CN115282892B - 一种三明治式长效阻盐的凝胶光热蒸发器的制备方法 - Google Patents

一种三明治式长效阻盐的凝胶光热蒸发器的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三明治式长效阻盐的凝胶光热蒸发器的制备方法，所述光热蒸发器由用作上层光吸收层的无机金属盐‑纳米碳复合气凝胶，用作下层水供给层的无机金属盐水凝胶和中间疏水层构成。复合气凝胶单面疏水处理后与水凝胶复合，共同构成阻盐长效的太阳能凝胶蒸发器；凝胶制备中添加纳米凹土和植物纤维，提升凝胶的力学强度以满足应用需求；复合气凝胶的丰富微纳米孔隙的毛细作用和纳米碳的集热效能，是高效水蒸发的核心元件。本发明蒸发速率高（1.0‑3.5 kg/(m2·h)），并解决了常规蒸发器因盐析导致效率下降问题，可以用于海水淡化、盐湖卤水浓缩、化工废水资源化利用等太阳能蒸发利用领域。

Description

一种三明治式长效阻盐的凝胶光热蒸发器的制备方法
技术领域
本发明属于材料制备领域，特别涉及基于凝胶材料的光热蒸发器的制备方法。
背景技术
太阳能光热水蒸发是利用太阳能将水加热转变成水蒸气后在进行收集（如：CN111170393B，CN208008495U，CN113860413A）。太阳能蒸发器优点在于其可以在无能源消耗的情况下用于淡化海水或在偏远落后地区稳定生产淡水。由于自然蒸发进行的非常缓慢，为了提高蒸发效能，在设计太阳能蒸发器时需重点解决几个问题：①提升光热转换效率；②蒸发过程中持续快速供水；③防止盐析堵塞孔道。
凝胶材料是一种独特的三维多孔固体材料，具有低密度、高孔隙率和独特纳米孔洞结构等特点，在隔热阻燃、催化剂及催化剂载体、吸附、海水淡化等领域具有广阔的应用前景。Li等制备了一种蒸汽生成速率高达3.69 kg/(m2·h)的共价有机框架(COF)/石墨烯双区域水凝胶 (Journal of The American Chemical Socieity, 2022, 144, 3083-3090)。Guo等将铁基金属有机框架衍生的光热纳米颗粒引入聚乙烯醇网络的水凝胶蒸发器蒸汽生成速率可达3.2 kg/(m2·h)（Advanced materials, 2020,32,1907061）。Qin等制备了一种具有1.34 kg/(m2·h)的高水分蒸发率的碳纳米管/羟基磷灰石双层气凝胶材料（Carbon, 2019, 150, 233-243）。本发明提出由用作上层光吸收层的氧化铝-碳纳米管复合气凝胶，用作下层水供给层的氧化铝水凝胶和中间疏水层构成的一种高效蒸发、长效阻盐的太阳能凝胶蒸发器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种三明治式长效阻盐的凝胶光热蒸发器的制备方法，用该方法得到的光热蒸发器，可克服现有技术缺陷。
本发明通过以下技术方案实现：
一种三明治式长效阻盐的凝胶光热蒸发器的制备方法，所述光热蒸发器由用作上层光吸收层的无机金属盐-纳米碳复合气凝胶，用作下层水供给层的无机金属盐水凝胶和中间疏水层构成，具体包括以下制备步骤：
步骤（1），在醇水混合溶液中加入无机金属盐、纳米碳、纳米凹土、植物纤维或人造纤维搅拌至均匀；向混合溶液中缓慢滴加1-2环氧丙烷并充分混合后倒入模具中静置凝胶；干燥后得到无机金属盐-纳米碳复合气凝胶，即光热蒸发器的光热转换层；
步骤（2），对步骤1得到的气凝胶单面浸入疏水剂中进行疏水处理，得光热蒸发器的疏水层；
步骤（3），在醇水混合溶液中加入无机金属盐、纳米凹土和植物纤维并搅拌均匀，向溶液中缓慢滴加1-2环氧丙烷，将步骤（2）得到的气凝胶的疏水层浸入溶胶中并静置凝胶，得到光热蒸发器的水供给层。
本发明进一步改进方案，步骤（1）和步骤（3）中所述无机金属盐为铝盐、钛盐、铁盐、铬盐或锌盐中的一种，添加量为0.3-1 mol/L。
本发明进一步改进方案，步骤（1）和步骤（3）中醇水混合溶液中的醇为乙醇或甲醇，醇水体积比为0.5-4:1。
本发明进一步改进方案，步骤（1）中的纳米碳为为碳纳米管、石墨烯、活性炭、富勒烯、石墨炔或炭黑中的一种或两种以上组合（包括两种），添加量为0.1-2 wt%。
本发明进一步改进方案，步骤（1）和步骤（3）中纳米凹土的添加量为1-7.5 wt%；
本发明进一步改进方案，步骤（1）中所述的植物纤维为木纤维、竹纤维、棉纤维、麻纤维和草纤维中的一种或两种以上组合，所述的人造纤维为玻璃纤维、陶瓷纤维的一种或组合，用于凝胶的机械性能的增强，添加量为0.1-3 wt%。
本发明进一步改进方案，步骤（1）和步骤（3）中1-2环氧丙烷的添加量与醇水混合溶液的体积比为0.4-0.7:1。
本发明进一步改进方案，步骤（1）中的凝胶厚度为1-5 mm，密度小于0.8 g/cm3。
本发明进一步改进方案，步骤（2）中所述疏水改性剂为甲基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲基硅烷、十六烷基三氯硅烷或三甲基氯硅烷中一种，所述的疏水处理是将步骤（1）得到的气凝胶的单面，放在疏水改性剂的65-90oC蒸汽中浸渍0.5-3 h。
本发明进一步改进方案，步骤（3）中所述的水供给层的厚度为1-5 mm。
还可根据需要，在凝胶制备过程中加入少量铜盐或银盐，提高光热蒸发器的抗菌性。
本发明的优点在于：
1.本发明提供的光热蒸发器具有三明治式的三层结构。水供给层利用其微纳米孔隙的毛细作用快速传递水；疏水层能够有效阻止盐结晶对长期使用过程中的影响，延长使用寿命；光热转换层为气凝胶材料能够有效阻止热量的扩散，集中供热。
2.复合气凝胶单面疏水处理后与水凝胶复合，共同构成阻盐长效的太阳能凝胶蒸发器。凝胶制备中添加纳米凹土和植物纤维，提升凝胶的力学强度以满足应用需求。复合气凝胶的丰富微纳米孔隙的毛细作用和纳米碳的集热效能，是高效水蒸发的核心元件。疏水层能有效阻隔水体中盐扩散到光热转换层，并容许水蒸汽通过，从而有效防止盐分在光热转换层表面结晶析出，是蒸发器稳定工作的保障。下层无机盐水凝胶（水供给层）是从水体快速向上输送水的关键。
3、疏水层和光热转换层（气凝胶）结构能够使光热蒸发器自发漂浮在水面上，解决使用的局限性。
附图说明
图1 为凝胶光热蒸发器结构示意图
图2 为实施例2复合气凝胶水接触角示意图
图3为实施例2复合气凝胶疏水面水接触角示意图
图4为水蒸发试验测试装置示意图
图5为实施例4复合气凝胶的SEM电镜图
图中1为光热转换层，2为疏水层，3为水供给层，4为光源，5为光热蒸发器，6为待蒸发液体。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对比例1
（1）将1.5 g 六水合氯化铝和0.075 g碳纳米管加入10 ml醇水混合溶液（乙醇:水=1:1）中，搅拌物料混合均匀；取5 ml 1-2环氧丙烷在搅拌过程中缓慢滴加，10 min后倒入模具中静置凝胶；溶剂置换和超临界干燥后得到复合气凝胶，厚度为1 mm，得光热转换层。
（2）将（1）中得到的复合气凝胶用保鲜膜包裹，仅留出底面；将复合气凝胶底和三甲基氯硅烷密封于玻璃容器并置于70oC恒温环境下30 min对复合气凝胶底面进行疏水处理，得光热蒸发器的疏水层。
（3）将1.5 g 六水合氯化铝加入10 ml醇水混合溶液（乙醇:水=1:1）中，搅拌至六水合氯化铝完全溶解；取5ml1-2环氧丙烷在搅拌过程中缓慢滴加，继续搅拌至溶液粘度增加；此时迅速将复合气凝胶的疏水层浸入溶液中等待下层凝胶，得水供给层，该层厚度为5mm。
经图4所示装置测试，该光热蒸发器在一个太阳光照强度下的，水蒸发速率为2.51kg/(m2·h)。但由于没有加入纳米凹土、植物纤维或人造纤维，该对比例中的光热蒸发器在进入水中后（0.6 h）出现了开裂崩解的现象，无法长时间维持。
实施例2
（1）将1.6 g 六水合氯化铝、2 g凹土浆料（8 wt%）、1 g竹纤维浆料（3wt%）和0.1 g石墨烯加入10 ml醇水混合溶液（乙醇:水=1:1）中，搅拌至物料混合均匀；取5 ml 1-2环氧丙烷在搅拌过程中缓慢滴加，继续搅拌10 min后倒入模具中静置凝胶；溶剂置换和超临界干燥后得到复合气凝胶，厚度为1 mm，即光热转换层。该层水接触角如图2所示，水在接触的一瞬间就被吸收。
（2）将（1）中得到的复合气凝胶用保鲜膜包裹，仅留出底面；将复合气凝胶和三甲基氯硅烷密封于玻璃容器并置于70oC恒温环境下30 min对复合气凝胶底面进行疏水处理，得光热蒸发器的疏水层。经过测试该疏水层疏水角如图3所示为123o。
（3）将1.6 g 六水合氯化铝、2 g凹土浆料（8 wt%）和1 g竹纤维浆料（3wt%）加入10ml醇水混合溶液（乙醇:水=1:1）中，搅拌至物料混合均匀；取5 ml 1-2环氧丙烷在搅拌过程中缓慢滴加，继续搅拌至溶液粘度增加；此时迅速将复合气凝胶的疏水层浸入溶液中等待下层凝胶，即水供给层，该层厚度为2 mm。
经图4所示装置测试，该光热蒸发器在一个太阳光照强度下的，水蒸发速率为2.91kg/(m2·h)（所用水为纯净水，以下实施例同）。该实施例中的光热蒸发器在进入水中后即使经过长时间（3天）的浸泡也未出现开裂崩解的现象，表明纳米凹土和植物纤维或人造纤维的加入对凝胶的水稳定性的有效增强。以下实施例3-6，由于都加了纳米凹土和植物纤维或人造纤维，在进入水中后都能长时间维持。
实施例3
（1）将2 g 六水合氯化铝、3 g凹土浆料（8 wt%）、1 g木纤维浆料 (3 wt%)、0.075g活性炭加入10 ml醇水混合溶液（乙醇:水=1:2）中，搅拌至物料混合均匀；取6 ml 1-2环氧丙烷在搅拌过程中缓慢滴加，继续搅拌10 min后倒入模具中静置凝胶；溶剂置换和超临界干燥后得到复合气凝胶，厚度为1.5 mm，即光热转换层。
（2）将（1）中得到的复合气凝胶用保鲜膜包裹，仅留出底面；将复合气凝胶底和三甲基氯硅烷密封于玻璃容器并置于85oC恒温环境下30 min对复合气凝胶面进行疏水处理，即光热蒸发器的疏水层。
（3）将2 g 六水合氯化铝、3 g凹土浆料（8 wt%）、1 g木纤维浆料 (3 wt%)加入10ml醇水混合溶液（乙醇:水=1:2）中，搅拌和物料混合均匀；取6 ml 1-2环氧丙烷在搅拌过程中缓慢滴加，继续搅拌至溶液粘度增加；此时迅速将复合气凝胶的疏水层浸入溶液中等待下层凝胶，即水供给层，该层厚度为5 mm。
将图4所示装置中的水分别换为纯净水和3.5%浓度的氯化钠溶液进行对比实验。一个太阳光照强度下12 h后，氯化钠溶液水蒸发速率为3.04 kg/(m2·h)，较纯净水蒸发速率为3.42 kg/(m2·h)，并未出现较大的下降。且此时容器中的含盐量达15%，较前6 h的水蒸发速率3.12 kg/(m2·h)，也未出现明显的下降。实际使用时，由于海水的流动性，盐浓度很快便会被稀释。因此，这种三明治式的凝胶光热蒸发器具有长效性。
实施例4
（1）将2 g FeCl3、1.5 g凹土浆料（8 wt%）、1 g竹纤维浆料（3 wt%）、0.075 g碳纳米管加入10 ml醇水混合溶液（甲醇:水=1:2）中，搅拌30 min至物料混合均匀；取5 ml 1-2环氧丙烷在搅拌过程中缓慢滴加，继续搅拌10 min后倒入模具中静置凝胶；溶剂置换和超临界干燥后得到复合气凝胶，厚度为1.5 mm，即光热转换层，其电镜图如图5所示。
（2）将（1）中得到的复合气凝胶用保鲜膜包裹，仅留出底面；将复合气凝胶和三甲基氯硅烷密封于玻璃容器并置于80oC恒温环境下20 min对复合气凝胶底面进行疏水处理，即光热蒸发器的疏水层。
（3）将2 g FeCl3、1.5 g凹土浆料（8 wt%）、1 g竹纤维浆料（3 wt%）加入10 ml醇水混合溶液（甲醇:水=1:2）中，搅拌物料混合均匀；取5 ml1-2环氧丙烷在搅拌过程中缓慢滴加，继续搅拌至溶液粘度增加；此时将复合气凝胶的疏水层浸入溶液中等待下层凝胶，即水供给层，该层厚度为4 mm。
经图4所示装置测试，该光热蒸发器在一个太阳光照强度下的，水蒸发速率为3.13kg/(m2·h)。
实施例5
（1）将2 g 六水合氯化铝、1.2 g凹土浆料（10 wt%）、1.5 g棉纤维浆料（3 wt%）、0.075 g活性炭加入10 ml醇水混合溶液（甲醇:水=1:1）中，搅拌物料混合均匀；取4 ml 1-2环氧丙烷在搅拌过程中缓慢滴加，继续搅拌10 min后倒入模具中静置凝胶；溶剂置换和超临界干燥后得到复合气凝胶，厚度为1 mm，即光热转换层。
（2）将（1）中得到的复合气凝胶用保鲜膜包裹，仅留出底面；将复合气凝胶和甲基三甲氧基硅烷密封于玻璃容器并置于80oC恒温环境下60 min对复合气凝胶底面进行疏水处理，即光热蒸发器的疏水层。
（3）将2 g 六水合氯化铝、1.2 g凹土浆料（10 wt%）、1.5 g棉纤维浆料（3 wt%）加入10 ml醇水混合溶液（甲醇:水=1:1）中，搅拌至物料混合均匀；取4 ml 1-2环氧丙烷在搅拌过程中缓慢滴加，继续搅拌至溶液粘度增加；此时将复合气凝胶的疏水层浸入溶液中等待下层凝胶，即水供给层，该层厚度为4 mm。
经图4所示装置测试，该光热蒸发器在一个太阳光照强度下的，水蒸发速率为1.97kg/(m2·h)。
实施例6
（1）将1.8 g 六水合氯化铝、2 g凹土浆料（10 wt%）、1 g木纤维浆料（3 wt%）、0.075 g石墨烯加入10 ml醇水混合溶液中（乙醇:水=2:1），搅拌至物料混合均匀；取4 ml1-2环氧丙烷在搅拌过程中缓慢滴加，继续搅拌10 min后倒入模具中静置凝胶；溶剂置换和超临界干燥后得到复合气凝胶，厚度为0.8 mm，即光热转换层。
（2）将（1）中得到的复合气凝胶用保鲜膜包裹，仅留出底面；将复合气凝胶和甲基三甲氧基硅烷密封于玻璃容器并置于70oC恒温环境下40 min对复合气凝胶底面进行疏水处理，即光热蒸发器的疏水层。
（3）将1.8 g 六水合氯化铝、2 g凹土浆料（10 wt%）、1 g木纤维浆料（3 wt%）加入10 ml醇水混合溶液（乙醇:水=2:1）中，搅拌至物料混合均匀；取4 ml 1-2环氧丙烷在搅拌过程中缓慢滴加，继续搅拌至溶液粘度增加；此时迅速将复合气凝胶的疏水层浸入溶液中等待下层凝胶，即水供给层，该层厚度为5 mm。
将图4所示装置中的水分别换为纯净水和3.5%浓度的氯化钠溶液进行对比实验。一个太阳光照强度下12 h后，氯化钠溶液水蒸发速率为1.96 kg/(m2·h)，较纯净水蒸发速率为2.32 kg/(m2·h)，并未出现较大的下降。且此时容器中的含盐量达15%，较前两个小时的水蒸发速率2.07 kg/(m2·h)，也未出现明显的下降。实际使用时，由于海水的流动性，盐浓度很快便会被稀释。因此，这种三明治式的凝胶光热蒸发器具有长效性。
表1 各实施例水蒸发速率汇总表

Claims (9)

1.一种三明治式长效阻盐的凝胶光热蒸发器的制备方法，其特征在于：所述光热蒸发器由用作上层光吸收层的无机金属盐-纳米碳复合气凝胶，用作下层水供给层的无机金属盐水凝胶和中间疏水层构成，具体包括以下制备步骤：
步骤（1），在醇水混合溶液中加入无机金属盐、纳米碳、纳米凹土，以及植物纤维或人造纤维搅拌至均匀；向混合溶液中缓慢滴加1,2-环氧丙烷并充分混合后倒入模具中静置凝胶；干燥后得到无机金属盐-纳米碳复合气凝胶，即光热蒸发器的光热转换层；
步骤（2），对步骤（1）得到的气凝胶，将其单面浸入疏水剂中进行疏水处理，得光热蒸发器的疏水层；
步骤（3），在醇水混合溶液中加入无机金属盐、纳米凹土和植物纤维或人造纤维并搅拌均匀，向溶液中缓慢滴加1,2-环氧丙烷，将步骤（2）得到的气凝胶的疏水层浸入溶胶中并静置凝胶，得到光热蒸发器的水供给层；
步骤（1）和步骤（3）中所述无机金属盐为铝盐、钛盐、铁盐、铬盐或锌盐中的一种或两种以上混合，添加量为0.3-1 mol/L。
2.根据权利要求1所述的光热蒸发器的制备方法，其特征在于：步骤（1）和步骤（3）中醇水混合溶液中的醇为乙醇或甲醇，醇水体积比为0.5-4:1。
3.根据权利要求1所述的光热蒸发器的制备方法，其特征在于：步骤（1）中的纳米碳为碳纳米管、石墨烯、活性炭、富勒烯、石墨炔或炭黑中的一种或两种以上组合，添加量为0.1-2 wt%。
4.根据权利要求1所述的光热蒸发器的制备方法，其特征在于：步骤（1）和步骤（3）中纳米凹土的添加量为1-7.5 wt%。
5.根据权利要求1所述的光热蒸发器的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的植物纤维为木纤维、竹纤维、棉纤维、麻纤维和草纤维中的一种或两种以上组合，所述的人造纤维为玻璃纤维、陶瓷纤维的一种或组合；添加量为0.1-3 wt%。
6.根据权利要求1所述的光热蒸发器的制备方法，其特征在于：步骤（1）和步骤（3）中1,2-环氧丙烷的添加量与醇水混合溶液的体积比为0.4-0.7:1。
7.根据权利要求1所述的光热蒸发器的制备方法，其特征在于：步骤（1）中的凝胶厚度为1-5 mm，密度小于0.8 g/cm3。
8.根据权利要求1所述的光热蒸发器的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述疏水剂为甲基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲基硅烷、十六烷基三氯硅烷或三甲基氯硅烷中一种，所述的疏水处理是将步骤（1）得到的气凝胶的单面，放在疏水改性剂的65-90oC蒸汽中浸渍0.5-3 h。
9.根据权利要求1所述的光热蒸发器的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述的水供给层的厚度为1-5 mm。
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