CN115304121B - 一种聚苯胺-木材双层蒸发材料制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能驱动水蒸发技术领域的聚苯胺‑木材双层蒸发材料制备方法及其应用，旨在解决现有技术中海水淡化和污水处理过程需大量消耗化石能源，导致环境污染、温室效应等问题，其制备方法包括以下步骤：配制苯胺‑盐酸混合溶液；将木材放入混合溶液浸泡；在混合溶液中加入过硫酸铵；保持室温，持续反应，即得聚苯胺‑木材双层蒸发材料。本发明具备优异的光热转换性能及蒸发性能，能有效降低海水淡化技术和污水处理技术的成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚苯胺-木材双层蒸发材料制备方法及其应用，属于太阳能驱动水蒸发技术领域。
背景技术
淡水是人类社会赖以生存的宝贵自然资源，但随着人口的不断增加和水污染问题的日益恶化，人类面临着日益严重的水危机。调查研究表明，世界上约有97.5%的水不能直接饮用。因此，人们开发出多种先进高效的海水淡化技术和污水处理技术来获取淡水，如反渗透法、低温多效蒸馏法、多级闪蒸法等。但常规的海水淡化和污水处理技术不仅需要昂贵的基础设备，还对能源有着巨大的需求，实施过程中将会消耗大量高品质热能或优质电力。
太阳能作为一种清洁能源逐渐被应用到人类的生产生活中，受到自然蒸发这种陆地淡水来源的启发，越来越多的研究者将太阳能驱动水蒸发作为解决人类淡水资源短缺的途径之一。但是，现实中海水的吸光性能较差，导致自然蒸发效率较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种聚苯胺-木材双层蒸发材料制备方法及其应用，在有效实现海水淡化和污水处理的同时避免了化石能源的消耗，减轻对环境的污染。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
根据发明的第一方面，一种聚苯胺-木材双层蒸发材料制备方法，包括以下步骤，
S1、配制苯胺-盐酸混合溶液；
S2、将木材放入混合溶液浸泡；
S3、在混合溶液中加入过硫酸铵；
S4、保持室温，持续反应，即得聚苯胺-木材双层蒸发材料。
进一步的，所述S1中的苯胺-盐酸混合溶液的制备方法为配制200ml的1 mol/ L苯胺溶液，超声分散5 min，将200 ml 的1.5 mol/ L盐酸倒入苯胺溶液，磁力搅拌。
进一步的，所述磁力搅拌的转速为600rpm。
进一步的，所述S2中的浸泡时间为30-90min。
进一步的，所述S3为将200ml的1.5mol/L过硫酸铵倒入混合液中，磁力搅拌。
进一步，所述S4中的反应时间为6h。
根据发明的第二方面，还提供一种聚苯胺-木材双层蒸发材料，由上述任一项所述的制备方法制得。
根据发明的第三方面，还提供所述聚苯胺-木材双层蒸发材料在太阳能驱动水蒸发方面的应用。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明的基体材料选用木材，具有良好的可再生性和扩展性。使用的聚苯胺是一种高分子聚合物材料，具有宽幅光吸收系数、低成本、合成边界、稳定性良好、扩展性优异等特点，并且该材料成本低廉，能有效降低海水淡化技术和污水处理技术的成本。
聚苯胺木材蒸发材料中带有大量极性共价键，使材料具有良好的自漂浮性能，木材基体与聚苯胺通过氢键作用形成了紧密地界面结合力，因此具有化学稳定性和抗污染能力，利于该材料的持续使用。
聚苯胺在木材表面形成了一层黑色的光吸收层，另外聚苯胺特有的共轭的sp2碳骨架和纳米棒形成了珊瑚状多孔交织网络，可以共同增强捕获大量的光子，使其在全太阳能光谱范围内的吸收率高达98.6%，展示出了优异的光热转换性能。
本发明提供的双层蒸发材料在光照驱动下将木材内部垂直排列的管腔作为开放的孔通道，在强的毛细作用力下将下层的水源源不断的传输到气-液表层，通过聚苯胺吸收的光能被精准快速地转换为水蒸气，具有良好的蒸发性能。
附图说明
图1为本发明的实施例中不同聚合时间下木材表面生长的聚苯胺纳米形貌示意图；
图2为本发明的实施例中聚苯胺-木材双层蒸发材料的外观示意图；
图3为本发明的实施例中聚苯胺-木材双层蒸发材料分别在强酸、浓盐及染料条件下的浸泡示意图；
图4为本发明的实施例中木材（上）和聚苯胺-木材（下）横切面动态接触角示意图；
图5为本发明的实施例中聚苯胺-木材双层蒸发材料的自漂浮过程示意图；
图6为本发明的实施例中聚苯胺-木材双层蒸发材料的吸收光谱示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应该理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
出于本说明书和所附权利要求书的目的，除非另有陈述，否则所有表达量、百分数或比例的数字及本说明书和所附权利要求书中所用的其他数值被理解为在所有情况下都由术语“约”修饰。此外，本文公开的所有范围都包括端点在内且可独立组合。
实施例1：
一种聚苯胺-木材双层蒸发材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、配制苯胺-盐酸混合溶液，具体为配制200ml的1 mol/ L苯胺溶液，超声分散5min，将200 ml 的1.5 mol/ L盐酸倒入苯胺溶液，磁力搅拌，转速为600rpm；
S2、将木材放入混合溶液中浸泡30-90min；
S3、将200ml的1.5mol/L过硫酸铵倒入混合液中，磁力搅拌；
S4、保持室温，持续反应2h，即得聚苯胺-木材双层蒸发材料。
实施例2：
一种聚苯胺-木材双层蒸发材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、配制苯胺-盐酸混合溶液，具体为配制200ml的1 mol/ L苯胺溶液，超声分散5min，将200 ml 的1.5 mol/ L盐酸倒入苯胺溶液，磁力搅拌，转速为600rpm；
S2、将木材放入混合溶液中浸泡30-90min；
S3、将200ml的1.5mol/L过硫酸铵倒入混合液中，磁力搅拌；
S4、保持室温，持续反应4h，即得聚苯胺-木材双层蒸发材料。
实施例3：
一种聚苯胺-木材双层蒸发材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、配制苯胺-盐酸混合溶液，具体为配制200ml的1 mol/ L苯胺溶液，超声分散5min，将200 ml 的1.5 mol/ L盐酸倒入苯胺溶液，磁力搅拌，转速为600rpm；
S2、将木材放入混合溶液中浸泡30-90min；
S3、将200ml的1.5mol/L过硫酸铵倒入混合液中，磁力搅拌；
S4、保持室温，持续反应6h，即得聚苯胺-木材双层蒸发材料。
实施例4：
一种聚苯胺-木材双层蒸发材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、配制苯胺-盐酸混合溶液，具体为配制200ml的1 mol/ L苯胺溶液，超声分散5min，将200 ml 的1.5 mol/ L盐酸倒入苯胺溶液，磁力搅拌，转速为600rpm；
S2、将木材放入混合溶液中浸泡30-90min；
S3、将200ml的1.5mol/L过硫酸铵倒入混合液中，磁力搅拌；
S4、保持室温，持续反应8h，即得聚苯胺-木材双层蒸发材料。
结合附图1-2对本发明实施例1至4得到的聚苯胺-木材双层蒸发材料性能进行分析。
图1为本发明制备的聚苯胺-木材双层蒸发材料的外观示意图，包括疏水性聚苯胺和亲水性碳基材料。所述蒸发材料为具有疏水性聚苯胺和亲水性碳基材料的聚苯胺-木材双层蒸发材料，通过将疏水性聚苯胺沉积在亲水性木材横表层，采用化学原位聚合法制备而成。
如图2所示，图2展示了实施例1至4分别在不同聚合时间下木材表面生长的聚苯胺纳米形貌示意图。2h时，木材基底表面生长出球状胶束聚苯胺纳米颗粒。随着时间的推移，在2h-6h时，聚苯胺的长分子式沿着一维方向不断进行自组装聚合生长，直至6h左右形成聚苯胺纳米线状交织网络。
当继续反应至8h时聚苯胺过度生长，出现了平面片状胶簇形态，逐渐覆盖木材表面的纤维细胞孔，同时聚苯胺纳米线状之间的孔隙越来越小。由于过度团聚的聚苯胺层会影响水蒸气的溢出途径，从而影响蒸发性能，可知6 h生长的聚苯胺木材蒸发材料最佳。
下面将选择6h生长的聚苯胺-木材双层蒸发材料作为对象进行材料性能分析：
结合图3，图3显示了聚苯胺-木材双层蒸发材料在强酸、浓盐及染料条件下浸泡的示意图，其中强酸为1.5 mol/L H2SO4溶液，浓盐为10 wt% NaCl溶液，染料为1%毗罗红染料溶液。在浸泡48h后，各溶液都保持澄清未见浑浊和颗粒脱落现象，且未发现有腐蚀、开裂以及染色的状况，这证明其可以在海水、各类污染水环境中持续工作。
如图4所示，图4显示了聚苯胺-木材表面在水滴刚滴落时，接触角约为95°，相较于原始木材展示了一定的疏水性。但是，在水滴落其表面约35s左右被迅速吸收，说明尽管聚苯胺表现出疏水性的化学性质，但聚苯胺在木材表面形成的粗糙多孔结构也能够引导水渗入，水滴在表面依然快速在毛细作用力下被吸收。
图5展示了聚苯胺-木材的自漂浮过程。如图5所示，聚苯胺-木材蒸发材料被放入水中后可以很好地漂浮于空气-水界面。将材料按入水中，放手后可以看到材料自发向上浮到表面并形成一层薄薄的水膜，这说明聚苯胺材料具有良好的漂浮稳定性，在太阳能水蒸发系统中可以实现稳定持久的水蒸发性能。
图6为聚苯胺-木材双层蒸发材料的吸收光谱示意图，在未聚合聚苯胺前，木材表面呈现黄色。木材对太阳光的反射能力很强，吸收力较多。而聚苯胺呈现黑色，使得聚苯胺-木材在太阳光全波段光谱范围内呈现均衡低反射率，显示出优异的吸光性能。
更进一步的，通过记录蒸发水质量发现，聚苯胺-木材双层蒸发材料的蒸发速率随时间的推移稳步提升。在稳定光照1h左右，聚苯胺木材的蒸发速率达到1.62 kg m-2 h-1,在同样条件下水的蒸发速率为0.38 kg m-2 h-1，木材的蒸发速率为0.71 kg m-2 h-1，由此可知聚苯胺-木材双层蒸发材料的蒸发速率分别是水和木材的4.3倍和2.3倍，而能量转化效率高达116.7%，这说明该材料具有良好的蒸发性能。
同时，将该材料在1 kW/ m2光照度下进行了每次时长1 h的光驱动水蒸发的循环稳定性试验，结果表明，聚苯胺-木材双层蒸发材料在 20次循环稳定性测试中都维持比较稳定的水蒸发速率，经过多次试验，其水蒸发速率几乎没有减弱，说明该材料具有良好的循环稳定性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种聚苯胺-木材双层蒸发材料制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、配制苯胺-盐酸混合溶液：配制200ml的1 mol/ L 苯胺溶液，超声分散5 min，将200ml 的1.5 mol/ L盐酸倒入苯胺溶液，磁力搅拌；
S2、将木材放入混合溶液浸泡；
S3、将200ml的1.5mol/L过硫酸铵倒入混合液中，磁力搅拌；
S4、保持室温，持续反应，即得聚苯胺-木材双层蒸发材料。
2.根据权利要求1所述的一种聚苯胺-木材双层蒸发材料制备方法，其特征在于：所述磁力搅拌的转速为600rpm。
3.根据权利要求1所述的一种聚苯胺-木材双层蒸发材料制备方法，其特征在于：所述S2中的浸泡时间为30-90min。
4.根据权利要求1所述的一种聚苯胺-木材双层蒸发材料制备方法，其特征在于：所述S4中的反应时间为6h。
5.一种聚苯胺-木材双层蒸发材料，其特征在于：由权利要求1-4任一项所述的制备方法制得。
6.如权利要求5所述的聚苯胺-木材双层蒸发材料在太阳能驱动水蒸发方面的应用。
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2022
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105148875A (zh) * | 2015-09-01 | 2015-12-16 | 哈尔滨工业大学 | 一种易回收可循环使用的聚苯胺负载聚氨酯海绵吸附材料的制备方法 |
| CN107955165A (zh) * | 2017-12-12 | 2018-04-24 | 扬州大学 | 一种聚苯胺和多孔碳的纳米复合材料的制备方法 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| A wood–polypyrrole composite as a photothermal conversion device for solar evaporation enhancement;Wang et al.;Journal of Materials Chemistry A(36);第20706-20712页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115304121A (zh) | 2022-11-08 |
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