CN113549228B

CN113549228B - 基于可控闭孔水凝胶的太阳能蒸发体及其制备方法

Info

Publication number: CN113549228B
Application number: CN202110889225.7A
Authority: CN
Inventors: 徐晓峰; 李娜
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2021-08-04
Filing date: 2021-08-04
Publication date: 2022-07-26
Anticipated expiration: 2041-08-04
Also published as: CN113549228A

Abstract

本发明公开了一种基于可控闭孔水凝胶的太阳能蒸发体及其制备方法。该蒸发体为一种内部结构以闭孔空气泡为主的水凝胶聚合体。所述水凝胶聚合体的内部具有闭孔结构，孔尺寸在50‑300μm之间，水凝胶聚合体的湿密度为0.2‑0.5 g/cm³，水凝胶聚合体的湿导热系数为0.1‑0.25 W/m·K，水凝胶聚合体在1 kW/m²的模拟太阳光的照射下可以达到1.72‑4.53 kg/m²/h的蒸发速率以及110%‑300%的太阳能光热转换效率。本发明利用机械发泡的方法使水凝胶体积膨胀，能够增大蒸发体的有效表面积，提高蒸发速率，另外，可以减小单位面积蒸发体的原料用量，降低蒸发体的原料成本。

Description

基于可控闭孔水凝胶的太阳能蒸发体及其制备方法

技术领域

本发明属于海水资源利用技术领域，具体涉及一种基于可控闭孔水凝胶的太阳能蒸发体及其制备方法。

背景技术

淡水资源短缺是人类面临的最严峻问题之一，环境污染、农业和人口增长以及社会经济发展使这一情况更加恶化。海水淡化是扩大淡水来源的有效途径之一，海水淡化技术包括反渗透、电渗析、热蒸馏、膜蒸馏等，但这些技术大多存在设备复杂、资金投入高以及耗能过高的问题。太阳能作为一种可再生的绿色能源，可以作为海水淡化的驱动力。目前，太阳能驱动的蒸发作为一种可持续的海水淡化技术得到了广泛的关注。

该研究主要经过三个阶段，第一阶段，纳米颗粒分散在溶液中作为蒸发体的块体加热，如图1a所示。但当纳米颗粒浓度低时，使得溶液对入射光的吸收较低，太阳能光热转换效率也会降低。当纳米流体的浓度高于临界值时，光可以得到充分吸收，但是，大量的高浓度纳米材料也会导致原材料浪费和成本的上升。块体加热的太阳能蒸发方式所能达到的太阳能光热转换效率为50-60%。第二阶段，蒸发体悬浮在溶液中的局部加热，如图1b所示。但蒸发体完全浸入水下，导致吸光度的降低和热损失的增加，局部加热的太阳能蒸发方式所能达到的太阳能光热转换效率为60-70%。第三阶段，吸收体漂浮在水面上的界面加热，如图1c所示。界面蒸发体可以将热量限制在水面局部，因此显著提高太阳能光热转换效率，界面加热的太阳能蒸发方式所能达到的太阳能光热转换效率为70-85%。

现有研究中的界面蒸发体内部结构以相互连通的开孔为主，蒸发体的内部孔道被水充满，导致其湿密度接近水的密接（1.0 g/cm³），漂浮于水中时其上表面与水面平齐，难以吸收环境能量用于蒸发。开孔结构界面蒸发体孔道中的水分使其湿导热系数过大（0.50-0.59 W/m·K），导致其在蒸发过程中产生较大的热传导损失。因此，开孔结构使得界面蒸发体的自漂浮能力和隔热性能较差，导致其太阳能光热转换效率难以实现进一步的突破。另外，开孔结构界面蒸发体的制备通常涉及冷冻干燥等技术，蒸发体的面积受到设备的限制，难以进行大面积制备。

发明内容

本发明提供了一种基于可控闭孔水凝胶的太阳能蒸发体及其制备方法，用以解决开孔结构蒸发体密度过大、隔热性能差、太阳能光热转换效率低、难以大面积制备等的技术问题。

常温封闭状态下，空气的导热系数为0.023 W/m·K，远低于常温常压下液态水的导热系数（0.59 W/m·K）。因此，封闭的空气泡具有非常优异的隔热性能。将闭孔气泡引入界面蒸发体中，可以降低其湿密度和湿导热系数，增强界面蒸发体的自漂浮能力，减小其蒸发过程中产生的热传导损失。如图1d所示，闭孔结构的界面蒸发体可以漂浮于水面上，其侧面暴露于空气中，实现环境能量的摄入，从而使太阳能光热转换效率突破100%。

为了达到上述目的，并基于上述原理，本发明采取的具体技术方案如下：

一种基于可控闭孔水凝胶的太阳能蒸发体，该蒸发体为一种内部结构以闭孔空气泡为主的水凝胶聚合体。

所述水凝胶聚合体的内部具有闭孔结构，孔尺寸在50-300 μm之间，水凝胶聚合体的湿密度为0.21-0.54 g/cm³，具有优异的自漂浮能力，水凝胶聚合体的湿导热系数为0.10-0.25 W/m·K，具有优异的隔热性能，水凝胶聚合体1 kW/m²的模拟太阳光的照射下在可以达到1.72-4.53 kg/m²/h的蒸发速率以及110-300%的太阳能光热转换效率，35‰的海水经过水凝胶聚合体处理后能够达到饮用水的标准。

进一步的，所述水凝胶包括但不限于聚乙烯醇、明胶、海藻酸钠、纤维素、甲壳素、壳聚糖中一种或多种组合。

更进一步的，所述水凝胶优选为海藻酸钠。

所述基于可控闭孔水凝胶的太阳能蒸发体的制备方法，包括如下步骤：

（1）将水凝胶溶解在水中，形成水凝胶溶液，向该水凝胶溶液中加入光热转换物质，继续向体系中加入交联剂，继续向体系中加入表面活性剂，搅拌形成均匀混合溶液；

（2）将所述混合溶液进行机械搅拌，形成泡沫；

（3）将上述泡沫浸泡在引发剂中，使泡沫固化，最终形成闭孔结构的水凝胶聚合物。

进一步的，所述步骤（1）具体为：将水凝胶溶解在水中，形成质量分数为20-40 mg/ml的水凝胶溶液，向该水凝胶溶液中加入150-250 mg光热转换物质碳粉，继续向体系中加入40-80 mg交联剂碳酸钙粉末，继续向体系中加入0.1-0.3 g表面活性剂十二烷基硫酸钠，搅拌形成均匀溶液。

进一步的，所述步骤（2）中所述混合溶液在1000-5000 rpm的转速下对上述体系进行机械搅拌1-20 min，形成泡沫。

更进一步的，所述步骤（2）中所述混合溶液在2000 rpm的转速下对上述体系进行机械搅拌10 min，形成泡沫。

进一步的，所述步骤（3）中，所述引发剂为1%的盐酸。

所述基于可控闭孔水凝胶的太阳能蒸发体以水凝胶为主体，通过加入光热转换物质，再进行搅拌和交联形成大量的空气泡，且空气泡的尺寸和数量能够通过调节搅拌时间和搅拌速度来控制。

所述太阳能蒸发体能够应用于海水淡化中。

本发明的优点和技术效果：

本发明利用机械发泡结合化学交联的方法，将空气泡固定在水凝胶蒸发体内部，形成闭孔结构，空气的低密度和低导热系数使闭孔水凝胶蒸发体具有优异的自漂浮能力和隔热性能。本发明利用机械发泡的方法使水凝胶体积膨胀，能够增大蒸发体的有效表面积，提高蒸发速率，另外，可以减小单位面积蒸发体的原料用量，降低蒸发体的原料成本。

本发明的制备方法简单，且避免使用冷冻干燥等高耗能设备，能够制备大面积蒸发体，便于市场推广应用。

附图说明

图1为太阳能蒸发体的类型，其中（a）为块体加热式，（b）为局部加热式，（c）为开孔结构蒸发体的界面蒸发式，（d）为闭孔结构蒸发体的界面蒸发式。

图2为开孔和闭孔水凝胶蒸发体的光学显微镜图，其中（a）为开孔水凝胶蒸发体，（b）、（c）、（d）、（e）分别为搅拌1、5、10、20 min的闭孔水凝胶蒸发体。

图3为开孔和闭孔水凝胶蒸发体冷冻干燥后的扫描电镜图，其中（a）为开孔水凝胶蒸发体，（b）、（c）、（d）、（e）分别为搅拌1、5、10、20 min的闭孔水凝胶蒸发体。

图4为闭孔水凝胶的孔尺寸分布图，其中(a)、(b)、(c)、(d)分别为搅拌1、5、10、20min的闭孔水凝胶蒸发体。

图5为开孔和闭孔水凝胶蒸发体的密度对比图。

图6为开孔和闭孔水凝胶蒸发体的湿导热系数对比图。

图7为开孔和闭孔水凝胶蒸发体在1 kW/m²太阳光下蒸发速率和太阳能光热转换效率对比图。

图8为盐度为35‰的模拟海水中和蒸发收集到的水中离子浓度对比图。

具体实施方式

以下通过具体实施例并结合附图对本发明进一步解释和说明。

实施例1：

一种基于可控闭孔水凝胶的太阳能蒸发体的制备方法，包括以下步骤：

（1）将海藻酸钠（水凝胶）粉末溶解在水中，形成质量分数为20-40 mg/ml的海藻酸钠溶液，向10 g上述溶液中加入150-250 mg光热转换物质碳粉，继续向体系中加入40-80mg交联剂碳酸钙粉末，继续向体系中加入0.1-0.3 g表面活性剂十二烷基硫酸钠，搅拌形成均匀溶液。

（2）将上述溶液在1000-5000 rpm的转速下对上述体系进行机械搅拌1-20 min，形成泡沫。

（3）将上述泡沫浸泡在引发剂1%的盐酸中，使泡沫固化，如图2、3所示，空气泡被限制在样品中，形成闭孔结构的水凝胶蒸发体。

实施例2：本实施例与实施例1的不同之处是：步骤（1）所述的交联剂可以是硫酸钙、磷酸钙其中的一种。其他与实施例1相同。

实施例3：本实施例与实施例1的不同之处是：步骤（1）所述的光热转换物质还可以是聚吡咯、聚多巴胺、聚苯胺、碳纳米管、石墨烯或金属等离子体。其他与实施例1相同。

实施例4：本实施例与实施例1的不同之处是：步骤（1）所述的表面活性剂还可以是：十二烷基苯磺酸钠、吐温80、聚乙烯醇、聚氧乙烯十六烷基醚、聚氧乙烯单月桂酸酯等。其他与实施例1相同。

实施例5：本实施例与实施例1的不同之处是：步骤（3）所述的引发剂还可以是：盐酸、硫酸、醋酸、硝酸、柠檬酸、碳酸。其他与实施例1相同。

实施例6：本实施例与实施例1的不同之处是：步骤（1）所述的水凝胶可以是聚乙烯醇、明胶、纤维素、甲壳素、壳聚糖。步骤（3）所述的交联剂可以是戊二醛、丁二醛、丙二醛、乙二醛。其他与实施例1相同。

对比例1：

一种基于开孔水凝胶的太阳能蒸发体的制备方法，包括以下步骤：

（1）将聚合物海藻酸钠粉末溶解在水中，形成质量分数为20-40 mg/ml的海藻酸钠溶液，向10 g上述溶液中加入150-250 mg光热转换物质碳粉，搅拌形成均匀溶液。

（2）将上述溶液置于-50℃下冷冻，之后将其置于温度为-80℃，真空度为25 Pa的冷冻干燥机中24 h，干燥后的样品浸泡在水中形成开孔结构的水凝胶蒸发体。

针对上述实施例和对比例得到的太阳能蒸发体进行性能分析：

1.显微镜分析

利用光学显微镜的透射模式对实施例1和对比例1制备的样品进行了观察，结果如图2所示。对比例1制得的开孔结构水凝胶蒸发体在光学显微镜下展现出均匀、无气泡的形貌。以实施例1为基础，机械搅拌速度为2000 rpm，搅拌时间分别为1、5、10、20 min时，得到的闭孔结构水凝胶蒸发体在光学显微镜下观察到大量气泡，搅拌时间为1 min和5 min时，气泡之间相互独立，当搅拌时间增加到10 min时，由于气泡数量的增加使气泡之间紧密排列，形成网状结构。搅拌时间继续增加到20 min，形貌无明显变化。

利用扫描电子显微镜对冷冻干燥后的样品内部截面进行观察，结果如图3所示。对比例制得的开孔结构水凝胶蒸发体在扫描电子显微镜下展现出相互连通的孔道结构。以实施例1为基础，机械搅拌速度为2000 rpm，搅拌时间分别为1、5、10、20 min时，得到的闭孔结构水凝胶蒸发体在扫描电子显微镜下展现出典型的闭孔结构，搅拌时间为1 min和5 min时，闭孔之间相互独立，当搅拌时间增加到10 min时，由于气泡数量的增加使闭孔之间紧密排列，形成网状结构，与光学显微镜的结果一致。搅拌时间继续增加到20 min，形貌无明显变化。

2.尺寸分析实验

利用尺寸分析软件对实施例1制备的样品孔径进行了测量、统计和分析，结果如图4所示。以实施例1为基础，机械搅拌速度为2000 rpm，搅拌时间分别为1、5、10、20 min时，得到的闭孔结构水凝胶蒸发体的平均孔径分别为85、117、125、125 μm。由此可见，随搅拌时间的延长，平均孔径先增大后稳定，孔径均匀性提高。

3. 湿密度实验

利用密度计对实施例1和对比例1制备的样品进行湿密度的测定，结果如图5所示。对比例制得的开孔结构水凝胶蒸发体的湿密度为1.0 g/cm³，与水的密度相当。以实施例1为基础，机械搅拌速度为2000 rpm，搅拌时间分别为1、5、10、20 min时，得到的闭孔结构水凝胶蒸发体的湿密度分别为0.54、0.32、0.21、0.21 g/cm³，远低于水的密度。由此可见，空气泡的引入显著降低了水凝胶的湿密度，闭孔结构水凝胶蒸发体具有优异的自漂浮性能。

4.湿导热系数实验

利用热导仪对实施例1和对比例1制备的样品进行湿导热系数的测定，结果如图6所示。对比例1制得的开孔结构水凝胶蒸发体的湿导热系数为0.52 W/m·K。以实施例1为基础，机械搅拌速度为2000 rpm，搅拌时间分别为1、5、10、20 min时，得到的闭孔结构水凝胶蒸发体的湿导热系数分别为0.25、0.15、0.10、0.10 W/m·K。由此可见，空气泡的引入显著降低了水凝胶的湿导热系数，闭孔结构水凝胶蒸发体具有优异的隔热性能。

5.蒸发实验

将实施例1和对比例1制备的样品置于盐度为35‰的模拟海水中，在光强为1 kW/m²的模拟太阳光的照射下，用连接电脑的分析天平实时测量并记录海水的质量，得到海水的质量变化曲线，由曲线斜率计算出蒸发速率，由蒸发速率计算出阳能光热转换效率，结果如图7所示。对比例制得的开孔结构水凝胶蒸发体的蒸发速率为1.21 kg/m²/h，太阳能光热转换效率80%。其蒸发性能较差，这是因为将其置于水中进行太阳能蒸发时，其孔道内部被水充满，导致其湿密度与水相当，自漂浮性能差，湿导热系数较大，隔热性能差，从而产生较大的热损失，导致其蒸发速率和光热转换速率较低。以实施例1为基础，机械搅拌速度为2000 rpm，搅拌时间分别为1、5、10、20 min时，得到的闭孔结构水凝胶蒸发体的蒸发速率分别为1.72、3.34、4.53、4.53 kg/m²/h，太阳能光热转换效率分别为110%、210%、300%；其展现出非常优异的太阳能蒸发性能，这是因为实施例1 所制备的蒸发体将空气泡限制在水凝胶中，形成闭孔结构，显著降低了水凝胶的湿密度，使其具有优异的自漂浮性能。另外，空气泡的存在使其湿导热系数明显降低，具有优异的隔热性能，在蒸发过程中可以降低热损失。其次，空气泡的引入使水凝胶体积膨胀，从而增大蒸发体的有效蒸发面积，使其可以通过侧面吸收环境能量，因此，闭孔结构水凝胶具有较高的蒸发速率和光热转换效率。

6.水质测试实验

用电感耦合等离子光谱发生仪对上述蒸发实验中收集到的水进行水质测试，结果如图8所示，模拟海水中Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺的浓度分别为10550、1300、390、400 mg/L，不符合自来水和饮用水的水质要求，而蒸发收集到的水中Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺的浓度分别降低至1.8、0.7、0.2、2.6 mg/L，完全符合世界卫生组织和国家的饮用水标准。

针对实施例1（包括搅拌时间为1、5、10、20 min）和对比例1所得太阳能蒸发体的性能数据：

关于搅拌速率和时间分析的实验设置与结果分析：

以实施例1为基础，机械搅拌速度为2000 rpm，搅拌时间分别为1、5、10、20 min时，得到的闭孔结构水凝胶蒸发体的湿密度（如图5所示）分别为0.54、0.32、0.21、0.21 g/cm³，湿导热系数（如图6所示）分别为0.25、0.15、0.10、0.10 W/m·K，蒸发速率分别为1.72、3.34、4.53、4.53 kg/m²/h，太阳能光热转换效率（如图7所示）分别为110%、210%、300%、300%。

另外，关于搅拌速度，搅拌速度可在1000-5000 rpm之间调整，针对不同的搅拌速度，可通过调整搅拌时间以达到上述相同的搅拌效果，搅拌后由于气泡的引入使样品体积增大至原来的2-5倍，在固定搅拌速率下，随搅拌时间的延长样品体积明显增大，最多可以膨胀至原来的5倍，之后再增加搅拌时间体积不再变化为止。

而对比例1得到的开孔结构水凝胶的湿密度为1.0 g/cm³（如图5所示），湿导热系数为0.52 W/m·K（如图6所示），蒸发速率为1.21 kg/m²/h，太阳能光热转换效率为80%（如图7所示）。

由上述可得，由于对比例1制得的水凝胶具有相互连通的开孔结构，将其置于水中进行太阳能蒸发时，其孔道内部被水充满，导致其湿密度与水相当，自漂浮性能差，湿导热系数较大，隔热性能差，从而产生较大的热损失，导致其蒸发速率和光热转换速率较低。而实施例1 所制备的蒸发体将空气泡限制在水凝胶中，形成闭孔结构，显著降低了水凝胶的湿密度，使其具有优异的自漂浮性能。另外，空气泡的存在使其湿导热系数明显降低，具有优异的隔热性能，在蒸发过程中可以降低热损失。其次，空气泡的引入使水凝胶体积膨胀，从而增大蒸发体的有效蒸发面积，使其可以通过侧面吸收环境能量，因此，闭孔结构水凝胶具有较高的蒸发速率和光热转换效率，展现出非常优异的太阳能蒸发性能。

本发明得益于其优异的自漂浮能力和隔热性能，闭孔结构的界面蒸发体可以漂浮于水面上，其侧面暴露于空气中，实现环境能量的摄入，从而使太阳能光热转换效率突破100%。闭孔结构的界面蒸发体的太阳能光热转换效率可以达到100%-300%。

Claims

1.一种基于闭孔水凝胶的太阳能蒸发体，其特征在于，该蒸发体为一种内部结构以闭孔空气泡为主的水凝胶聚合体；所述水凝胶聚合体的内部具有闭孔结构，孔尺寸在50-300μm之间，水凝胶聚合体的湿密度为0.2-0.5g/cm³，水凝胶聚合体的湿导热系数为0.1-0.25W/m·K。

2.如权利要求1所述的太阳能蒸发体，其特征在于，所述水凝胶包括但不限于聚乙烯醇、明胶、海藻酸钠、纤维素、甲壳素、壳聚糖中一种或多种组合。

3.如权利要求2所述的太阳能蒸发体，其特征在于，所述水凝胶为海藻酸钠。

4.权利要求1所述的太阳能蒸发体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将水凝胶溶解在水中，形成水凝胶溶液，向该水凝胶溶液中加入光热转换物质，继续向体系中加入交联剂，继续向体系中加入表面活性剂，搅拌形成均匀混合溶液；

(2)将所述混合溶液进行机械搅拌，形成泡沫；

(3)将上述泡沫浸泡在引发剂中，使泡沫固化，最终形成闭孔结构的水凝胶聚合物。

5.如权利要求4所述的太阳能蒸发体的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：将水凝胶溶解在水中，形成质量分数为20-40mg/ml的水凝胶溶液，向该水凝胶溶液中加入150-250mg光热转换物质碳粉，继续向体系中加入40-80mg交联剂碳酸钙粉末，继续向体系中加入0.1-0.3g表面活性剂十二烷基硫酸钠，搅拌形成均匀溶液。

6.如权利要求4所述的太阳能蒸发体的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述混合溶液在1000-5000rpm的转速下对上述体系进行机械搅拌1-10min，形成泡沫。

7.如权利要求6所述的太阳能蒸发体的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述混合溶液在2000rpm的转速下对上述体系进行机械搅拌10min，形成泡沫。

8.如权利要求4所述的太阳能蒸发体的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述引发剂为1％的盐酸。