CN114452954B - 一种导热式水蒸气吸附剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种导热式水蒸气吸附剂及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN114452954B
CN114452954B CN202210133970.3A CN202210133970A CN114452954B CN 114452954 B CN114452954 B CN 114452954B CN 202210133970 A CN202210133970 A CN 202210133970A CN 114452954 B CN114452954 B CN 114452954B
Authority
CN
China
Prior art keywords
adsorbent
microgel
heat
organic silicon
water
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210133970.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114452954A (zh
Inventor
赵华章
刘金炜
徐毅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Peking University
Original Assignee
Peking University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Peking University filed Critical Peking University
Priority to CN202210133970.3A priority Critical patent/CN114452954B/zh
Publication of CN114452954A publication Critical patent/CN114452954A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114452954B publication Critical patent/CN114452954B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/22—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising organic material
    • B01J20/26—Synthetic macromolecular compounds
    • B01J20/265—Synthetic macromolecular compounds modified or post-treated polymers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/28—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties
    • B01J20/28014—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their form
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30—Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/3078—Thermal treatment, e.g. calcining or pyrolizing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30—Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/3085—Chemical treatments not covered by groups B01J20/3007 - B01J20/3078
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E03—WATER SUPPLY; SEWERAGE
    • E03B—INSTALLATIONS OR METHODS FOR OBTAINING, COLLECTING, OR DISTRIBUTING WATER
    • E03B3/00—Methods or installations for obtaining or collecting drinking water or tap water
    • E03B3/28—Methods or installations for obtaining or collecting drinking water or tap water from humid air

Abstract

本发明提供了一种导热式水蒸气吸附剂及其制备方法和应用，涉及吸附取水技术领域。本发明制备的导热式水蒸气吸附剂，由有机硅微凝胶、聚多巴胺和金属镀层形成准核‑壳结构，其中，有机硅微凝胶由金属镀层包覆，二者之间通过聚多巴胺粘结；所述聚多巴胺表面还均匀分布有纳米银催化点位，金属镀层与纳米银催化点位相接触。制备得到的吸附剂中含有大量亲水有机基团，亲水基团数量可调，从而使其能够在广湿度范围内捕水。吸附剂颗粒堆积后形成具有三维导热通道的吸附床，可以有效加强传热传质能力，大幅提升释水和产水效率。另外，制备得到的吸附剂性质稳定，可重复利用，可以有效降低产水成本，提高生产效益。

Description

一种导热式水蒸气吸附剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于吸附取水技术领域，具体涉及一种导热式水蒸气吸附剂及其制备方法和应用。
背景技术
空气中的含水量巨大，约为12.9×103 km3，是所有江河水量的6倍。从空气中吸附获取水可弥补淡水资源的不足，对于缓解全球水短缺具有重要意义。吸附式空气取水技术的原理是利用吸附剂将水蒸气捕集，再将水分蒸发冷凝为液态水。相较于收集雾滴和直接冷凝法，该技术具有能耗低、适用湿度范围广的优点，具有更大的应用前景。
目前，常用的水蒸气吸附剂主要有沸石、硅胶、金属有机框架材料及吸湿性盐等，应用时通常需要将吸附剂粉体堆积形成吸附床。但这些传统吸附剂导热系数低，形成吸附床后传热和传质性能较差，导致释水缓慢，产水效率低。制备具有高导热性能、能够广湿度捕水且性质稳定的水蒸气吸附材料，成为吸附式空气取水技术应用中急需解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种导热式水蒸气吸附剂，由有机硅微凝胶、聚多巴胺和金属镀层形成准核-壳结构，其中，有机硅微凝胶由金属镀层包覆，二者之间通过聚多巴胺粘结；所述聚多巴胺表面还均匀分布有纳米银催化点位，金属镀层与纳米银催化点位相接触。
制备得到的吸附剂中含有大量亲水有机基团，亲水基团数量可调，从而使其能够在广湿度范围内捕水。而吸附剂颗粒堆积后形成具有三维导热通道的吸附床，可以进一步加强传热传质能力，大幅提升释水和产水效率。
本发明的另一目的在于提供一种导热式水蒸气吸附剂的制备方法，制备有机硅微凝胶，进行两步活化处理；将处理后的有机硅微凝胶加入金属镀液中，调节至适宜pH，搅拌反应2-48 h，离心分离并干燥，即可得到导热水蒸气吸附剂。
本发明的制备工艺简单，可选取材料丰富，成本低廉，反应过程安全高效，生产过程易于控制，可以实现大批量连续生产。
为实现上述目的，本发明提供一种导热式水蒸气吸附剂的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）制备有机硅微凝胶：将乙烯基三甲氧基硅烷、带有亲水有机基团的硅烷、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵溶解于去离子水中，形成反应体系1，进行聚合反应，反应结束后加入丙酮，搅拌过滤得到沉淀，将沉淀冷冻干燥，即可得到有机硅微凝胶；
（2）有机硅微凝胶活化处理：用盐酸多巴胺和硝酸银对有机硅微凝胶改性活化；
（3）制备金属镀层：将金属镀液用化学镀的方法，在活化处理后的有机硅微凝胶表面形成导热金属镀层，即可得到导热式水蒸气吸附剂；
其中，活化的作用是使有机硅微凝胶表面带有一些活性位点，活性位点具有催化的功能，能够催化化学镀过程，即催化金属离子在材料表面还原为金属。本发明中的活性位点为纳米银颗粒。
在一优选的实施方式中，步骤（1）中，所述反应体系1中各组分的浓度为：乙烯基三甲氧基硅烷0.001~50 mol/L、带有亲水有机基团的硅烷0.001~150 mol/L、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.00001~0.1 mol/L和过硫酸铵0.00001~0.1 mol/L；
所述带有亲水有机基团的硅烷分子式为Ra-Si-(OR’)(4-a)，其中R为带有季铵、氨基、羧基或羟基的有机基团，R’为甲基或乙基，a=1~3；
更优选的，带有亲水有机基团的硅烷选自3-(三甲氧基硅烷基)丙基-N-三甲基氯化铵、3-氨丙基三甲氧基硅烷中的任意一种；
所述聚合反应的步骤为：在惰性气氛保护下，以反应温度50~90℃，搅拌转速40~500r/min，搅拌反应6~48 h，更优选的，惰性气氛为氮气。
其中，所述述聚合反应的步骤中，选取的搅拌时间、反应温度可保证以下两个反应充分进行：乙烯基三甲氧基硅烷通过自由基反应聚合成凝胶，烷氧基水解聚合，使亲水有机基团连接到凝胶骨架上。
在一优选的实施方式中，步骤（1）中，所述加入的丙酮与反应体系1的体积比为（1~5）：1；
所述过滤采用0.22μm的滤膜，并将沉淀用去离子水清洗2-4次；
所述冷冻干燥步骤为：在-50~-60℃条件下，静置12~72h，至有机硅微凝胶质量不变化即可。
其中，丙酮的添加目的是降低微凝胶的溶解性，使微凝胶沉淀下来，从反应体系溶液中分离出来；用0.22µm滤膜可截留住大部分微凝胶产物，减少产物流失；冷冻干燥则可以去除微凝胶中残留水分。
在一优选的实施方式中，步骤（2）中，用盐酸多巴胺改性步骤为：将步骤（1）得到的有机硅微凝胶分散于1~3 mg/mL的盐酸多巴胺溶液中；
有机硅微凝胶与盐酸多巴胺溶液的质量体积比为(0.5~30):1,g/L；
以转速40~500r/min搅拌6~24 h，离心过滤，收集沉淀，用去离子水洗涤并干燥，得到聚合物1；
更优选的，离心条件为：以转速5000~10000 r/min离心5~30 min；
用去离子水洗涤2-4次后，干燥条件为：在60~100 ℃温度下，干燥6~48 h，直至材料质量不再减轻。
其中，上述有机硅微凝胶和盐酸多巴胺溶液的用量、搅拌时间和转速，可保证多巴胺在材料表面充分聚合，使材料表面富含均匀的羟基，利于下一步银离子的均匀沉积；去离子水洗涤可减少杂质影响；干燥至材料质量不再减轻，是为了确保水分充分去除，若有残留的水分，将引入下一步反应体系中，使下一步反应的反应物浓度降低。
在一优选的实施方式中，步骤（2）中，用硝酸银活化步骤为：将聚合物1分散于0.2~20 mg/mL硝酸银溶液中；
聚合物1与硝酸银的质量体积比为(1~200):1,g/L；
以转速40~500r/min搅拌2~48 h，离心过滤，收集沉淀，用去离子水洗涤并干燥，得到聚合物2；
更优选的，离心条件为：以转速5000~10000 r/min离心5~30 min；
用去离子水洗涤2-4次后，干燥条件为：在60~100 ℃温度下，干燥6~48 h，直至材料质量不再减轻。
其中，上述聚合物1与硝酸银的用量可确保纳米银离子均匀分布于聚多巴胺表面，若比例大于该范围，会导致微凝胶负载的纳米银数量不足，催化效果不好；去离子水洗涤可减少杂质影响；干燥至材料质量不再减轻，是为了确保水分充分去除，若有残留的水分，将引入下一步反应体系中，使下一步反应的反应物浓度降低。
在一优选的实施方式中，步骤（3）中，所述金属镀液包括待镀的金属盐、还原剂和络合剂；
其中，金属盐在金属镀液中的浓度为0.01~1 mol/L，还原剂在金属镀液中的浓度为0.03~2 mol/L，络合剂与金属盐的摩尔比为(1~4): 1；
金属盐为CuSO4、CuCl2、Cu(NO3)2、Cu2(OH)2CO3、NiCl2、Ni(NO3)2、NiSO4、Ni(CH3COO)2、AgCl、AgNO3中的任意一种；
还原剂为甲醛、次磷酸盐、乙醛酸、硼氢化钠、二甲胺基硼烷、葡萄糖中的任意一种；
络合剂为酒石酸钾钠、柠檬酸盐、乙二胺四乙酸二钠、四羟丙基乙二胺、三乙醇胺、氨水中的任意一种或几种。
其中，若在金属镀液中，金属盐的浓度超过前述范围时会导致金属离子在溶液体相中生成并团聚，不利于其在材料表面沉积；而络合剂的摩尔比太低时，化学镀的沉积速率降低；络合剂的摩尔比高于前述范围时，络合剂之间竞争结合金属离子，阻碍金属离子快速地获得电子沉积到材料表面。
在一优选的实施方式中，步骤（3）中，所述化学镀的步骤为：将聚合物2溶剂于金属镀液中，聚合物2与金属镀液的质量体积比为(2~50): 1,g/L，调节溶液pH，搅拌反应，离心过滤，收集沉淀并干燥，即可得到导热式水蒸气吸附剂；
其中，所述调节溶液pH至7-13；
搅拌反应条件为：以转速40~500r/min搅拌2~48 h；
离心条件为：以转速5000~10000 r/min离心5~30 min；
干燥条件为：在60~100 ℃温度下，干燥6~48 h，直至材料质量不再减轻。
其中，前述聚合物2与金属镀液的质量体积比可保证化学镀的速率，获得较高的金属沉积量；调节pH的目的既能提高还原剂的还原能力，又能保证镀液的稳定性，减少副反应的发生；前述搅拌反应的转速和时间，则是为了使镀液和待镀材料更好的接触，保证待镀的金属在材料的各个面上均匀沉积；去离子水或超纯水清洗，可以去除未反应物和反应副产物；干燥至材料质量不再减轻，可以确保水分充分去除。
在一优选的实施方式中，在步骤（3）后，还包括将制备得到的导热式水蒸气吸附剂高温烧结，使吸附剂表面的金属粒子固化；
所述高温烧结条件为，在80~250 ℃温度下，烧结0.5~24 h。
高温烧结的目的是使镀上去的金属颗粒固化，使镀层在有机硅微凝胶表面更加稳定。
本发明的另一目的在于提供一种导热式水蒸气吸附剂在空气集水领域的应用，仅需在密闭容器底部堆积吸附剂颗粒，再使吸附剂和容器上壁面产生温差，即可有效富集空气中的水汽，应用简单方便，对环境条件要求低。
在一优选的实施方式中，其特征在于，将导热式水蒸气吸附剂置于密闭容器中，加热吸附剂，使吸附剂和容器上壁面温差≥20℃，即可从容器内壁表面冷凝出液态水。
在一优选的实施方式中，所述加热容器条件为：加热温度为55-90 ℃，时间为20-60 min；加热可使水分从吸附剂中释放，释放的水蒸气遇到冷的壁面冷凝为液态水，从而被收集利用。
与现有技术相比，根据本发明的一种导热式水蒸气吸附剂及其制备方法和应用，具有如下优点：
（1）目前常用的水蒸气吸附剂导热系数低，由粉体堆积形成吸附床后，传热和传质性能差，导致释水缓慢，产水效率低。本发明通过化学镀的方法在吸附剂颗粒表面构建金属镀层，制备导热水蒸气吸附剂，提高了吸附剂颗粒的热导率。导热颗粒堆积成吸附床后，吸附床内形成三维导热通道，传热和传质性能增强，提高了释水速率和单位时间内的产水量。
（2）本发明所述的导热水蒸气吸附剂堆积体热导率为0.5-20 W/m/K，较不具导热镀层的材料提高了2-200倍，产水速率提高了2-50倍。本发明对于提高吸附式空气取水技术的效率具有重要意义。
（3）本发明所述的催化剂进行化学镀前的活化方法是通过在材料表面形成聚多巴胺层，借助聚多巴胺表面的羟基还原银离子，形成纳米银催化剂。聚多巴胺上大量羟基可保证催化剂分布均匀，起到更好的化学镀效果，且纳米银催化剂较传统Pd催化剂价格便宜，在成本方面更具优势。
（4）本发明所述的有机硅微凝胶吸附剂含有大量亲水基团，且基团数量可调，能够在1-99%的广湿度条件下捕水，弥补了沸石、金属有机框架材料等吸附剂捕水湿度范围窄的缺点。同时，本发明所述的有机硅微凝胶性质十分稳定，可循环利用，有效降低产水成本，提高生产效益。而且，相较于吸湿性盐易潮解变性、不易储运的特性，本发明制备的吸附剂具有更大的优势。
附图说明
从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：
图1为本发明中导热式水蒸气吸附剂的制备流程示意图；
图2为本发明制备有机硅微凝胶的反应方程式；
图3为本发明实施例1-3所用液态水收集装置，其中，图3 左图为液态水收集装置原理及示意图；图3 右图为：液态水收集装置实物图。
具体实施方式
若未特别指明，实施例中所用技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所用原料均为市售商品。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到，其中，实施例中所用的部分原料生产厂商如下：
乙烯基三甲氧基硅烷（Aladdin，纯度为98%）、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（Aladdin，纯度为99%）、硅烷选自3-(三甲氧基硅烷基)丙基-N-三甲基氯化铵（Aladdin，纯度为50%溶于甲醇）、3-氨丙基三甲氧基硅烷（Aladdin，纯度为97%）；其余原料如无特殊说明均为分析纯。
所述导热系数采用TPS 2200导热仪进行测试。
实施例1
（1）制备有机硅微凝胶：将乙烯基三甲氧基硅烷、3-(三甲氧基硅烷基)丙基-N-三甲基氯化铵、N’N-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵溶于去离子水中，配成100 mL反应溶液，四种反应物浓度依次为1 mol/L、3 mol/L、0.0001 mol/L、0.0001 mol/L，在氮气氛围保护下，200 r/min搅拌、80 ℃反应20 h。随后加入100 mL丙酮，产生沉淀，将沉淀在8000 r/min离心10 min，去离子水清洗4次，-60 ℃冷冻干燥48 h，制得有机硅微凝胶。
（2）有机硅微凝胶活化处理：将微凝胶粉末按质量体积比为10 g/L分散至2 mg/mL的盐酸多巴胺溶液中，200 r/min搅拌12 h，产物8000 r/min离心10 min，去离子水清洗4次，80 ℃干燥12 h。所得材料按质量体积比为20 g/L加入1 mg/mL硝酸银溶液中，200 r/min搅拌12 h，产物8000 r/min离心分离10 min，去离子水清洗4次，80 ℃干燥12 h。
（3）制备金属镀层：所得材料按质量体积比为5 g/L加入化学镀铜溶液中，镀液中包含0.05 mol/L CuCl2、0.3 mol/L甲醛、0.05 mol/L乙二胺四乙酸二钠，利用氢氧化钠将溶液将pH调节至12，200 r/min搅拌12 h，产物8000 r/min离心分离10 min，去离子水清洗4次，80 ℃干燥24 h。
（4）烧结：将上述材料200 ℃烧结2 h后得到具有铜镀层的导热水蒸气吸附剂，将其堆积形成密度为0.08 g/cm3的堆积体，记为A101。
对比例1
将实施例1中步骤（1）所制备的有机硅微凝胶，直接堆积形成密度为0.08 g/cm3的堆积体，记为B101。
分别测试A101和B101的吸附效果，结果如下：
（1）导热率：分别测试A101和B101堆积体的导热率，结果为：本发明方案制备的导热式吸附剂堆积体A101的热导率为4 W/m/K，未经活化和镀铜的B101热导率为0.05 W/m/K，导热率提高了80倍。
（2）吸附量
Figure DEST_PATH_IMAGE001
：在25 ℃、30%相对湿度下放置12 h，充分吸附水蒸气，A101吸附量为0.3 g/g，B101吸附量为0.48 g/g，吸附量计算方式为：吸附剂在前述条件下放置前后的质量差值/吸附剂放置前的原始质量。
液态水收集量
Figure DEST_PATH_IMAGE002
：将测试完吸附量的A101吸附剂和B101吸附剂分别置于体积1L的密闭容器底部，电加热器置于容器底部，以70℃对吸附剂持续加热。5 min后，A101导热式吸附剂上表面温度达到70 ℃，而对比材料B101表面温度仅为45 ℃。
持续加热30 min后，A101导热吸附剂收集到的液态水量为0.22 g/g，而对比材料B101吸附剂液态水收集量为0.08 g/g，液态水收集量提高了2.75倍。
液态水收集率
Figure DEST_PATH_IMAGE003
：按照式1计算液态水收集率，以说明吸附剂吸水-释水效果，计算得到A101吸附剂的液态水收集率为73.3%，B101吸附剂的液态水收集率为16.7%。
Figure DEST_PATH_IMAGE004
式1
由于A101添加了导热层，导热层没有吸附的功能，导致A101吸附量比B101少量降低，但是A101吸附剂在有机硅微凝胶表面增加聚多巴胺和金属镀层，在加热条件下，可大幅提高水释放效果，从而导致放置A101吸附剂的密闭容器中收集到了更多的液态水。
（3）循环性能：在25 ℃、30%相对湿度下，将吸附材料置于20倍吸附剂体积的密闭容器底部，电加热器置于容器底部对吸附剂加热，加热30分钟后，收集液态水，记为1次吸水-释水，循环使用同一吸附材料重复进行10次吸水-释水。A101吸附剂第10次液态水收集量较第1次仅下降10%，说明本发明制备的导热式水蒸气吸附剂可多次重复利用。
实施例2
（1）制备有机硅微凝胶：将乙烯基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三甲氧基硅烷、N’N-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵溶于去离子水中，配成反应200 mL溶液，四种反应物浓度依次为5 mol/L、2 mol/L、0.00002 mol/L、0.0001 mol/L，在氮气氛围保护下，200 r/min搅拌，80℃反应12 h。随后加入300 mL丙酮，产生沉淀，将沉淀10000 r/min离心分离5 min，-60 ℃冷冻干燥24 h，制得有机硅微凝胶。
（2）有机硅微凝胶活化处理：将粉末按质量体积比为20 g/L分散至2 mg/mL的盐酸多巴胺溶液中，250 r/min搅拌12 h，10000 r/min离心分离5 min，去离子水清洗3次，80 ℃干燥12 h。所得材料按质量体积比为20 g/L加入1 mg/mL硝酸银溶液中，250 r/min搅拌12h，10000 r/min离心分离5 min，去离子水清洗3次，80 ℃干燥12 h。
（3）制备金属镀层：所得材料按质量体积比为20 g/L加入化学镀镍溶液中，镀液中包含0.1 mol/L NiSO4、0.15 mol/L次磷酸钠、0.2 mol/L柠檬酸钠，利用氢氧化钠将溶液pH调节至10，250 r/min搅拌12 h，10000 r/min离心分离5 min，去离子水清洗3次，80 ℃干燥12 h。
（4）烧结：产物150 ℃烧结2 h后制得含有镍镀层的导热水蒸气吸附剂，将其堆积形成密度为0.05 g/cm3的堆积体，记为A201。
对比例2
将实施例2中步骤（1）所制备的有机硅微凝胶，直接堆积形成密度为0.05g/cm3的堆积体，记为B201。
分别测试A201和B201的吸附效果，结果如下：
（1）导热率：本发明方案制备的镀镍吸附剂堆积体A201的热导率为3 W/m/K，未镀镍的对比材料B201吸附剂的热导率为0.04 W/m/K，导热率提高了75倍。
（2）吸附量：在25 ℃、60%相对湿度下放置12 h，充分吸附水蒸气，A201的吸附量为0.75 g/g，B201吸附量为0.98 g/g，吸附量计算方式为：吸附剂在前述条件下放置前后的质量差值/吸附剂放置前的原始质量。
释水速率：将测试完吸附量的A201吸附剂和B201吸附剂置于20倍吸附剂体积的密闭容器底部，电加热器置于容器底部，以70℃对吸附剂持续加热。5 min时间内，A201镀镍导热吸附剂释水速率为0.4 g/s/Kg，对比材料B201吸附剂的释水速率为0.05 g/s/Kg，释水速率提高了8倍。
实施例3
（1）制备有机硅微凝胶：将乙烯基三甲氧基硅烷、3-(三甲氧基硅烷基)丙基-N-三甲基氯化铵、N’N-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵溶于去离子水中配成100 mL反应物溶液，浓度依次为2 mol/L、20 mol/L、0.00005 mol/L、0.0001 mol/L，在氮气氛围保护下，300 r/min搅拌，90 ℃反应10 h。随后加入200 mL丙酮，产生沉淀，将沉淀10000 r/min离心分离5min，-60 ℃冷冻干燥24 h，制得有机硅微凝胶。
（2）有机硅微凝胶活化处理：将微凝胶粉末按质量体积比为30 g/L分散至2 mg/mL的盐酸多巴胺溶液中，300 r/min搅拌12 h，10000 r/min离心分离5 min，去离子水清洗2次，80 ℃干燥12 h。所得材料按质量体积比为30 g/L加入1 mg/mL硝酸银溶液中，300 r/min搅拌12 h，10000 r/min离心分离5 min，去离子水清洗2次，80 ℃干燥12 h。
（3）制备金属镀层：所得材料按质量体积比为30 g/L加入化学镀银溶液中，镀液中包含0.1 mol/L硝酸银AgNO3、0.05 mol/L葡萄糖、0.4 mol/L氨水，利用氢氧化钠将pH调节至7，300 r/min搅拌12 h，10000 r/min离心分离5 min，去离子水清洗2次，80 ℃干燥12 h。
（4）烧结：产物100 ℃烧结1 h后得到含有银镀层的导热水蒸气吸附剂，将其堆积形成密度为0.09 g/cm3的堆积体，记为A301。
对比例3
将实施例3中步骤（1）所制备的有机硅微凝胶，直接堆积形成密度为0.09 g/cm3的堆积体，记为B301。
分别测试A301和B301的吸附效果，结果如下：
（1）导热率：所得镀银吸附剂堆积体A301的热导率为8 W/m/K，而不具银镀层的材料B301吸附剂的热导率为0.08 W/m/K，导热率提高了100倍。
（2）吸附量
Figure 188366DEST_PATH_IMAGE001
：在25℃、90%相对湿度下放置12 h，充分吸附水蒸气，A301吸附量为1.3 g/g，B301吸附量为1.55 g/g，吸附量计算方式为：吸附剂在前述条件下放置前后的质量差值/吸附剂放置前的原始质量。
液态水收集量
Figure 636665DEST_PATH_IMAGE002
：将测试完吸附量的A301吸附剂和B301吸附剂分别置于20倍吸附剂体积的密闭容器底部，电加热器置于容器底部，以55℃对吸附剂持续加热。5 min后，镀银导热吸附剂A301上表面温度达到80 ℃，而对比材料B301吸附剂上表面温度仅为42℃。
持续加热30 min后，镀银导热吸附剂A301收集到的液态水量为0.6 g/g，对比材料B301的液态水收集量为0.1 g/g，液态水收集量提高了6倍。
液态水收集率
Figure 947561DEST_PATH_IMAGE003
：按照式1计算液态水利用率，以说明吸附剂吸水-释水效果，计算得到A301吸附剂的液态水收集率为46.2%，B301吸附剂的液态水收集率为6.5%。
Figure 388775DEST_PATH_IMAGE004
式1
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种导热式水蒸气吸附剂，其特征在于，由有机硅微凝胶、聚多巴胺和金属镀层形成准核-壳结构，其中，有机硅微凝胶由金属镀层包覆，二者之间通过聚多巴胺粘结；
所述聚多巴胺表面还均匀分布有纳米银催化点位，金属镀层与纳米银催化点位相接触；
所述有机硅微凝胶为：将乙烯基三甲氧基硅烷、带有亲水有机基团的硅烷、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵溶解于去离子水中，进行聚合反应，反应结束后加入丙酮，搅拌过滤得到沉淀，将沉淀冷冻干燥，即得。
2.如权利要求1所述的导热式水蒸气吸附剂的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）制备有机硅微凝胶：将乙烯基三甲氧基硅烷、带有亲水有机基团的硅烷、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵溶解于去离子水中，形成反应体系1，进行聚合反应，反应结束后加入丙酮，搅拌过滤得到沉淀，将沉淀冷冻干燥，即可得到有机硅微凝胶；
（2）有机硅微凝胶活化处理：用盐酸多巴胺和硝酸银对有机硅微凝胶改性活化；
（3）制备金属镀层：将金属镀液用化学镀的方法，在活化处理后的有机硅微凝胶表面形成导热金属镀层，即可得到导热式水蒸气吸附剂。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述反应体系1中各组分的浓度为：乙烯基三甲氧基硅烷0.001~50 mol/L、带有亲水有机基团的硅烷0.001~150 mol/L、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺0.00001~0.1 mol/L和过硫酸铵0.00001~0.1 mol/L；
所述带有亲水有机基团的硅烷分子式为Ra-Si-(OR’)(4-a)，其中R为带有季铵、氨基、羧基或羟基的有机基团，R’为甲基或乙基，a=1~3；
所述聚合反应的步骤为：在惰性气氛保护下，以反应温度50~90℃，搅拌转速40~500r/min，搅拌反应6~48 h。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述带有亲水有机基团的硅烷选自3-(三甲氧基硅烷基)丙基-N-三甲基氯化铵、3-氨丙基三甲氧基硅烷中的任意一种；
所述加入的丙酮与反应体系1的体积比为（1~5）：1；
所述过滤采用0.22μm的滤膜，并将沉淀用去离子水清洗；
所述冷冻干燥步骤为：在-50~-60℃条件下，静置12~72h，至有机硅微凝胶质量不变化即可。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，用盐酸多巴胺改性步骤为：将步骤（1）得到的有机硅微凝胶分散于1~3 mg/mL的盐酸多巴胺溶液中，有机硅微凝胶与盐酸多巴胺溶液的质量体积比为(0.5~30):1,g/L，以转速40~500r/min搅拌6~24 h，离心过滤，收集沉淀，用去离子水洗涤并干燥，得到聚合物1。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，用硝酸银活化步骤为：将聚合物1分散于0.2~20 mg/mL硝酸银溶液中，聚合物1与硝酸银的质量体积比为(1~200):1,g/L，以转速40~500r/min搅拌2~48 h，离心过滤，收集沉淀，用去离子水洗涤并干燥，得到聚合物2。
7.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述金属镀液包括待镀的金属盐、还原剂和络合剂；
其中，金属盐在金属镀液中的浓度为0.01~1 mol/L，还原剂在金属镀液中的浓度为0.03~2 mol/L，络合剂与金属盐的摩尔比为(1~4): 1；
金属盐为CuSO4、CuCl2、Cu(NO3)2、Cu2(OH)2CO3、NiCl2、Ni(NO3)2、NiSO4、Ni(CH3COO)2、AgCl、AgNO3中的任意一种；
还原剂为甲醛、次磷酸盐、乙醛酸、硼氢化钠、二甲胺基硼烷、葡萄糖中的任意一种；
络合剂为酒石酸钾钠、柠檬酸盐、乙二胺四乙酸二钠、四羟丙基乙二胺、三乙醇胺、氨水中的任意一种或几种。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述化学镀的步骤为：将聚合物2溶剂于金属镀液中，聚合物2与金属镀液的质量体积比为(2~50):1,g/L，调节溶液pH，搅拌反应，离心过滤，收集沉淀并干燥，即可得到导热式水蒸气吸附剂；
其中，所述调节溶液pH至7-13；
搅拌反应条件为：以转速40~500r/min搅拌2~48 h；
离心条件为：以转速5000~10000 r/min离心5~30 min；
干燥条件为：在60~100 ℃温度下，干燥6~48 h。
9.如权利要求2所述的制备方法，在步骤（3）后，还包括将制备得到的导热式水蒸气吸附剂高温烧结，使吸附剂表面的金属粒子固化；
所述高温烧结条件为，在80~250 ℃温度下，烧结0.5~24 h。
10.如权利要求1所述的导热式水蒸气吸附剂在空气集水领域的应用，其特征在于，将导热式水蒸气吸附剂置于密闭容器中，加热吸附剂，使吸附剂和容器上壁面温差≥20℃，即可从容器内壁表面冷凝出液态水。
CN202210133970.3A 2022-02-14 2022-02-14 一种导热式水蒸气吸附剂及其制备方法和应用 Active CN114452954B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210133970.3A CN114452954B (zh) 2022-02-14 2022-02-14 一种导热式水蒸气吸附剂及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210133970.3A CN114452954B (zh) 2022-02-14 2022-02-14 一种导热式水蒸气吸附剂及其制备方法和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114452954A CN114452954A (zh) 2022-05-10
CN114452954B true CN114452954B (zh) 2023-01-10

Family

ID=81413012

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210133970.3A Active CN114452954B (zh) 2022-02-14 2022-02-14 一种导热式水蒸气吸附剂及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114452954B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2101423C1 (ru) * 1996-06-06 1998-01-10 Институт катализа им.Г.К.Борескова СО РАН Способ получения воды из воздуха
JPH11114411A (ja) * 1997-08-15 1999-04-27 Cosmo Sogo Kenkyusho Kk 吸着剤及びその製造方法
CN102597010A (zh) * 2009-09-04 2012-07-18 巴斯夫欧洲公司 吸水聚合物颗粒
CN105821396A (zh) * 2016-03-27 2016-08-03 华南理工大学 一种无钯化学镀铜的方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011085224A1 (en) * 2010-01-08 2011-07-14 Abs Materials, Inc. Modified sol-gel derived sorbent material and method for using same
WO2012006278A2 (en) * 2010-07-05 2012-01-12 Reluceo, Inc. Degradable superabsorbent polymers
CN112135676B (zh) * 2018-05-17 2022-06-03 阿卜杜拉国王科技大学 收集水蒸气的材料和装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2101423C1 (ru) * 1996-06-06 1998-01-10 Институт катализа им.Г.К.Борескова СО РАН Способ получения воды из воздуха
JPH11114411A (ja) * 1997-08-15 1999-04-27 Cosmo Sogo Kenkyusho Kk 吸着剤及びその製造方法
CN102597010A (zh) * 2009-09-04 2012-07-18 巴斯夫欧洲公司 吸水聚合物颗粒
CN105821396A (zh) * 2016-03-27 2016-08-03 华南理工大学 一种无钯化学镀铜的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
介孔吸附剂SiO2 -TiO2的合成及其水蒸气吸附性能;魏小兰 等;《华南理工大学学报( 自然科学版)》;20120930;第40卷(第9期);第14-19页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114452954A (zh) 2022-05-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. One-step fabrication in aqueous solution of a granular alginate-based hydrogel for fast and efficient removal of heavy metal ions
Li et al. Constructing amidoxime-modified porous adsorbents with open architecture for cost-effective and efficient uranium extraction
Yin et al. Synthesis of functionalized silica gel with poly (diethylenetriamine bis (methylene phosphonic acid)) and its adsorption properties of transition metal ions
KR101273877B1 (ko) 결정성 하이브리드 나노세공체 분말을 포함하는 복합체 및 그 제조방법
Arakaki et al. Ethyleneimine anchored on thiol-modified silica gel surface—adsorption of divalent cations and calorimetric data
JP2012152738A (ja) 水分の吸着及び脱着のための吸着剤
Liu et al. Adsorptive recovery of palladium (II) from aqueous solution onto cross-linked chitosan/montmorillonite membrane
CN103193980A (zh) 咪唑基聚倍半硅氧烷吸附材料及其制备方法与应用
CN111471188A (zh) 一种高容量吸附铅离子的氨基功能化MOFs材料的制备及应用
CN109876774B (zh) 一种处理染料污水的吸附材料及其制备方法
CN114452954B (zh) 一种导热式水蒸气吸附剂及其制备方法和应用
CN112442186A (zh) 金属有机框架Mn-MOF单晶材料及纳米片与制备和应用
CN114853113B (zh) 一种利用三噻吩基共价有机骨架光催化剂降解水体中抗生素的方法
CN105839402A (zh) 芳纶纤维表面化学修饰方法及其在制备银包芳纶复合纤维的应用
CN112827470A (zh) 一种具有高稳定性的选择性空气吸水MOFs材料及其制备方法
Prozorova et al. Synthesis and sorption activity of novel cross-linked 1-vinyl-1, 2, 4-triazole–(trimethoxysilyl) methyl-2-methacrylate copolymers
CN110813254B (zh) 一种用于从混合金属溶液中选择性分离铜的杂化膜的制备方法
Huang et al. MOF-derived bimetallic coordination polymer@ cobalt-aluminum layered double hydroxide for highly selective CO2 adsorption: Experiments, mechanisms
Fang et al. Adsorption application of Rb+ on hydrogels of hydroxypropyl cellulose/polyvinyl alcohol/reduced graphene oxide encapsulating potassium cobalt hexacyanoferrate
CN109200999B (zh) 应用于聚酰亚胺提纯的离子吸附柱的制备方法
CN114671990B (zh) 一种卟啉共价有机框架材料及其制备方法与应用
CN113121834A (zh) 一种复合金属有机骨架材料及其制备方法
CN114887603B (zh) 一种吸附Sr-90的树脂及制备方法
CN113248706B (zh) 一种具有特定功能和孔隙结构的多孔有机聚合物及制备方法
Hao et al. Efficient and selective adsorption of Au (iii), Pt (iv), and Pd (ii) by a radiation-crosslinked poly (ionic liquid) gel

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant