CN113401961B - 一种可光谱调控的水处理用黑色素材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可光谱调控的水处理用黑色素材料的制备方法，可光谱调控的水处理用黑色素材料及一种涂覆上述材料的纤维素膜。其制备方法为，将樟脑磺酸在去离子水中完全溶解，得到樟脑磺酸溶液；将盐酸多巴胺溶于去离子水中，得到盐酸多巴胺溶液；在搅拌条件下，将樟脑磺酸溶液迅速注入樟脑磺酸溶液中；搅拌，离心并用去离子水冲洗，得到可光谱调控的水处理用黑色素材料。本发明通过盐酸多巴胺和樟脑磺酸的一锅聚合调节聚多巴胺(PDA)的吸收光谱，且樟脑磺酸的掺杂不会影响聚合物的主要结构和光热机理，PDA系统中也很少发现非热辐射。在CM膜上涂覆上述材料制成蒸发装置，蒸发速率可达1.53kgm‑2h‑1，一次太阳照射，太阳能转换效率高(～88.6％)。

Description

一种可光谱调控的水处理用黑色素材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，尤其是涉及一种可光谱调控的水处理用黑色素材料及其制备方法。
背景技术
清洁水是人类生存和社会发展的必需品，但是，其获取渠道不足。近年来的一种有效的获取渠道是从海水和废水中获取清洁水。
目前已证明可以将太阳能转化为热以进行海水蒸发，产生水蒸汽来进行海水和废水的淡化。但在现有技术中，现有海水淡化材料往往不抗盐、不抗油污，所以存在盐沉积以及污染海域使用受限等问题。
聚多巴胺(PDA)丰富的官能团，例如邻苯二酚，胺和亚胺等，使其不仅可以用以有效去除有机污染物，还赋予了PDA基材料亲水性。另外，虽然几种基于PDA的光热材料已经得到了一定的研究，但它们在水和固体状态下的光能量收集效率并不高。
申请人在研究中发现，通过合理的结构和功能裁剪，可以进一步提高PDA基纳米材料的光吸收性能和光热行为。并且PDA已经表现出的良好光收集能力和光热转换性能，这也有利于太阳能驱动的海水脱盐。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种一锅法策略，通过樟脑磺酸与盐酸多巴胺在水溶液中的直接共聚合，制备出具有可调光吸收特性的聚多巴胺集(PDA)纳米粒子 (NPs)。本发明提供的聚多巴胺微结构中掺杂樟脑磺酸，可以缩小能量带隙，改善常规PDA NPs的光吸收性能。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案如下。
一方面，本发明提供一种可光谱调控的水处理用黑色素材料的制备方法，具体的，
将樟脑磺酸在去离子水中完全溶解，得到樟脑磺酸溶液；
将盐酸多巴胺溶于去离子水中，得到盐酸多巴胺溶液；
在搅拌条件下，将樟脑磺酸溶液迅速注入樟脑磺酸溶液中；
搅拌，离心并用去离子水冲洗，得到相同尺寸的PDA，即可光谱调控的水处理用黑色素材料。
更进一步的，本发明提供一种可光谱调控的水处理用黑色素材料的制备方法，具体的，
在磁力搅拌下，将200mg-400mg的樟脑磺酸在80mL去离子水中完全溶解，得到樟脑磺酸溶液；
将200mg的盐酸多巴胺溶于20mL去离子水中，得到盐酸多巴胺溶液；
在搅拌条件下，将盐酸多巴胺溶液于5s内注入樟脑磺酸溶液中，搅拌8～16h后，离心并用去离子水冲洗三次，得到相同尺寸的PDA，即可光谱调控的水处理用黑色素材料。
更进一步的，上述可光谱调控的水处理用黑色素材料的粒径为200nm～300nm。
另一方面，本发明提供一种可光谱调控的水处理用黑色素材料，具体的，采用上述方法制备而成。
另一方面，本发明还提供一种纤维素膜，其上涂覆了上述可光谱调控的水处理用黑色素材料。
本发明采用上述技术方案，获得了以下的技术效果。
本发明提供了一种简便的方法，通过多巴胺和樟脑磺酸的一锅法聚合来调节PDA的吸收光谱。
与传统的PDA纳米材料相比，NPs具有更好的光吸收能力和全光热效应，这是通过在PDA 系统中构建施主-受体结构来降低能量带隙和增加电子离域的合理实现的。
樟脑磺酸的掺杂不会影响聚合物的主要结构和光热机理，PDA系统中也很少发现非热辐射。
本发明进一步在CM膜上涂覆了掺杂PDA，制成了一种具有良好蒸发效率的蒸发装置，其蒸发速率可达1.53kgm-2h-1。在一次太阳照射下，太阳能转换效率高(～88.6％)。
本发明可以为PDA基纳米材料的结构和功能裁剪提供机会，用于广泛的捕光应用。
具体实施方式
下面将参照具体实施方式更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然具体实施方式中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明中的技术术语包括：聚多巴胺(PDA)，纳米粒子(NPs)，纤维素膜(CM)，聚苯乙烯(PS)，樟脑磺酸(CSA)。
CSA可用作酸催化剂和手性辅助试剂等，也可用在由亲核试剂促进的炔-亚氨基环化反应中。本发明公开了一锅策略，通过樟脑磺酸与多巴胺在水溶液中的直接共聚合，制备出具有可调光吸收特性的PDA纳米粒子，在PDA微结构中掺杂樟脑磺酸，可以缩小能量带隙，改善常规PDANPs的光吸收性能，具有良好的光热效率，可进一步应用于界面太阳能蒸汽的产生和海水淡化。
以上为本发明的基本思路，以下通过具体实施例，进行进一步的说明。
实施例1 PDA-1的制备。
一种可光谱调控的水处理用黑色素材料，其制备方法如下：
在磁力搅拌20min下，将200mg的樟脑磺酸在80mL去离子水中完全溶解，得到樟脑磺酸溶液；
然后将200mg的盐酸多巴胺溶于20mL去离子水中，得到盐酸多巴胺溶液；
然后在搅拌条件下，将盐酸多巴胺溶液于5s内注入樟脑磺酸溶液中，搅拌8～16h后，离心并用去离子水冲洗三次，得到相同尺寸的可光谱调控的水处理用黑色素材料，记为PDA-1，粒径为200nm～300nm。
实施例2 PDA-2的制备。
一种可光谱调控的水处理用黑色素材料，其制备方法如下：
在磁力搅拌20min下，将300mg的樟脑磺酸在80mL去离子水中完全溶解，得到樟脑磺酸溶液；
然后将200mg的盐酸多巴胺溶于20mL去离子水中，得到盐酸多巴胺溶液；
然后在搅拌条件下，将盐酸多巴胺溶液于5s内注入樟脑磺酸溶液中，搅拌8～16h后，离心并用去离子水冲洗，得到相同尺寸的可光谱调控的水处理用黑色素材料，记为PDA-2，粒径为200nm～300nm。
实施例3 PDA-3的制备。
一种可光谱调控的水处理用黑色素材料，其制备方法如下：
在磁力搅拌20min下，将400mg的樟脑磺酸在80mL去离子水中完全溶解，得到樟脑磺酸溶液；
然后将200mg的盐酸多巴胺溶于20mL去离子水中，得到盐酸多巴胺溶液；
然后在搅拌条件下，将盐酸多巴胺溶液于5s内注入樟脑磺酸溶液中，搅拌8～16h后，离心并用去离子水冲洗，得到相同尺寸的可光谱调控的水处理用黑色素材料，记为PDA-3，粒径为200nm～300nm。
对比例PDA-0的制备
传统方法制备聚多巴胺(PDA)，具体步骤为，
将500mg的盐酸多巴胺溶于90mL去离子水和40mL乙醇的混合溶液中，室温磁搅拌10 min。
将浓度为28-30％的氨水溶液2.5mL注入上述溶液，溶液的颜色立刻变成淡褐色，逐渐变成黑色。室温下搅拌反应16h后，离心获得传统的聚多巴胺，记为PDA-0，用去离子水冲洗三次。
实验例
参见表1，为本发明PDA-0至PDA-3的性能表
表1 PDA-0至PDA-3性能表
Figure RE-GDA0003159436510000041
从表中可以看出，掺杂樟脑磺酸的PDA具有优异的光吸收和光热性能，为水蒸汽的产生和海水淡化提供了独特的机遇。
为了进一步研究PDA-3涂层CM的太阳能蒸气生成性能，本发明测量了蒸发过程中的水分损失。在黑暗条件下，该装置的蒸发速率仅为0.168kgm-2h-1。
在本实验中，PDA涂层CM在一次太阳照射下的太阳能转换效率可达88.6％，远高于体积水的28.6％和纯CM的32.3％。当太阳模拟器的功率密度增加到4个太阳光时，PDA-3涂层CM 可迅速升温，膜顶部可产生可见的蒸汽流。
本发明继续选择具有最佳光热效应的PDA-3作为进一步制备蒸发器件的候选材料。第一， PDA-3水溶液(10mgmL-1)在纤维素膜(CM)上沉积2mL，形成双层结构膜，作为亲水性光吸收体。为了降低热损失，使吸光器浮在水面上，选用聚苯乙烯(PS)泡沫(厚度为2.24cm)作为保温层，以防止装置与本体水直接接触。在聚苯乙烯泡沫塑料中心插入棉签(直径0.7cm)，通过毛细效应输送水，然后将蒸发器装置浮在水面上。在太阳光照射下，从太阳蒸汽中收集冷凝水，得到纯净水。PDA-3成功地附着在CM上，可多次用水冲洗，不剥落。与PDA-0涂层CM 和空白CM相比，PDA-3涂层CM的吸光能力有所提高。结果表明，在紫外(200～400nm)和可见(400～780nm)范围内，PDA-3涂层CM的吸光度分别为94％和88％。因此，基于PDA-3的器件可以吸收大部分的太阳能通过主光谱，在单日光照下，PDA-3涂层CM的表面温度在1min 内迅速上升到～37℃。中心温度稳定在～39.5℃。PS泡沫绝缘体在PDA-3涂层CM上具有很高的太阳能吸收。在光照下，PS泡沫的温度大致保持在室温下，表明PS泡沫对本体水的热损失得到了很好的抑制。
太阳能脱盐实验
此外，还利用渤海湾海水和盐水对海水淡化效果进行了研究，并用电感耦合等离子体光谱仪(ICP-OES)测定了海水中金属离子的浓度。对于盐水，海水淡化后，冷凝室中的盐度急剧下降了至少四个数量级，大大低于世界卫生组织和美国环境保护局规定的盐度水平。
渤海海水中四种主要离子的浓度Na+、Mg2+、Ca2+、和K+也进行了测试。脱盐后离子浓度极低，保证了本装置的性能是可行的。注意，蒸发过程中沉积在CM表面的盐也很容易被盐水冲走。通过30次循环试验(每次1小时)，研究了PDA-3涂层CM的耐久性，表明其具有良好的循环稳定性。此外，经过30次水蒸发后，表面PDA的形貌和结构保持不变。值得注意的是，PDA-3涂层CM比许多已建立的PDA基蒸发器在单日光照下的蒸发速率更高。
将PDA-CA切成圆柱形状，半径为2.4cm，高度为2.2cm。然后，将PDA-CA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(CEL-PE300L-3A，空气质量1.5全局(AM 1.5G))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(FLIR，T540)测量随时间变化的表面温度。通过电子天平(OHAUS，CP313)收集水的失重，该天平用于计算蒸发速率和效率。
表2 海水与凝结水蒸汽中离子浓度的比较
离子浓度(mg/L) Na+ Mg2+ Ca2+ K+
淡化前 11092 1037 621 311
淡化后 3.67 0.34 0.85 1.64
抗油污实验
选取甲苯和大豆油模拟油污检测装置性能(COD越小，水体有机物含量越少)
表3 抗油污实验结果
Figure RE-GDA0003159436510000051
Figure RE-GDA0003159436510000061
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665nm(MB)和555nm (Rh B)作为染料污染物，以测试本发明的可光谱调控的水处理用黑色素材料的光吸收性能。
最初，以不同浓度制备了含有染料污染物的水溶液。然后，将可光谱调控的水处理用黑色素材料(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。
使用以下公式计算可光谱调控的水处理用黑色素材料的吸收能力：
Figure RE-GDA0003159436510000062
其中c0和ce分别是染料污染物的初始浓度和平衡浓度(mgg-1)，V是水溶液的体积，m 是可光谱调控的水处理用黑色素材料的量(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：
Figure RE-GDA0003159436510000063
其中ce(mgL-1)是染料污染物的平衡浓度，qe(mgg-1)是可光谱调控的水处理用黑色素材料在平衡状态下吸收的染料污染物的量qm(mgg-1)是最大吸收能力，而KL是Langmuir吸收常数。
友好型号：
Figure RE-GDA0003159436510000064
其中ce(mgL-1)是染料污染物的平衡浓度，qe(mgg-1)是可光谱调控的水处理用黑色素材料在平衡状态下的吸收量，KF是Freundlich常数，1/n是Freundlich系数。
还测试了可光谱调控的水处理用黑色素材料吸收染料污染物的动力学。MB和Rh B的初始浓度均为20mgL-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：
Figure RE-GDA0003159436510000071
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是可光谱调控的水处理用黑色素材料(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：
Figure RE-GDA0003159436510000072
其中qt(mgg-1)是在时间t(min)被可光谱调控的水处理用黑色素材料吸收的染料污染物的量，qe(mgg-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：
Figure RE-GDA0003159436510000073
其中qt(mgg-1)是在时间t(min)被可光谱调控的水处理用黑色素材料吸收的染料污染物的量，qe(mgg-1)是平衡吸收能力，而k2(gmg-1min-1)是速率常数。
测试结果如下：
表4 在黑暗中吸收MB和Rh-B的热力学参数
Figure RE-GDA0003159436510000074
表5 在黑暗中吸收MB和Rh-B的动力学参数
Figure RE-GDA0003159436510000075
表6 单位太阳光照下各种水蒸发器的蒸发速率调研
Figure RE-GDA0003159436510000076
Figure RE-GDA0003159436510000081
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以上实施例和实验例中，盐酸多巴胺(98％)，樟脑磺酸(99％)，氨水(25-28％)，都是从强生科技有限公司(中国北京)购买的。
纤维素膜是从抚顺市民政滤纸厂获得的。
所有化学物质未经进一步纯化即可使用。
所有实验均采用去离子水。

Claims (4)

1.一种可光谱调控的水处理用黑色素材料的制备方法，其特征在于其方法为：
在磁力搅拌下，将200mg-400mg的樟脑磺酸在80mL去离子水中完全溶解，得到樟脑磺酸溶液；
将200mg的盐酸多巴胺溶于20mL去离子水中，得到盐酸多巴胺溶液；
在搅拌条件下，将盐酸多巴胺溶液于5s内注入樟脑磺酸溶液中，搅拌8～16h后，离心并用去离子水冲洗多次，得到可光谱调控的水处理用黑色素材料。
2.根据权利要求1所述的一种可光谱调控的水处理用黑色素材料的制备方法，其特征在于：所述可光谱调控的水处理用黑色素材料的粒径为200nm～300nm。
3.一种可光谱调控的水处理用黑色素材料，其特征为：采用如权利要求1或2所述 的方法制备而成。
4.一种纤维素膜，其上涂覆了如权利要求1或2所述 的方法制备的可光谱调控的水处理用黑色素材料。
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