10wt％。
优选的，所述步骤(3)中，混合溶液中PEDOT:PSS再分散液的浓度范围为：0.1-5wt％。
优选的，所述步骤(4)中，交联剂为戊二醛、硼酸钠、N-甲基吡咯烷酮中的任意一种，其浓度范围为0.5％-1％。
优选的，所述步骤(5)中，酸的种类为盐酸(1.2M)，其浓度范围为0.1-0.5wt％。
本发明的有益效果表现在：利用聚(3,4-二氧乙撑噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)再分散液与高分子材料复合经凝胶化得到可用于太阳能水净化的导电聚合物水凝胶，能够实现优异的太阳光吸收、高效的光热转换、快速的水蒸发速率(2.0-2.84Kg m-2h-1)，对于污水的处理效果可以达到世界卫生组织对饮用水的标准。
附图说明
图1为本发明太阳能水净化实验装置照片示意图；
图2为本发明用电极间固定距离的万用表评估水的纯度照片示意图；
图3为本发明实施例1PEDOT:PSS/PVA导电聚合物水凝胶在1个模拟太阳下蒸发水质量-时间变化曲线图；
图4为本发明实施例1PEDOT:PSS/PVA导电聚合物水凝胶在1个模拟太阳下蒸发温度-时间变化曲线图；
图5为本发明实施例1PEDOT:PSS/PVA导电聚合物水凝胶在3个模拟太阳下蒸发水质量-时间变化曲线图；
图6为本发明实施例1PEDOT:PSS/PVA导电聚合物水凝胶在3个模拟太阳下蒸发温度-时间变化曲线图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1:
一种应用于太阳能水净化的PEDOT:PSS/PVA导电聚合物水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将5g聚乙烯醇(PVA，分子量15000)溶于45mL去离子水中，制备浓度为10wt％的聚乙烯醇溶胶，利用过滤器匀质，得到10wt％均匀的聚乙烯醇溶胶；
(2)将0.5342g聚(3,4-二氧乙撑噻吩)导电聚合物(PEDOT)：聚苯乙烯磺酸盐(PSS)导电颗粒溶于DMSO与去离子水(VDMSO:V水＝1.5:8.5)的二元溶剂中，其中二元溶剂的体积分别为1.5mL DMSO和8.5mL去离子水，利用过滤器匀质，得到均匀的5wt％的PEDOT:PSS再分散液；
(3)将7g上述步骤(1)中10wt％PVA溶胶与7g上述步骤(2)5wt％的PEDOT:PSS再分散液均匀混合，得到质量浓度之比为2:1均匀混合溶液；
(4)将上述混合溶液中加入30μL戊二醛进行化学交联；
(5)将上述步骤(4)中加入67μL HCl(1.2M)促进化学交联过程；
(6)将上述混合溶胶置于模具中，室温放置24h后，置于-20℃冷冻5h后取出，室温浸泡5h，并将该过程循环三次。
如图1所示为本发明太阳能水净化实验装置照片示意图，将导电水凝胶置于氙灯光源下，通过电子天平读数变化记录水的质量变化。
如图2所示为本发明用电极间固定距离的万用表评估水的纯度照片示意图，可以看出，模拟海水(3.5wt‰)和净化后水的电阻分别表现为116.3kΩ和1.131MΩ。
如图3所示为本发明实施例1PEDOT:PSS/PVA导电聚合物水凝胶在1个模拟太阳下蒸发水质量-时间变化曲线图，可以看出，在1个太阳强度下纯海水的蒸发速率为0.31Kg m- 2h-1，利用实施例1水凝胶的海水蒸发速率达到2.84Kg m-2h-1，是纯海水蒸发速率的9.16倍。
如图4所示为本发明实施例1PEDOT:PSS/PVA导电聚合物水凝胶在1个模拟太阳下导电聚合物水凝胶蒸发表面温度-时间变化曲线图。
如图5所示为本发明实施例1PEDOT:PSS/PVA导电聚合物水凝胶在3个模拟太阳下蒸发水质量-时间变化曲线图，可以看出，在3个太阳强度下纯海水的蒸发速率为2.91Kg m- 2h-1，利用实施例1水凝胶的海水蒸发速率达到8.23Kg m-2h-1，是纯海水蒸发速率的2.83倍。
如图6所示为本发明实施例1PEDOT:PSS/PVA导电聚合物水凝胶在3个模拟太阳下导电聚合物水凝胶蒸发表面温度-时间变化曲线图。
实施例2:
一种应用于太阳能水净化的PEDOT:PSS/PVA导电聚合物水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将2.5g聚乙烯醇(PVA，分子量31000)溶于47.5mL去离子水中，制备浓度为5wt％PVA的溶胶，利用过滤器匀质，得到5wt％PVA均匀的溶胶；
(2)将0.5342g聚(3,4-二氧乙撑噻吩)导电聚合物(PEDOT)：聚苯乙烯磺酸盐(PSS)导电颗粒溶于DMSO与去离子水(VDMSO:V水＝1.5:8.5)的二元溶剂中，其中二元溶剂的体积分别为1.5mL DMSO和8.5mL去离子水，利用过滤器匀质，得到均匀的5wt％PEDOT:PSS的再分散液；
(3)将8g上述步骤(1)中5wt％PVA溶胶与6g上述步骤(2)5wt％的PEDOT:PSS再分散液均匀混合，得到质量浓度之比为2:1.5均匀混合溶液；
(4)将上述混合溶液中加入30μL戊二醛进行化学交联；
(5)将上述步骤(4)中加入67μL HCl(1.2M)促进化学交联过程；
(6)将上述混合溶胶置于模具中，室温放置24h后，置于-20℃冷冻5h后取出，室温浸泡5h，并将该过程循环四次。
实施例3:
一种应用于太阳能水净化的PEDOT:PSS/PVA导电聚合物水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将2.5g聚乙烯醇(PVA，分子量47000)溶于47.5mL去离子水中，制备浓度为5wt％的聚乙烯醇溶胶，利用过滤器匀质，得到5wt％均匀的聚乙烯醇溶胶；
(2)将0.5342g聚(3,4-二氧乙撑噻吩)导电聚合物(PEDOT)：聚苯乙烯磺酸盐(PSS)导电颗粒溶于DMSO与去离子水(VDMSO:V水＝1.5:8.5)的二元溶剂中，其中二元溶剂的体积分别为1.5mL DMSO和8.5mL去离子水，利用过滤器匀质，得到均匀的5wt％PEDOT:PSS的再分散液；
(3)将9g上述步骤(1)中5wt％PVA溶胶与6g上述步骤(2)5wt％的PEDOT:PSS再分散液均匀混合，得到质量浓度之比为3:2均匀混合溶液；
(4)将上述混合溶液中加入30μL N-甲基吡咯烷酮进行化学交联；
(5)将上述步骤(4)中加入67μL HCl(1.2M)促进化学交联过程；
(6)将上述混合溶胶置于模具中，室温放置24h后，置于-20℃冷冻5h后取出，室温浸泡5h，并将该过程循环三次。
实施例4:
一种应用于太阳能水净化的PEDOT:PSS/PVA导电聚合物水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将5g聚乙烯醇(PVA，分子量15000)溶于45mL去离子水中，制备浓度为10wt％的聚乙烯醇溶胶，利用过滤器匀质，得到10wt％均匀的聚乙烯醇溶胶；
(2)将0.5g聚(3,4-二氧乙撑噻吩)导电聚合物(PEDOT)：聚苯乙烯磺酸盐(PSS)导电颗粒溶于去离子水中，其中溶剂的体积为9.5mL去离子水，利用过滤器匀质，得到均匀的5wt％PEDOT:PSS的再分散液；
(3)将5g上述步骤(1)中10wt％PVA溶胶与10g上述步骤(2)5wt％的PEDOT:PSS再分散液均匀混合，得到质量浓度之比为1:1均匀混合溶液；
(4)将上述混合溶液中加入30μL戊二醛进行化学交联；
(5)将上述步骤(4)中加入67μL HCl(1.2M)促进化学交联过程；
(6)将上述混合溶胶置于模具中，室温放置24h后，置于-20℃冷冻5h后取出，室温浸泡5h，并将该过程循环四次。
实施例5:
一种应用于太阳能水净化的PEDOT:PSS/PVA导电聚合物水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将2.5g聚乙烯醇(PVA，分子量31000)溶于47.5mL去离子水中，制备浓度为5wt％的聚乙烯醇溶胶，利用过滤器匀质，得到5wt％均匀的聚乙烯醇溶胶；
(2)将0.5342g聚(3,4-二氧乙撑噻吩)导电聚合物(PEDOT)：聚苯乙烯磺酸盐(PSS)导电颗粒溶于四氢呋喃(THF)与去离子水(VTHF:V水＝1.5:8.5)的二元溶剂中，其中二元溶剂的体积分别为1.5mLTHF和8.5mL去离子水，利用过滤器匀质，得到均匀的5wt％PEDOT:PSS的再分散液；
(3)将12g上述步骤(1)中5wt％PVA溶胶与3g上述步骤(2)5wt％的PEDOT:PSS再分散液均匀混合，得到质量浓度之比为2:0.5均匀混合溶液；
(4)将上述混合溶液中加入30μL硼酸钠进行化学交联；
(5)将上述步骤(4)中加入67μL HCl(1.2M)促进化学交联过程；
(6)将上述混合溶胶置于模具中，室温放置24h后，置于-20℃冷冻5h后取出，室温浸泡5h，并将该过程循环五次。
实施例6:
一种应用于太阳能水净化的PEDOT:PSS/PVA导电聚合物水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将2.5g聚乙烯醇(PVA，分子量67000)溶于47.5mL去离子水中，制备浓度为5wt％的聚乙烯醇溶胶，利用过滤器匀质，得到5wt％均匀的聚乙烯醇溶胶；
(2)将0.5342g聚(3,4-二氧乙撑噻吩)导电聚合物(PEDOT)：聚苯乙烯磺酸盐(PSS)导电颗粒溶于乙二醇(EG)与去离子水(V EG:V水＝1.5:8.5)的二元溶剂中，其中二元溶剂的体积分别为1.5mL EG和8.5mL去离子水，利用过滤器匀质，得到均匀的5wt％PEDOT:PSS的再分散液；
(3)将11g上述步骤(1)中5wt％PVA溶胶与4g上述步骤(2)5wt％的PEDOT:PSS再分散液均匀混合，得到质量浓度之比为2:0.7均匀混合溶液；
(4)将上述混合溶液中加入30μL戊二醛进行化学交联；
(5)将上述步骤(4)中加入67μL HCl(1.2M)促进化学交联过程；
(6)将上述混合溶胶置于模具中，室温放置24h后，置于-20℃冷冻5h后取出，室温浸泡5h，并将该过程循环三次。
以上内容仅仅是对本发明的结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种应用于太阳能水净化的导电聚合物水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将聚乙烯醇(PVA)溶于去离子水中，制备一定浓度的聚乙烯醇溶胶，利用过滤器匀质，得到均匀的聚乙烯醇溶胶；
(2)将聚(3,4-二氧乙撑噻吩)导电聚合物(PEDOT)：聚苯乙烯磺酸盐(PSS)导电颗粒溶于溶剂中，利用过滤器匀质，得到均匀的一定浓度的PEDOT:PSS再分散液；
(3)将上述步骤(1)所得的聚乙烯醇溶胶与步骤(2)所得的PEDOT:PSS再分散液按照一定比例进行混合匀质，得到均匀的混合溶液；
(4)将上述混合溶液中加入一定量的交联剂进行化学交联；
(5)将上述步骤(4)中加入一定量的酸促进化学交联过程，得到混合溶胶；
(6)将上述混合溶胶置于模具中，室温放置24h后，置于-20℃冷冻5h后取出，室温浸泡5h，并将冻融过程循环不少于三次。
2.根据权利要求1所述的一种应用于太阳能水净化的导电聚合物水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，聚乙烯醇(PVA)的分子量为15000，31000，47000，67000或145000。
3.根据权利要求1所述的一种应用于太阳能水净化的导电聚合物水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，聚乙烯醇溶胶浓度为1-10wt％。
4.根据权利要求1所述的一种应用于太阳能水净化的导电聚合物水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，溶剂包括一元溶剂水或水与极性溶剂组成的二元溶剂体系(极性溶剂:水15:85v/v)，所述极性溶剂为二甲基亚砜(DMSO)、乙二醇(EG)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃(THF)中的任意一种，所述PEDOT:PSS再分散液的浓度范围为1-10wt％。
5.根据权利要求1所述的一种应用于太阳能水净化的导电聚合物水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，混合溶液中PEDOT:PSS再分散液的浓度范围为：0.1-5wt％。
6.根据权利要求1所述的一种应用于太阳能水净化的导电聚合物水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，交联剂为戊二醛、硼酸钠、N-甲基吡咯烷酮中的任意一种，其浓度范围为0.5％-1％。
7.根据权利要求1所述的一种应用于太阳能水净化的导电聚合物水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中，酸的种类为盐酸(1.2M)，其浓度范围为0.1-0.5wt％。
8.一种应用于太阳能水净化的导电聚合物水凝胶，其特征在于，采用权利要求1-7任意一项所述的一种应用于太阳能水净化的导电聚合物水凝胶的制备方法制备而成。
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