CN112898627B - 一种聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶及其制备方法 - Google Patents
一种聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
发明提供一方面，本发明提供一种聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶，其制备方法和太阳能采集设备。气凝胶的制备方法为：制备NaOH尿素水溶液，冷冻，搅拌并将棉溶解，添加交联剂得到水凝胶，去离子水除去过量的化学物质，将水凝胶冷冻，然后在冷凝器中冷冻干燥，得到纤维素气凝胶。将茶多酚加入盐酸多巴胺溶液中，混合得到盐酸多巴胺茶多酚溶液。将纤维素气凝胶浸入氨溶液中，然后浸入上述盐酸多巴胺茶多酚溶液中，在纤维素气凝胶上原位涂覆聚多巴胺/茶多酚膜，去离子水洗涤，冷冻干燥，得到聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶。本发明通的复合光热凝胶在一个阳光照射下达到约1.12kg m‑1h‑1的高水分蒸发率，能量效率约为82％。
Description
技术领域
本发明提供一种聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶及其制备方法，属于清洁能源技术领域。
背景技术
清洁水是人类生存和社会发展的日常必需品之一。但是，获得清洁水的渠道不足困扰着越来越多的人。为了解决这个问题，从海水和废水中获取清洁水被认为是缓解缺水问题的可行和有效的策略。到目前为止，已经证明通过将太阳能转化为热以进行水蒸发，太阳能蒸汽的产生是一种很有前途的技术。
为了提高太阳热效率，现有技术已经有很多文献记载了许多光热蒸发器，包括金属材料，碳基材料和有机聚合物。同时，这些光热材料已被制成热定位层，以进行有效的光热转换以实现界面太阳蒸气的产生。
现有技术这些系统及其应用中仍然存在一些挑战，例如由于油污而被油污染的水。例如，金属基材料通常表现出狭窄的光吸收带宽，从而限制了它们的光收集能力。尽管碳基材料具有广泛的吸光率，但它们有毒，难以制造且容易被实际水资源中普遍存在的溢油污染。因此，有必要制造出具有成本效益的防油污材料，以用于太阳能蒸发和污染物吸附。
从历史上看，在各地海水淡化的阻碍是成本问题，它的成本高得令人望而却步。而传统的聚多巴胺材料海水淡化材料或需要大量多巴胺投料，或需要硝酸银等高成本材料共同发挥作用，均需要很高的海水淡化成本，不利于实际生产中大面积推广与使用。
发明内容
本申请的目的在于至少解决上述问题之一，本发明为实现目的采用的技术方案为：
一方面，本发明提供一种聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶的制备方法，其步骤如下：
S1制备纤维素气凝胶：
具体的，其方法包括：
S11制备NaOH尿素水溶液，冷冻；
S12搅拌并将棉充分溶解在NaOH尿素水溶液中；
S13将交联剂添加到纤维素溶液中，得到水凝胶；
S14去离子水除去水凝胶中过量的化学物质；
S15将水凝胶在冷冻，然后在冷凝器中冷冻干燥，得到纤维素气凝胶。
S2制备聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶：
具体的，其方法包括：
S21将茶多酚加入盐酸多巴胺溶液中，混合得到盐酸多巴胺茶多酚溶液；
S22将S1制得的纤维素气凝胶浸入氨溶液中，取出，再浸入上述盐酸多巴胺茶多酚溶液中，在纤维素气凝胶上原位涂覆聚多巴胺/茶多酚膜；
更为细节的，本步骤中，茶多酚的酚羟基被氧化为醌，和多巴胺的氨基通过希夫碱反应共聚交联，得到聚多巴胺掺杂的聚茶多酚；
S23去离子水洗涤；
S24冷冻干燥，得到聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶。
进一步的，本发明提供一种聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶的制备方法，其步骤如下：
S1制备纤维素气凝胶
具体的，其方法包括：
S11制备NaOH尿素水溶液100mL，并在-18～-4℃下保持1～3h；
其中，NaOH尿素水溶液中，NaOH和尿素的质量分数分比为7～12wt％和12～17wt％；
S12室温下剧烈搅拌，将2g棉充分溶解在NaOH尿素水溶液中；
S13将5mL表氯醇(ECH)作为交联剂添加到纤维素溶液中，得到水凝胶；
S14将水凝胶浸入去离子水中以去除过量的化学物质；
S15将水凝胶在-18～-4℃冷冻过夜，然后在冷凝器温度-50～-30℃冷冻干燥，生成纤维素气凝胶。
S2制备聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶
具体的，其方法包括：
S21按3～5mg/mL的浓度将茶多酚加入0.3～0.5mg/mL盐酸多巴胺溶液中，室温下搅拌10～30min使其充分混合，得到盐酸多巴胺茶多酚溶液；
S22将S1制得的纤维素气凝胶浸入0.2wt％的氨溶液中8～12h，浸入氨溶液中后取出，再浸入盐酸多巴胺茶多酚溶液中24～48h，以在纤维素气凝胶上原位涂覆聚多巴胺/茶多酚膜；
S23去离子水洗涤以去除多余的化学物质；
S24在-50℃的冷凝器温度下冷冻干燥，得到聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶。
进一步的，本发明提供一种聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶的制备方法，其步骤如下：
S1制备纤维素气凝胶
具体的，其方法包括：
S11制备NaOH尿素水溶液100mL，并在-18℃下保持1h；
其中，NaOH尿素水溶液中，NaOH和尿素的质量分数分比为7wt％和12wt％；
S12室温下剧烈搅拌，将2g棉充分溶解在NaOH尿素水溶液中；
S13将5mL表氯醇(ECH)作为交联剂添加到纤维素溶液中，得到水凝胶；
S14将水凝胶浸入去离子水中以去除过量的化学物质；
S15将水凝胶在-18℃冷冻过夜，然后在冷凝器温度-50℃冷冻干燥，生成纤维素气凝胶。
S2制备聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶
具体的，其方法包括：
S21按5mg/mL的浓度将茶多酚加入0.5mg/mL盐酸多巴胺溶液中，室温下搅拌10min使其充分混合，得到盐酸多巴胺茶多酚溶液；
S22将S1制得的纤维素气凝胶浸入0.2wt％的氨溶液中8h，浸入氨溶液中后取出，再浸入盐酸多巴胺茶多酚溶液中24h，以在纤维素气凝胶上原位涂覆聚多巴胺/茶多酚膜；
S23去离子水洗涤以去除多余的化学物质；
S24在-50℃的冷凝器温度下冷冻干燥，得到聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶。
另一方面，本发明还提供一种聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶，采用方法制备。
本发明通过上述技术方案，取得如下技术效果。
本发明中，纤维素气凝胶基材不仅具有轻便，经济高效和隔热的特性，而且还具有多孔结构，可实现高效的水传输和防盐垢。本发明通过聚多巴胺/茶多酚的表面改性，具有粗糙表面的聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶在一个阳光照射下可以达到约1.12kgm-1h-1的高水分蒸发率，能量效率约为82％。
在聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶的优异亲水性不仅加速了水在聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶表面的毛细作用，而且还防止了油污染物上升到高温区域。
此外，由于聚多巴胺/茶多酚中存在丰富的活性基团，因此聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶可通过氢键，双齿螯合或π-π相互作用有效去除有机染料。
即使在油污染的水中，在聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶仍具有优异的日光蒸发性能，并且可以有效去除水溶性污染物，显示出很大的水修复潜力。
最后，得益于低成本茶多酚的掺杂，本申请所使用的盐酸多巴胺浓度远低于现有所有产品，而盐酸多巴胺的高成本是对于此类海水淡化装置的最大制约因素。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
申请人在研究中发现，聚多巴胺是一种以贻贝为灵感的粘合剂聚合材料，通常是通过在弱碱性条件下将多巴胺单体自聚合而合成的。聚多巴胺具有丰富的官能团，例如邻苯二酚，胺和亚胺，不仅可以用作有效去除有机污染物的固定剂，而且还赋予聚多巴胺基材料以亲水性。另外，聚多巴胺已经显示出良好的光收集能力和光热转换性能，这也有利于太阳能驱动的水脱盐。聚多巴胺的所有这些有前途的功能都通过蒸发和吸收有机染料或溢油的多污染物海水。
申请人在研究中还发现，大自然可以为我们提供大量迷人的灵感来源，帮助我们构建具有独特结构和优异性能的功能材料和器件。例如，在泡茶过程中，茶渍很容易沉积在茶杯的内部金属表面，形成稳定耐用的深色涂层。在化学方面，茶渍的形成可能涉及茶多酚在空气中复杂的界面氧化。受此启发，发明人推测茶多酚酚醌异构产生的羰基可能与多巴胺的氨基发生希夫碱反应交联更好的成膜，两者的共同使用还可以降低成本，有望成为新一代太阳能海水淡化的可持续光热材料。
申请人在研究中还发现，纤维素是全球最丰富和可再生的天然聚合物材料之一，具有成本效益和环境友好性。通过将纤维素溶解在NaOH/尿素水溶液中，能够通过经由纤维素的许多水凝胶基团的物理或化学交联来进一步制备纤维素水凝胶。在除去水凝胶中的水之后，可以制造出重量轻，孔隙率高，回弹性，生物降解性和低热导率的纤维素气凝胶。这些凝胶作为太阳能利用的有前途的基材，引起了极大的兴趣，也有利于太阳能蒸汽产生。
基于此，发明人提出了一种聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶，用于吸收可溶性污染物和油污染的水蒸发。
一方面，本发明提供一种聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶的制备方法，
S1制备纤维素气凝胶：
具体的，其方法包括：
S11制备NaOH尿素水溶液，冷冻；
本步骤中的NaOH尿素水溶液以100mL计；其中，NaOH和尿素的质量分数分比为7～12wt％和12～17wt％；所述冷冻指的是在-18～-4℃下保持1～3h；
S12搅拌并将棉充分溶解在NaOH尿素水溶液中；
本步骤中，棉以2g计；其中，为了使棉充分溶解，可以在室温下剧烈搅拌；
S13将交联剂添加到纤维素溶液中，得到水凝胶；
交联剂以5mL计；其中交联剂优选的为表氯醇(ECH)，本领域技术人员也可以采用其他的可实现同样技术效果的交联剂；
S14去离子水除去水凝胶中过量的化学物质；
S15将水凝胶在冷冻，然后在冷凝器中冷冻干燥，得到纤维素气凝胶；
本步骤中，冷冻温度为-18～-4℃，冷冻过夜，时间可以优选在12h；冷凝器温度为-50～-30℃。
S2制备聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶：
具体的，其方法包括：
S21将茶多酚加入盐酸多巴胺溶液中，混合得到盐酸多巴胺茶多酚溶液；
本步骤中，按3～5mg/mL的浓度将茶多酚加入0.3～0.5mg/mL盐酸多巴胺溶液中，为了实现更良好的混合效果，可以在室温下搅拌10～30min；
S22将S1制得的纤维素气凝胶浸入氨溶液中，然后取出，再浸入上述盐酸多巴胺茶多酚溶液中，在纤维素气凝胶上原位涂覆聚多巴胺/茶多酚膜；
具体的，本步骤中，将纤维素气凝胶浸入0.2wt％的氨溶液中8～12h，取出再浸入多巴胺盐酸盐茶多酚溶液中24～48h；
更为细节的，本步骤中，茶多酚的酚羟基被氧化为醌，和多巴胺的氨基通过希夫碱反应共聚交联，得到聚多巴胺掺杂的聚茶多酚；
希夫碱：主要是指含有亚胺或甲亚胺特性基团(－RC＝N－)的一类有机化合物，通常希夫碱是由胺和活性羰基缩合而成；
S23去离子水洗涤；
S24冷冻干燥，得到在聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶；
本步骤中，在-50℃的冷凝器温度下冷冻干燥。
另一方面，本发明还提供一种聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶，采用方法制备。
以上为本发明的技术思路，为了使本领域的技术人员更加详细的知晓其技术方案及技术效果，以下就详细实施例进行更为细节的描述。
实施例1
一种聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶的制备方法，其步骤如下：
S1制备纤维素气凝胶
具体的，其方法包括：
S11制备NaOH尿素水溶液100mL，并在-18℃下保持1h；
其中，NaOH尿素水溶液中，NaOH和尿素的质量分数分比为7wt％和12wt％；
S12室温下剧烈搅拌，将2g棉充分溶解在NaOH尿素水溶液中；
S13将5mL表氯醇(ECH)作为交联剂添加到纤维素溶液中，得到水凝胶；
S14将水凝胶浸入去离子水中以去除过量的化学物质；
S15将水凝胶在-18℃冷冻过夜，然后在冷凝器温度-50℃冷冻干燥，生成纤维素气凝胶。
S2制备聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶
具体的，其方法包括：
S21按5mg/mL的浓度将茶多酚加入0.5mg/mL盐酸多巴胺溶液中，室温下搅拌10min使其充分混合，得到盐酸多巴胺茶多酚溶液；
S22将S1制得的纤维素气凝胶浸入0.2wt％的氨溶液中8h，取出，然后浸入上述盐酸多巴胺茶多酚溶液中24h，以在纤维素气凝胶上原位涂覆聚多巴胺/茶多酚膜。
S23去离子水洗涤以去除多余的化学物质；
S24在-50℃的冷凝器温度下冷冻干燥，得到聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶。
实施例2
一种聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶的制备方法，其步骤如下：
S1制备纤维素气凝胶
具体的，其方法包括：
S11制备NaOH尿素水溶液100mL，并在-4℃下保持3h；
其中，NaOH尿素水溶液中，NaOH和尿素的质量分数分比为12wt％和17wt％；
S12室温下剧烈搅拌，将2g棉充分溶解在NaOH尿素水溶液中；
S13将5mL表氯醇(ECH)作为交联剂添加到纤维素溶液中，得到水凝胶；
S14将水凝胶浸入去离子水中以去除过量的化学物质；
S15将水凝胶在-4℃冷冻过夜，然后在冷凝器温度-30℃冷冻干燥，生成纤维素气凝胶。
S2制备聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶
具体的，其方法包括：
S21按3mg/mL的浓度将茶多酚加入0.3mg/mL盐酸多巴胺溶液中，室温下搅拌30min使其充分混合，得到盐酸多巴胺茶多酚溶液；
S22将S1制得的纤维素气凝胶浸入0.2wt％的氨溶液中12h，浸入氨溶液中后取出，再浸入盐酸多巴胺茶多酚溶液中48h，以在纤维素气凝胶上原位涂覆聚多巴胺/茶多酚膜；
S23去离子水洗涤以去除多余的化学物质；
S24在-50℃的冷凝器温度下冷冻干燥，得到聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶。
实施例3
进一步的，本发明提供一种聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶的制备方法，其步骤如下：
S1制备纤维素气凝胶
具体的，其方法包括：
S11制备NaOH尿素水溶液100mL，并在-10℃下保持2h；
其中，NaOH尿素水溶液中，NaOH和尿素的质量分数分比为10wt％和15wt％；
S12室温下剧烈搅拌，将2g棉充分溶解在NaOH尿素水溶液中；
S13将5mL表氯醇(ECH)作为交联剂添加到纤维素溶液中，得到水凝胶；
S14将水凝胶浸入去离子水中以去除过量的化学物质；
S15将水凝胶在-12℃冷冻过夜，然后在冷凝器温度-40℃冷冻干燥，生成纤维素气凝胶。
S2制备聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶
具体的，其方法包括：
S21按4mg/mL的浓度将茶多酚加入0.4mg/mL盐酸多巴胺溶液中，室温下搅拌20min使其充分混合，得到盐酸多巴胺茶多酚溶液；
S22将S1制得的纤维素气凝胶浸入0.2wt％的氨溶液中10h，浸入氨溶液中后取出，再浸入盐酸多巴胺茶多酚溶液中36h，以在纤维素气凝胶上原位涂覆聚多巴胺/茶多酚膜；
S23去离子水洗涤以去除多余的化学物质；
S24在-50℃的冷凝器温度下冷冻干燥，得到聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶。
对比例
一种聚多巴胺纤维素气凝胶的制备方法，其步骤如下：
S1制备纤维素气凝胶
具体的，其方法包括：
S11制备NaOH尿素水溶液100mL，并在-18℃下保持1h；
其中，NaOH尿素水溶液中，NaOH和尿素的质量分数分比为7wt％和12wt％；
S12室温下剧烈搅拌，将2g棉充分溶解在NaOH尿素水溶液中；
S13将5mL表氯醇(ECH)作为交联剂添加到纤维素溶液中，得到水凝胶；
S14将水凝胶浸入去离子水中以去除过量的化学物质；
S15将水凝胶在-18℃冷冻过夜，然后在冷凝器温度-50℃冷冻干燥，生成纤维素气凝胶。
S2制备聚多巴胺纤维素气凝胶
具体的，其方法包括：
S21将S1制得的纤维素气凝胶浸入0.2wt％的氨溶液中8h，然后浸入2mg/mL盐酸多巴胺溶液中24h，以在纤维素气凝胶上原位涂覆聚多巴胺膜；
S22去离子水洗涤以去除多余的化学物质；
S23在-50℃的冷凝器温度下冷冻干燥，得到聚多巴胺纤维素气凝胶。
为了进一步说明本发明的具体效果，以下以实施例1和对比例为例，进行太阳能脱盐实验。
具体的，将实施例1得到的聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶切成圆柱形状，半径为2.4cm，高度为2.2cm。然后，将其通过耐油橡胶板的孔固定，该孔紧紧覆盖100mL玻璃烧杯的顶部。玻璃烧杯仅充满海水或含油的海水。该设备被氙气灯作为太阳模拟器照明。打开太阳能模拟器后，通过红外热像仪测量随时间变化的表面温度。通过电子天平收集水的失重，该天平用于计算蒸发速率和效率。在环境条件下，水滴仅在2.0s内迅速吸收到聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶中，显示出聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶优异的亲水性和水传输能力。
通常，光热材料在实际情况中经常遇到复杂的水质，例如浮在海水上的溢油。水上的油可能粘附在吸收器的表面上，从而阻塞水的输送通道，导致太阳蒸发率下降。因此，聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶的疏脂性很明显。本发明的聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶，除了具有丰富的亲水性官能团(-OH，-NH2)外，表面粗糙度还可以改善其固有的亲水性，这对于防止油污是必不可少的。为了测试聚多巴胺/茶多酚-纤维素气凝胶的防污垢能力，同时选择了甲苯和大豆油来模拟油污，聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶可以排斥油层并将海水仅输送到其顶面。在存在油污的情况下，蒸发速率可以保持约1.1kg m-2h-1的蒸汽产生效率，与纯海水的蒸发相比仅略有下降。
太阳能吸收器的抗盐垢特性对于长期淡化使用也很重要。通常，由于水传输引起的盐吸收与能够扩散的盐排出之间的平衡，凝胶材料本身通常具有固有的防盐垢功能。当将盐晶体洒在聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶的表面上时，无论有无太阳光照射，它都可以在60分钟内消除，这表明聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶的自清洁特性。
光热材料的光收集能力高度依赖于太阳能的吸收能力。经计算，聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶在阳光照射下对海水的蒸发效率为82％。值得注意的是，聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶的高光吸收，快速的水传输和隔热性能也归因于水蒸汽产生的高性能。
而与对比例相比，得益于茶多酚的掺杂，在取得略好效果的基础上，并不需要大量、高浓度的盐酸多巴胺投料，也不需要硝酸银等高成本材料共同发挥作用，因而有效的大大降低了海水淡化成本，有利于实际生产中大面积推广与使用。
吸附测量
在温度控制的振荡器中以100rpm的搅拌速度进行吸收测量。选择MB和Rh B作为染料污染物，以测试本发明的聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶的吸收性能。
最初，以不同浓度制备了含有染料污染物的水溶液。然后，将聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶(50mg±2mg)放入每种溶液20mL中，并在黑暗中振摇24h，以达到吸收平衡。
使用紫外可见分光光度计以固定的时间间隔测量MB和Rh B的浓度，这可以通过665nm(MB)和555nm(Rh B)的吸光度来计算。
使用以下公式计算聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶的吸收能力
其中c0和ce分别是染料污染物的初始浓度和平衡浓度(mg g-1)，V是水溶液的体积，m是聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶的量(mg)。
此外，为了研究吸收等温线，在浓度范围为10mg/L至100mg/L的水溶液中进行了单一染料污染物吸收实验。将得出的吸收等温线数据拟合到以下模型中
朗缪尔模型：
其中ce(mg L-1)是染料污染物的平衡浓度，qe(mg g-1)是聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶在平衡状态下吸收的染料污染物的量qm(mg g-1是最大吸收能力，而KL是Langmuir吸收常数。
友好型号：
其中ce(mg L-1)是染料污染物的平衡浓度，qe(mg g-1)是聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶在平衡状态下的吸收量，KF是Freundlich常数，1/n是Freundlich系数。
还测试了聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶吸收染料污染物的动力学。MB和Rh B的初始浓度均为20mg L-1。如上所述以固定的时间间隔测量两种染料的浓度。吸收量(qt)与时间(t)之间的关系通过以下公式计算
其中c0和ct分别是在初始时间和给定时间的染料污染物浓度，V是溶液体积(mL)，m是聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶量(mg)。为了进行动力学研究，将数据拟合到以下模型
伪一阶动力学方程：
其中qt(mg g-1)是在时间t(min)被聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶吸收的染料污染物的量，qe(mg g-1)是平衡吸收能力，而k1(min-1)是速率常数。
伪二阶动力学方程：
其中qt(mg g-1)是在时间t(min)被聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶吸收的染料污染物的量，qe(mg g-1)是平衡吸收能力，而k2(g mg-1min-1)是速率常数。
测试结果如下：
表1聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶在黑暗中吸收MB和Rh-B的热力学参数
表2聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶在黑暗中吸收MB和Rh-B的动力学参数
所有结果表明，聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶在高效太阳能蒸汽产生过程中具有出色的防盐/防污性能，有利于实际应用。为了研究脱盐性能，通过冷玻璃冷凝器收集水蒸汽，在其中评估金属离子浓度和有机含量。海水中主要离子(Na+，Mg2+和K+)的浓度以3-4级下降，降至10ppm以下，远低于标准由世界卫生组织(WHO)和美国环境保护署(EPA)定义。对于大豆和甲苯层覆盖的海水，冷凝水中的油污染物浓度均为2ppm左右，可通过化学需氧量(COD)进行测量，这表明聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶在油污染的海水净化中的实用性。
然后，还通过将吸收剂在海水上漂浮10天来评估聚多巴胺/茶多酚-纤维素气凝胶的耐久性。聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶每天被太阳照亮2小时，因此蒸发速率相当稳定。值得注意的是，聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶的表面上没有盐沉积，再次证明了其良好的防污性能。
聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶还可以吸附溶解在水中的有机染料污染物，这是一种清洁有效的清洁水生产工艺。茶多酚的引入可以为聚多巴胺/茶多酚体系提供丰富的羟基形成氢键。此外，聚多巴胺/茶多酚芳环与许多有机染料之间的静电吸引和π-π堆积相互作用也归因于染料污染物的有效去除。本发明选择了常用的有机染料MB和Rh B作为污染物，进行平衡等温线以评估聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶的吸收过程和能力。实验结果显示，聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶对MB和Rh B的吸收能力强，分别超过11.5mg g-1和16.5mg g-1，并且随着染料浓度在10mg/L范围内的增加而增加。
此外，得益于低成本茶多酚的掺杂，本发明的盐酸多巴胺浓度远低于现有技术的所有产品，而盐酸多巴胺的高成本是对于此类海水淡化装置的最大制约因素。
采用同样的方法，对对比例得到的聚多巴胺纤维素气凝胶进行同样的实验，得到的结果如下表3和表4
表3聚多巴胺纤维素气凝胶在黑暗中吸收MB和Rh-B的热力学参数
表4聚多巴胺纤维素气凝胶在黑暗中吸收MB和Rh-B的动力学参数
本发明实施例中的棉花由康达卫生材料公司(中国遂宁)提供。
盐酸多巴胺(98％)，茶多酚(98％)，氨溶液(25wt％-28wt％)，NaOH(99％)，尿素(98％)，表氯醇(99％)，甲苯(99％)，亚甲基蓝(99％)，罗丹明B(99％)购自J&K ChemicalCo.(中国北京)。
大豆油购自当地商店。
耐油橡胶板购自Lingcan橡胶塑料公司(中国上海)。
去离子水用于制备和吸附实验。
海水样本取自东海的天然海水。
本发明提供的技术方案，不受上述实施例的限制，凡是利用本发明的结构和方式，经过变换和代换所形成的技术方案，都在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1 制备纤维素气凝胶：
S11 制备NaOH尿素水溶液，冷冻；
S12搅拌并将棉充分溶解在NaOH尿素水溶液中，制得纤维素溶液；
S13 将交联剂添加到纤维素溶液中，得到水凝胶；
S14 去离子水除去水凝胶中过量的化学物质；
S15 将水凝胶冷冻，然后在冷凝器中冷冻干燥，得到纤维素气凝胶；
S2 制备聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶：
S21 将茶多酚加入盐酸多巴胺溶液中，混合得到盐酸多巴胺茶多酚溶液；
S22 将S1制得的纤维素气凝胶浸入氨溶液中，取出后，再浸入上述盐酸多巴胺茶多酚溶液中，在纤维素气凝胶上原位涂覆聚多巴胺/茶多酚膜；
此步骤中，茶多酚的酚羟基被氧化为醌，和多巴胺的氨基通过希夫碱反应共聚交联，得到聚多巴胺掺杂的聚茶多酚；
S23 去离子水洗涤
S24冷冻干燥，得到聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶。
2.如权利要求1所述的一种聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1 制备纤维素气凝胶
S11 制备NaOH 尿素水溶液100mL，并在-18~-4℃下保持1 ~3h；
其中， NaOH 尿素水溶液中，NaOH和尿素的质量分数分别为7 ~12wt％和 12 ~17wt％；
S12 室温下剧烈搅拌，将2g棉充分溶解在 NaOH 尿素水溶液中，制得纤维素溶液；
S13 将5 mL表氯醇（ECH）作为交联剂添加到纤维素溶液中，得到水凝胶；
S14 将水凝胶浸入去离子水中以去除过量的化学物质；
S15 将水凝胶在-18~-4℃冷冻过夜，然后在冷凝器温度-50~-30℃冷冻干燥，生成纤维素气凝胶；
S2 制备聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶
S21 按3~5mg/mL的浓度将茶多酚加入0.3~0.5 mg / mL盐酸多巴胺溶液中，室温下搅拌10~30min使其充分混合，得到盐酸多巴胺茶多酚溶液；
S22 将S1制得的纤维素气凝胶浸入0.2 wt％的氨溶液中8~12 h，取出，再浸入氨溶液中后取出，再浸入盐酸多巴胺茶多酚溶液中24~48 h，以在纤维素气凝胶上原位涂覆聚多巴胺/茶多酚膜；
S23 去离子水洗涤以去除多余的化学物质；
S24在-50℃的冷凝器温度下冷冻干燥，得到聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶。
3.如权利要求1所述的一种聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1 制备纤维素气凝胶
S11 制备NaOH 尿素水溶液100mL，并在-18℃下保持1 h；
其中， NaOH 尿素水溶液中，NaOH和尿素的质量分数分别为7 wt％和 12 wt％；
S12 室温下剧烈搅拌，将2g棉充分溶解在 NaOH 尿素水溶液中，制得纤维素溶液；
S13 将5 mL表氯醇（ECH）作为交联剂添加到纤维素溶液中，得到水凝胶；
S14 将水凝胶浸入去离子水中以去除过量的化学物质；
S15 将水凝胶在-18℃冷冻过夜，然后在冷凝器温度-50℃冷冻干燥，生成纤维素气凝胶；S2 制备聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶
S21 按5mg/mL的浓度将茶多酚加入0.5 mg / mL盐酸多巴胺溶液中，室温下搅拌10min使其充分混合，得到盐酸多巴胺茶多酚溶液；
S22 将S1制得的纤维素气凝胶浸入0.2 wt％的氨溶液中8 h，取出，再浸入上述盐酸多巴胺茶多酚溶液中24 h，以在纤维素气凝胶上原位涂覆聚多巴胺/茶多酚膜；
S23 去离子水洗涤以去除多余的化学物质；
S24在-50℃的冷凝器温度下冷冻干燥，得到聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶。
4.一种采用权利要求1至3任一的方法制备的聚多巴胺/茶多酚/纤维素复合光热凝胶。
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