CN115286885A - 一种环保高效光热水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环保高效光热水凝胶及其制备方法和应用，所述环保高效光热水凝胶由光热材料水溶液和高分子水溶液构成；所述光热材料水溶液由单宁酸和六水合三氯化铁构成，所述高分子水溶液由聚乙烯醇和亲水性高分子化合物构成。本发明采用单宁酸络合三价铁离子构成黑色络合物作为光热材料，制作过程简单，仅在水溶液中共混即可制得，形成的黑色络合物对光吸收高；本发明操作简便，均在溶液中共混即可获得，对设备和操作没有过高要求，具有投入少，重复率高的特点。
Description
技术领域
本发明属于水凝胶材料技术领域，具体涉及到一种环保高效光热水凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
随着全球经济的快速发展，人们对淡水资源的需求越来越大。其中，海水资源十分丰富，淡水资源却十分短缺。因此，如何将海水资源高效无污染的转化成淡水资源是目前最需要解决的问题。太阳能作为一种可再生、清洁的绿色能源，一直受到人们的关注。将太阳能引入海水淡化，具有可再生、无污染、设备要求低等优点。
传统水体太阳能驱动海水淡化是将光热材料分散到整个水体，其缺点在于整个水体将与环境交换能量造成热量损失大，使得能量转换效率低。太阳能界面驱动海水淡化则克服了上述缺点，将吸光材料接受的热能集中在材料的表面，从而最大限度的提高装置的能量转换效率。因此，太阳能界面驱动海水淡化是目前主流的研究方向。
在近几年间，该领域取得了极大地进展，但依然存在材料造价不菲，制备工艺复杂的限制，这将不利于大规模的应用。常见的纳米金属粒子原料昂贵，反应条件难以控制，且对设备要求较高，能耗消耗过大，这极大地限制了其在太阳能驱动海水淡化领域的应用。水凝胶是一种具有三维网络结构的功能高分子材料，其特殊的网络结构内部填充有大量的水分子，且水分子可以在网络结构中自由地活动。鉴于上述优点，将水凝胶应用于海水淡化领域以得到科学家地重视。但如何使用廉价、绿色的原料，运用简便，温和的制备方法获得吸光材料依旧是目前最需要解决的问题。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
本发明的其中一个目的是提供一种环保高效光热水凝胶，具有绿色环保、制备方法简单、效率高、性质稳定等特性。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种环保高效光热水凝胶，所述环保高效光热水凝胶由光热材料水溶液和高分子水溶液构成；所述光热材料水溶液由单宁酸和六水合三氯化铁构成，所述高分子水溶液由聚乙烯醇和亲水性高分子化合物构成。
作为本发明环保高效光热水凝胶的一种优选方案，其中：所述光热材料水溶液中单宁酸浓度为5～10wt％。
作为本发明环保高效光热水凝胶的一种优选方案，其中：所述光热材料水溶液中单宁酸和六水合三氯化铁的摩尔比为1:1～5。
作为本发明环保高效光热水凝胶的一种优选方案，其中：所述光热材料水溶液与所述高分子水溶液的质量比为2:1。
作为本发明环保高效光热水凝胶的一种优选方案，其中：所述高分子水溶液以质量百分比10～20wt％的量存在。
作为本发明环保高效光热水凝胶的一种优选方案，其中：所述亲水性高分子化合物和聚乙烯醇的质量比为1:1～3。
作为本发明环保高效光热水凝胶的一种优选方案，其中：所述亲水性高分子化合物为琼脂糖或者海藻酸钠。
作为本发明环保高效光热水凝胶的一种优选方案，其中：所述环保高效光热水凝胶的厚度为0.2～1.0mm。
本发明的另一个目的是提供如上述任一项所述的环保高效光热水凝胶的制备方法，包括，
将单宁酸、六水合三氯化铁配置成光热材料水溶液；
将聚乙烯醇、亲水性高分子化合物配置成高分子水溶液；
将光热材料水溶液添加入高分子水溶液中混合，得到光热水凝胶。
本发明的另一个目的是提供如上述任一项所述的环保高效光热水凝胶在太阳能海水淡化中的应用。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明采用单宁酸络合三价铁离子构成黑色络合物作为光热材料，制作过程简单，仅在水溶液中共混即可制得，形成的黑色络合物对光吸收高。本发明操作简便，均在溶液中共混即可获得，对设备和操作没有过高要求，具有投入少，重复率高的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明实施例1制备的样品的SEM图片。
图2为本发明实施例1制备的样品在一个太阳光强下60分钟内的蒸发速率曲线。
图3为本发明实施例1制备的样品在一个太阳光强下75分钟内的升温曲线。
图4为本发明实施例1制备的样品对于模拟海水纯化前后各个离子的去除率。
图5为本发明实施例1制备的样品对于模拟海水纯化前后的导电图；其中，a为模拟海水纯化前电阻，b为模拟海水纯化后电阻。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
如无特别说明，实施例中所采用的原料均为商业购买。
实施例1
(1)称取4g单宁酸溶解在36mL去离子水中，超声分散均匀得到单宁酸溶液；称取2.54g六水合三氯化铁溶解在单宁酸溶液中，超声分散均匀得到黑色光热材料水溶液；
(2)称取1g聚乙烯醇溶于18mL其离子水中，95℃加热搅拌2h至完全溶解均匀；称取1g琼脂糖溶于聚乙烯醇溶液中，95℃加热搅拌30min至完全溶解均匀得到高分子水溶液；
(3)将黑色光热材料水溶液倒入高分子水溶液中，快速搅拌交联成黑色水凝胶团；使用玻璃板将水凝胶团压制成0.8mm厚的黑色水凝胶；
(4)将黑色水凝胶用去离子水冲洗至少三遍，除去未被固定的黑色光热材料水溶液；将黑色水凝胶固定于吸水无纺布上最终得到环保高效光热水凝胶。
图1为实施例1制备的光热水凝胶的SEM图片。从图中可以看出水凝胶内部有众多大小不一的孔洞结构，直径在5～50μm之间，表明琼脂糖凝胶内部形成孔洞结构，为水体的快速输运提供条件。
对实施例1得到的光热水凝胶进行蒸发试验测试，测试方法为：将水凝胶裁剪成2cm×2cm×0.8mm的尺寸，放置在去掉盖子的方形塑料盒上。使用发泡聚氨酯作为支撑和隔热材料，泡沫和样品之间夹有棉布作为供水材料。使用带有AM 1.5滤光片的太阳模拟器作为模拟太阳光。质量变化由高分辨率电子天平测量并连接电脑记录数据。蒸发试验测试是在温度约25℃、湿度约55％的条件下进行。在蒸发测试中前15min为样品稳定时间，之后每5min记录一次样品减重数据，共测试60min。
图2为实施例1制备的光热水凝胶在60min之内的减重图。从图中可以看出水的蒸发速率稳定，蒸发速率较高，一个小时内可达到1.98kg·m-2·h-1，高于目前所报道的绝大多数太阳能海水淡化光热材料。
对实施例1得到的光热水凝胶进行吸光度测试，测试方法为：将水凝胶裁剪成直径为4cm的圆片，用滤纸吸干表面水分，通过配有积分球的紫外可见近红外分光光谱仪进行吸光度测试。
图3为实施例1制备的光热水凝胶在200～2500nm范围内的吸光度，从图中可以看出样品在不同的波长均有接近80％的吸光度，表明样品对光有很高的吸收率，为高效的能量转换提供基础。
对实施例1得到的光热水凝胶进行模拟海水淡化试验，测试方法为：在方形塑料盒内装有自制的模拟海水，将装置放到带有AM 1.5滤光片的太阳模拟器下纯化能力测试，并收集经水凝胶纯化后的水，模拟海水纯化前后的离子浓度经电感耦合等离子体质谱仪测定。
图4为实施例1制备的光热水凝胶对于模拟海水淡化前后的离子含量对比图。从图中可以看出纯化后的模拟海水中各个离子的去除率均可达到99.99％以上。
图5分别为模拟海水和经实施例1制备的光热水凝胶淡化后的模拟海水的电阻图片。从图中可以看出模拟海水中离子含量高，电阻低；经纯化后模拟海水中的离子几乎被完全除去，电阻高，表现出材料具有较好的海水淡化性能。
实施例2
(1)称取4g单宁酸溶解在36mL去离子水中，超声分散均匀得到单宁酸溶液。称取0.635g六水合三氯化铁溶解在单宁酸溶液中，超声分散均匀得到黑色光热材料水溶液；
(2)称取1g聚乙烯醇溶于18mL其离子水中，95℃加热搅拌2h至完全溶解均匀。称取1g琼脂糖溶于聚乙烯醇溶液中，95℃加热搅拌30min至完全溶解均匀得到高分子水溶液；
(3)将黑色光热材料水溶液倒入高分子水溶液中，快速搅拌交联成黑色水凝胶团。使用玻璃板将水凝胶团压制成0.8mm厚的黑色水凝胶；
(4)将黑色水凝胶用去离子水冲洗至少三遍，除去未被固定的黑色光热材料水溶液。将黑色水凝胶固定于吸水无纺布上最终得到环保高效光热水凝胶。
实施例3
(1)称取4g单宁酸溶解在36mL去离子水中，超声分散均匀得到单宁酸溶液。称取1.27g六水合三氯化铁溶解在单宁酸溶液中，超声分散均匀得到黑色光热材料水溶液；
(2)称取1g聚乙烯醇溶于18mL其离子水中，95℃加热搅拌2h至完全溶解均匀。称取1g琼脂糖溶于聚乙烯醇溶液中，95℃加热搅拌30min至完全溶解均匀得到高分子水溶液；
(3)将黑色光热材料水溶液倒入高分子水溶液中，快速搅拌交联成黑色水凝胶团。使用玻璃板将水凝胶团压制成0.8mm厚的黑色水凝胶；
(4)将黑色水凝胶用去离子水冲洗至少三遍，除去未被固定的黑色光热材料水溶液。将黑色水凝胶固定于吸水无纺布上最终得到环保高效光热水凝胶。。
实施例4
(1)称取4g单宁酸溶解在36mL去离子水中，超声分散均匀得到单宁酸溶液。称取1.905g六水合三氯化铁溶解在单宁酸溶液中，超声分散均匀得到黑色光热材料水溶液；
(2)称取1g聚乙烯醇溶于18mL其离子水中，95℃加热搅拌2h至完全溶解均匀。称取1g琼脂糖溶于聚乙烯醇溶液中，95℃加热搅拌30min至完全溶解均匀得到高分子水溶液；
(3)将黑色光热材料水溶液倒入高分子水溶液中，快速搅拌交联成黑色水凝胶团。使用玻璃板将水凝胶团压制成0.8mm厚的黑色水凝胶；
(4)将黑色水凝胶用去离子水冲洗至少三遍，除去未被固定的黑色光热材料水溶液。将黑色水凝胶固定于吸水无纺布上最终得到环保高效光热水凝胶。
实施例5
(1)称取4g单宁酸溶解在36mL去离子水中，超声分散均匀得到单宁酸溶液。称取3.175g六水合三氯化铁溶解在单宁酸溶液中，超声分散均匀得到黑色光热材料水溶液；
(2)称取1.0g聚乙烯醇溶于18mL其离子水中，95℃加热搅拌2h至完全溶解均匀。称取1.0g琼脂糖溶于聚乙烯醇溶液中，95℃加热搅拌30min至完全溶解均匀得到高分子水溶液；
(3)将黑色光热材料水溶液倒入高分子水溶液中，快速搅拌交联成黑色水凝胶团。使用玻璃板将水凝胶团压制成0.8mm厚的黑色水凝胶；
(4)将黑色水凝胶用去离子水冲洗至少三遍，除去未被固定的黑色光热材料水溶液。将黑色水凝胶固定于吸水无纺布上最终得到环保高效光热水凝胶。
实施例6
(1)称取2g单宁酸溶解在36mL去离子水中，超声分散均匀得到单宁酸溶液。称取2.54g六水合三氯化铁溶解在单宁酸溶液中，超声分散均匀得到黑色光热材料水溶液；
(2)称取1g聚乙烯醇溶于18mL其离子水中，95℃加热搅拌2h至完全溶解均匀。称取1g琼脂糖溶于聚乙烯醇溶液中，95℃加热搅拌30min至完全溶解均匀得到高分子水溶液；
(3)将黑色光热材料水溶液倒入高分子水溶液中，快速搅拌交联成黑色水凝胶团。使用玻璃板将水凝胶团压制成0.8mm厚的黑色水凝胶；
(4)将黑色水凝胶用去离子水冲洗至少三遍，除去未被固定的黑色光热材料水溶液。将黑色水凝胶固定于吸水无纺布上最终得到环保高效光热水凝胶。
实施例7
(1)称取4g单宁酸溶解在36mL去离子水中，超声分散均匀得到单宁酸溶液。称取2.54g六水合三氯化铁溶解在单宁酸溶液中，超声分散均匀得到黑色光热材料水溶液；
(2)称取0.75g聚乙烯醇溶于18mL其离子水中，95℃加热搅拌2h至完全溶解均匀。称取1.25g琼脂糖溶于聚乙烯醇溶液中，95℃加热搅拌30min至完全溶解均匀得到高分子水溶液；
(3)将黑色光热材料水溶液倒入高分子水溶液中，快速搅拌交联成黑色水凝胶团。
实施例8
(1)称取4g单宁酸溶解在36mL去离子水中，超声分散均匀得到单宁酸溶液。称取2.54g六水合三氯化铁溶解在单宁酸溶液中，超声分散均匀得到黑色光热材料水溶液；
(2)称取1.25g聚乙烯醇溶于18mL其离子水中，95℃加热搅拌2h至完全溶解均匀。称取0.75g琼脂糖溶于聚乙烯醇溶液中，95℃加热搅拌30min至完全溶解均匀得到高分子水溶液；
(3)将黑色光热材料水溶液倒入高分子水溶液中，快速搅拌交联成黑色水凝胶团。使用玻璃板将水凝胶团压制成0.8mm厚的黑色水凝胶；
(4)将黑色水凝胶用去离子水冲洗至少三遍，除去未被固定的黑色光热材料水溶液。将黑色水凝胶固定于吸水无纺布上最终得到环保高效光热水凝胶。
实施例9
(1)称取4g单宁酸溶解在36mL去离子水中，超声分散均匀得到单宁酸溶液。称取2.54g六水合三氯化铁溶解在单宁酸溶液中，超声分散均匀得到黑色光热材料水溶液；
(2)称取1.5g聚乙烯醇溶于18mL其离子水中，95℃加热搅拌2h至完全溶解均匀。称取0.5g琼脂糖溶于聚乙烯醇溶液中，95℃加热搅拌30min至完全溶解均匀得到高分子水溶液；
(3)将黑色光热材料水溶液倒入高分子水溶液中，快速搅拌交联成黑色水凝胶团。使用玻璃板将水凝胶团压制成0.8mm厚的黑色水凝胶；
(4)将黑色水凝胶用去离子水冲洗至少三遍，除去未被固定的黑色光热材料水溶液。将黑色水凝胶固定于吸水无纺布上最终得到环保高效光热水凝胶。
对比例1
(1)称取4g单宁酸溶解在36mL去离子水中，超声分散均匀得到单宁酸溶液；
(2)称取1g聚乙烯醇溶于18mL其离子水中，95℃加热搅拌2h至完全溶解均匀；称取1g琼脂糖溶于聚乙烯醇溶液中，95℃加热搅拌30min至完全溶解均匀得到高分子水溶液；
(3)将单宁酸溶液倒入高分子水溶液中，快速搅拌交联水凝胶团；使用玻璃板将水凝胶团压制成0.8mm厚的水凝胶；
(4)将水凝胶用去离子水冲洗至少三遍，除去未被固定的单宁酸溶液；将水凝胶固定于吸水无纺布上最终得到对比例水凝胶。
将实施例1～6以及对比例1所制备的样品在一个太阳光强下测试60分钟内的蒸发速率，测试方法与实施例1相同，测试结果如表1所示。
表1
从表1可以看出，对比例1的样品在一个太阳光光照强度下一个小时的蒸发速率为1.01kg·m-2·h-1，远低于本发明实施例1～9所制备的样品的蒸发速率。通过对比实施例1～5样品的测试结果可以看出，不同的实施例在一个太阳光强下测试一个小时，其蒸发速率和六水合三氯化铁的含量有关。随着六水合三氯化铁的含量的增加，蒸发速率不断提高。这是因为六水合三氯化铁中的Fe3+会和单宁酸中的酚羟基反应形成黑色络合物。随着三价铁离子含量增加，形成的黑色络合物就越多，对光的吸收能力越强，蒸发速率也就越高。当单宁酸与六水合三氯化铁的比例提高至1:5时，光热水凝胶的速率不再明显增加，说明Fe3+与酚羟基反应以达到饱和。通过对比实施例1和实施例6样品的测试结果可以看出当单宁酸的含量减少时，黑色络合物的含量也随之减少，光热水凝胶蒸发速率降低。
对比实施例1和实施例8～9样品的测试结果可以看出随着琼脂糖的含量的增加，蒸发速率不断提高。这是因为琼脂糖为亲水性高分子，在凝胶中形成亲水通道，方便水体的快速输运。随着琼脂糖含量的增加，凝胶中疏水通道增加，水体的输运速度也随之增加，蒸发速率不断提高。由于聚乙烯醇可以和单宁酸之间形成强氢键从而得到水凝胶，因此对比实施例7样品中可以看出琼脂糖量过多将无法形成稳定的水凝胶。
实施例10
(1)称取4g单宁酸溶解在36mL去离子水中，超声分散均匀得到单宁酸溶液；称取2.54g六水合三氯化铁溶解在单宁酸溶液中，超声分散均匀得到黑色光热材料水溶液；
(2)称取1g聚乙烯醇溶于18mL其离子水中，95℃加热搅拌2h至完全溶解均匀；称取1g海藻酸钠溶于聚乙烯醇溶液中，95℃加热搅拌30min至完全溶解均匀得到高分子水溶液；
(3)将黑色光热材料水溶液倒入高分子水溶液中，快速搅拌交联成黑色水凝胶团；使用玻璃板将水凝胶团压制成0.8mm厚的黑色水凝胶；
(4)将黑色水凝胶用去离子水冲洗至少三遍，除去未被固定的黑色光热材料水溶液；将黑色水凝胶固定于吸水无纺布上最终得到环保高效光热水凝胶。
将实施例10所制备的样品在一个太阳光强下测试60分钟内的蒸发速率，测试方法与实施例1相同，测试结果显示，实施例10所制备的光热水凝胶在一个太阳光强下测试60分钟内的蒸发速率为1.65kg·m-2·h-1。
本发明基于三价铁离子和单宁酸中的酚羟基之间配位形成黑色配合物的原理，在单宁酸溶液中加入一定量的三氯化铁制成黑色的吸光物质。溶解一定比例的聚乙烯醇和琼脂糖得到聚乙烯醇琼脂糖预聚液。将含有黑色络合物的吸光物质倒入预聚液中，单宁酸与聚乙烯醇之间形成强氢键将黑色络合物固定于聚乙烯醇的三维网络之中，琼脂糖为凝胶提供疏水通道，赋予水凝胶的亲水性能。聚乙烯醇的三维骨架给予凝胶一定的机械性能，同时能够很好的抵抗溶胀，使得光热水凝胶的整体性能优于现有绝大多数光热水凝胶的性能表现。
本发明采用的单宁酸取自天然植物五倍子，对环境无毒无害，聚乙烯醇具有很好的生物相容性，琼脂糖来自植物多糖，同样对环境无害。本发明原料价格低廉，适合商业化生产。本发明操作简便，均在溶液中共混即可获得，对设备和操作没有过高要求，具有投入少，重复率高的特点。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种环保高效光热水凝胶，其特征在于：所述环保高效光热水凝胶由光热材料水溶液和高分子水溶液构成；所述光热材料水溶液由单宁酸和六水合三氯化铁构成，所述高分子水溶液由聚乙烯醇和亲水性高分子化合物构成。
2.如权利要求1所述的环保高效光热水凝胶，其特征在于：所述光热材料水溶液中单宁酸浓度为5～10wt％。
3.如权利要求1或2所述的环保高效光热水凝胶，其特征在于：所述光热材料水溶液中单宁酸和六水合三氯化铁的摩尔比为1:1～5。
4.如权利要求3所述的环保高效光热水凝胶，其特征在于：所述光热材料水溶液与所述高分子水溶液的质量比为2:1。
5.如权利要求1、2、4中任一项所述的环保高效光热水凝胶，其特征在于：所述高分子水溶液中聚乙烯醇和亲水性高分子化合物的总量为10～20wt％。
6.如权利要求5所述的环保高效光热水凝胶，其特征在于：所述亲水性高分子化合物和聚乙烯醇的质量比为1:1～3。
7.如权利要求1、2、4、6中任一项所述的环保高效光热水凝胶，其特征在于：所述亲水性高分子化合物为琼脂糖或者海藻酸钠。
8.如权利要求1、2、4、6中任一项所述的环保高效光热水凝胶，其特征在于：所述环保高效光热水凝胶的厚度为0.2～1.0mm。
9.如权利要求1～8中任一项所述的环保高效光热水凝胶的制备方法，其特征在于：包括，
将单宁酸、六水合三氯化铁配置成光热材料水溶液；
将聚乙烯醇、亲水性高分子化合物配置成高分子水溶液；
将光热材料水溶液添加入高分子水溶液中混合，得到光热水凝胶。
10.如权利要求1～8中任一项所述的环保高效光热水凝胶在太阳能海水淡化中的应用。
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