CN115350653A - 一种光敏磁性拓扑结构水凝胶蒸发器、制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光敏磁性拓扑结构水凝胶蒸发器、制备方法及其应用。所述方法包括下列步骤：采用共沉淀法使得Fe₃O₄原位生长于具有吸光性能的粉末表面，磁铁分离得到光敏磁性粉末；将光敏磁性粉末与含有羟基的聚合物溶液发生羟醛反应得到第一聚合物，在外加磁场作用下，使得光敏磁性粉末移动至所述第一聚合物表面，得到基础水凝胶；将基础水凝胶浸入聚合物前驱液中，在加热条件下，含有磺酸基的单体与含有羟基的聚合物溶液发生自由基聚合反应形成拓扑网络结构的第二聚合物，然后经过后处理后得到所述光敏磁性拓扑结构水凝胶蒸发器。本发明实现了吸光剂高带宽吸收、热定位结构设计、制备简单，解决了蒸发效率低等问题。

Description

一种光敏磁性拓扑结构水凝胶蒸发器、制备方法及其应用

技术领域

本发明属于再生能源水净化技术领域，更具体地，涉及一种光敏磁性拓扑结构水凝胶蒸发器、制备方法及其应用。

背景技术

可再生能源水质净化技术是全球范围水和能源关系的核心，太阳能水蒸发(SEWE)是一种非常有前途的清洁水生产技术，可以缓解日益严重的水资源短缺。具有吸光性能的材料广泛应用于光驱动净水领域，例如，活性炭作为一种碳基吸光材料，具备高带宽光吸收、热稳定性、多孔性、成本低廉等优点，其在酸性和碱性介质中的稳定性使其可与功能性材料结合，形成吸光剂。但活性炭聚能效果有限，蒸发表面温度无法进一步提升，使得无法有效将光能量聚集为水蒸发所需能量。针对上述问题，如何制备能够有效将光能量聚集为水蒸发所需能量的吸光剂的水凝胶复合蒸发器成为了目前亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光敏磁性拓扑结构水凝胶蒸发器、制备方法及其应用，其目的在于通过对水凝胶复合物的组成、制备方法的整个工艺流程设计等进行改进，以四种主要成份构建复合蒸发器，并通过对各组分配比进行优选控制，能够实现吸光剂高带宽吸收、热定位结构设计、制备简单，解决了蒸发效率低等问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光敏磁性拓扑结构水凝胶蒸发器的制备方法，所述方法包括下列步骤：

(1)将具有吸光性能的粉末与铁源分散于水中，并通入惰性气体，采用共沉淀法使得Fe₃O₄原位生长于具有吸光性能的粉末表面，磁铁分离得到光敏磁性粉末；

(2)将所述光敏磁性粉末与含有羟基的聚合物溶液混合得到分散液，然后加入酸和含有醛基的化合物，发生羟醛反应得到第一聚合物，光敏磁性粉末分散于该第一聚合物中，在外加磁场作用下，使得光敏磁性粉末移动至所述第一聚合物表面，然后经过后处理后得到基础水凝胶；

(3)将所述基础水凝胶浸入聚合物前驱液中，所述聚合物前驱液包括含有磺酸基团的单体、交联剂和引发剂，在加热条件下，含有磺酸基的单体与含有羟基的聚合物溶液发生自由基聚合反应形成拓扑网络结构的第二聚合物，然后经过后处理后得到所述光敏磁性拓扑结构水凝胶蒸发器。

优选地，所述具有吸光性能的粉末为活性炭粉末；所述具有吸光性能的粉末粒径小于200目。

优选地，所述含有羟基的聚合物溶液为聚乙烯醇溶液、淀粉溶液或聚乙二醇溶液；所述含有磺酸基团的单体为苯乙烯磺酸钠或2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸；所述交联剂为亚甲基双丙烯酰胺、月桂酰两性乙酸钠或椰油酰甘氨酸钠；所述引发剂为过硫酸铵。

优选地，所述铁源为四水合氯化亚铁和六水合氯化铁，其中，四水合氯化亚铁与六水合氯化铁的摩尔比为1:1-1:5；所述具有吸光性能的粉末与Fe₃O₄的生成量的摩尔比为1:1-1:5。

优选地，所述光敏磁性粉末在所述分散液中的质量分数为5％-25％，所述分散液中含有羟基的聚合物溶液的质量分数为5％-10％；优选地，所述光敏磁性粉末在所述分散液中的质量分数为20％，所述分散液中含有羟基的聚合物溶液的质量分数为7％。

优选地，所述聚合物前驱液中含有磺酸基团的单体的质量分数为10％-25％；优选地，所述聚合物前驱液中含有磺酸基团的单体的质量分数为15％。

优选地，所述具有吸光性能的粉末为活性炭粉末时，对活性炭粉末进行预处理，采用硝酸溶液氧化活性炭粉末。

优选地，所述步骤(2)后处理为依次进行静置凝胶化、去离子水浸泡、纯化后冻融、清洗；所述步骤(3)中后处理为依次进行去离子水浸泡、纯化后冻融、清洗；所述冻融为浸泡于-20℃至-50℃液氮，并在20-40℃去离子水中解冻，冻融过程重复10次；所述步骤(3)中加热条件为80-100℃，加热时间为12-36小时。

按照本发明的另一个方面，提供了一种光敏磁性拓扑结构水凝胶蒸发器。

按照本发明的又一个方面，提供了一种光敏磁性拓扑结构水凝胶蒸发器在水净化中的应用。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果。

(1)本发明采用Fe₃O₄改性活性炭粉末(PAC)合成吸光粒子，半导体强键振动产生相对较高能量密度，改善活性炭蒸发时表面温度不高的问题，以提高聚能效果。将PVA水凝胶作为蒸发器基材，以磁性PAC/Fe₃O₄复合材料作为磁性中心，通过外部磁场的作用下，实现凝胶网络中的定向移动，同时将磁性吸光粒子定位于蒸发表面，凝胶多孔结构增强光散射效应，将热量限制在蒸发表面用于水的汽化，减少温度梯度引起的热量损失，防止多余热量传递至蒸发器下层水体中，以提高光热转换效率。此外，PSS作为拓扑凝胶网络的技术，引入羟基和磺酸基的多亲水基团位点，形成较强毛细力，加快了水传输，在蒸发过程中能向蒸发表面提供充足的水分。同时非共价键作用改变了凝胶网络的水分子间作用力，促进中间水的比例增加，降低蒸发焓，提高了水蒸发速率。

(2)本发明中的复合材料采用共沉淀法和物理/化学交联合成，工艺简单，材料成本低，可大规模制备。

(3)水-聚合物的相互作用，存在结合水、中间水和游离水三种形态，其中中间水的相互氢键作用力最弱，氢键网格易被打破，水分子易释放，本发明中非共价键作用改变了凝胶网络的水分子间作用力，促使更多的中间水形成，水分子以团簇形式蒸发，以降低蒸发焓，从而提高蒸发速率。本发明还通过制备过程的共沉淀反应中的四氧化三铁的含量进行优选控制，将Fe₃O₄的理论产量与活性炭的摩尔比控制为1:1，既保证了Fe₃O₄不对吸光剂形成包覆，以确保吸光率，同时又确保了饱和磁强度，利于磁分离；同时，PVA、PSS和PAC/Fe₃O₄质量分数分别为7％、15％和20％，能最大程度提高能量利用效率，更加有利于蒸发表面聚能、水传输和降低蒸发焓。从而提高蒸发速率。

附图说明

图1为实施例1的低倍扫描电镜图；

图2实施例1的高倍扫描电镜图；

图3为不同实施例的XRD图，图中标号1代表Fe₃O₄，2代表PAC，3代表PAC/Fe₃O₄，4代表PAC/Fe₃O₄/PVA，5代表PAC/Fe₃O₄/PVA/PSS；

图4为不同实施例的UV-vis-NIR图，图中标号1代表Fe₃O₄，2代表PAC，3代表PAC/Fe₃O₄，4代表PAC/Fe₃O₄/PVA，5代表PAC/Fe₃O₄/PVA/PSS；

图5为实施例1-9的水蒸发速率图；

图6中(a)为实施例1和实施例5不同光照强度水蒸发速率，图中标号1代表PAC/Fe₃O₄/PVA，2代表PAC/Fe₃O₄/PVA/PSS；图6中(b)为实施例1蒸发温度变化侧视图，图6中(c)为实施例1蒸发温度变化俯视图；

图7为实施例1和实施例5热流比与蒸发焓图，图中标号1代表PAC/Fe₃O₄/PVA，2代表PAC/Fe₃O₄/PVA/PSS；

图8为实施例1和实施例5耐腐蚀性评估图，图中标号1代表PAC/Fe₃O₄/PVA，2代表PAC/Fe₃O₄/PVA/PSS；其中，图8中(a)为实施例1和实施例5pH变化对蒸发效果影响图；图8中(b)为实施例1和实施例5盐浓度变化对蒸发效果影响图；

图9为实施例1和实施例5除盐效果评估图，图中标号1代表PAC/Fe₃O₄/PVA，2代表PAC/Fe₃O₄/PVA/PSS；

图10中(a)为实施例1和实施例5污废水处理评估图，图中标号1代表PAC/Fe₃O₄/PVA，2代表PAC/Fe₃O₄/PVA/PSS；图10中(b)为为实施例1和实施例5模拟生活污水进出水实物图；图10中(c)为模拟染料废水进出水实物图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

蒸发界面通常通过热定位设计以降低热损失，提高光热转换效率，优化蒸发表面特性，但吸光粒子定位在蒸发表面的制备工序复杂，限制了SEWE技术的实际应用，本发明因此引入顺磁性材料的方法以解决该问题。四氧化三铁是一种典型的窄带隙半导体，带隙小于1.0eV，具有低毒、低成本的优点。不仅它与吸光粒子间相互结合，实现高宽带光吸收，而且在磁场作用下可以实现吸光粒子的定向移动和均匀分布。

本发明实施例中优选地采用聚乙烯醇作为水凝胶基底聚合物，聚乙烯醇作为无色透明的水凝胶，含有大量亲水基团(-OH)，具有多孔网络结构，内表面积大，吸水能力强，与功能因子材料复合，可具备良好的韧性、热稳定性、耐盐性，在生物医学、电子、传感器等领域广泛应用。聚合链上的羟基与水分子通过氢键相互作用，增强毛细力并改变分子间作用力和氢键网络，加快水传输并活化水分子状态，从而提高蒸发效率。

与此同时，水凝胶网络中的水以结合水、中间水和游离水三种形态存在，其中中间水的相互氢键作用力最弱，氢键网格易被打破，水分子易释放，在凝胶网络中引入非共价键功能因子作用力(氢键或静电作用力)以改变水分子间作用力，促使更多的中间水形成，水分子以团簇形式蒸发，以降低蒸发所需能量。本发明实施例中示例性地采用聚苯乙烯磺酸盐作为聚合物前驱液中的含有磺酸基聚合物单体，聚苯乙烯磺酸盐富含羟基和磺酸基团，与聚乙烯醇凝胶相互渗透，形成拓扑凝胶网络结构，通过其氢键和静电力与水分子水合，可使得中间水比例超过50％，降低蒸发焓，实现高性能的SEWE行为。

在SEWE中，蒸发界面特性是否能提高水蒸发速率是决定蒸发器性能的因素。在非磁性碳基蒸发器中，光子激发共轭体系π电子跃迁，受激发电子从高激发态返回基态时因原子晶格振动释放热量。这种窄能隙π电子的激发和弛豫过程，具备高宽带光吸收特性，从而使得蒸发器温度升高以实现光热转换，但碳基材料共轭体系π-π堆叠产生的能量密度相对较低，使得蒸发表面温度无法进一步提升。碳基吸光剂均匀分散在凝胶网络，其光热转换产生的大部分热量被扩散在蒸发表面的下层水分中，不利于光热转换效率的进一步提高。光敏磁性Fe₃O₄蒸发表面特性同时解决了碳基材料产生能量密度低和蒸发界面热量不集中的问题。窄带隙半导体Fe₃O₄和多孔结构PAC协同下增强了光的多重散射效应，Fe₃O₄更强键振动产生相对较高能量密度，同时通过磁场将磁性吸光粒子定位于蒸发表面，将热量限制于蒸发表面，减少热损失，以进一步提高蒸发表面温度。因此，本发明通过使用磁性半导体材料，可以通过能级设计增加了光生载流与晶格的耦合，从而相对于碳基材料产生相对较高的能量密度，同时通过蒸发界面结构设计使得热量集中定位，从而防止热量扩散，进一步提高蒸发表面温度。在之前的研究中，蒸发器输水层通常为亲水性木材和棉花等，但其水传输性能限制了水蒸发速率进一步提升。在本发明，利用拓扑结构水凝胶的水活化效应，提高了内部水传输并降低了蒸发焓，在光敏磁性蒸发表面与下层水体形成拓扑结构的水传输机制。

以下为具体实施例:

实施例1

该实施例包括以下步骤：

(1)将过200目筛的10.0g粉末活性炭在机械搅拌条件下分散在4％摩尔质量硝酸溶液(氧化活性炭，以提高活性炭的含氧官能团数量和亲水性)中形成悬浊液，搅拌24h，1:1水乙醇溶液洗涤三次，在60℃的烘箱中干燥12h后，得到预处理粉末活性炭；

(2)将5g四水合氯化亚铁、13.6g六水合氯化铁和5.79预处理粉末活性炭在机械搅拌条件下溶于200mL去离子水形成溶液A，并通入氮气15min(以降低水中溶解氧)。接着将溶液I转移至三口烧瓶(冷凝回流，减少损失)，加热并保持温度为70℃。将50mL浓度为0.5M氢氧化钠溶液加入溶液AI中，碱性条件下反应60min后冷却。磁铁分离得到黑色粉末，1:1水乙醇溶液洗涤三次，在60℃的烘箱中干燥12h后，得到PAC/Fe₃O₄；

(3)将3g PAC/Fe₃O₄和PVA溶液(15mL，7wt％)形成溶液B，盐酸(750μL，3wt％)和戊二醛(375μL，25wt％)形成溶液C，将溶液B加入溶液C，超声均匀混合15min。在均匀分布强磁场的作用下，将PAC/Fe₃O₄引至溶液表面区域，并静置凝胶化12h后，去离子水中浸泡12h，纯化后浸泡于-30℃液氮，并在30℃去离子水中解冻，冻融过程重复10次，去离子水优选洗涤三次后得到PAC/Fe₃O₄/PVA水凝胶；

(4)将1.5g苯乙烯磺酸钠单体、0.1g亚甲基双丙烯酰胺和0.2g过硫酸铵加入10mL去离子水中，超声均匀混合15min，通氮气15min(以降低水中溶解氧)，7000rpm离心防止气泡产生，得到溶液D。将PAC/Fe₃O₄/PVA水凝胶浸入溶液D中24h，置于90℃烘箱中反应24h。去离子水中浸泡12h，纯化后浸泡于-30℃液氮，并在30℃去离子水中解冻，冻融过程重复10次，去离子水洗涤三次后得到光敏磁性拓扑PAC/Fe₃O₄/PVA/PSS水凝胶蒸发器。

实施例2：

本实施例仅实施实施例1中步骤(1)-(3)，制备PAC/Fe₃O₄/PVA水凝胶。

其中，采用0gPAC/Fe₃O₄替换实施例1步骤(3)中3g PAC/Fe₃O₄，其余步骤(1)-(3)一致，得到PAC/Fe₃O₄/PVA水凝胶。

实施例3：

本实施例仅实施实施例1中步骤(1)-(3)，制备PAC/Fe₃O₄/PVA水凝胶。

采用0.75g PAC/Fe₃O₄替换实施例1步骤(3)中3g PAC/Fe₃O₄，其余步骤(1)-(3)一致，得到PAC/Fe₃O₄/PVA水凝胶。

实施例4：

本实施例仅实施实施例1中步骤(1)-(3)，制备PAC/Fe₃O₄/PVA水凝胶。

采用1.5g PAC/Fe₃O₄替换实施例1步骤(3)中3g PAC/Fe₃O₄，其余步骤(1)-(3)一致，得到PAC/Fe₃O₄/PVA水凝胶。

实施例5：

本实施例仅实施实施例1中步骤(1)-(3)，制备得到PAC/Fe₃O₄/PVA水凝胶。步骤(1)-(3)与实施例1完全一致，得到PAC/Fe₃O₄/PVA水凝胶。

实施例6：

本实施例采用0.5g苯乙烯磺酸钠单体替换实施例1步骤(4)中1.5g苯乙烯磺酸钠单体，其余步骤一致，得到PAC/Fe₃O₄/PVA/PSS水凝胶。

实施例7：

本实施例采用1.0g苯乙烯磺酸钠单体替换实施例1步骤(4)中1.5g苯乙烯磺酸钠单体，其余步骤一致，得到PAC/Fe₃O₄/PVA/PSS水凝胶。

实施例8：

本实施例采用2.0g苯乙烯磺酸钠单体替换实施例1步骤(4)中1.5g苯乙烯磺酸钠单体，其余步骤一致，得到PAC/Fe₃O₄/PVA/PSS水凝胶。

实施例9：

本实施例采用2.5g苯乙烯磺酸钠单体替换实施例1步骤(4)中1.5g苯乙烯磺酸钠单体，其余步骤一致，得到PAC/Fe₃O₄/PVA/PSS水凝胶。

对比例1

本对比例1与实施例2的区别在于，采用3.75gPAC/Fe₃O₄，得到PAC/Fe₃O₄/PVA水凝胶。

本对比例1中光敏磁性粉末加入量达到25％后，出现团聚的情况。

对比例2

本对比例2与实施例1的区别在于，采用10wt％的PVA溶液。

PVA加入量达到10％后，水凝胶的密度增大，不利于水分子的传输，蒸发速率反而出现下降的情况。

应用实施例一：本应用实施例1-9产物固定于辅助漂浮装置，置于100ml去离子水表面，水温25℃，pH＝7。模拟1kW m^-2太阳光强度，记录反应装置质量变化，得到水蒸发速率分别为3.43、1.24、2.18、2.29、2.46、2.60、2.74、2.54和2.54kg m^-2 h^-1。

从上述数据可以看出，光敏磁性粉末加入量由0％-20％，随着光敏磁性粉末量的增加，蒸发速率也随之增大，加入量达到20％时蒸发效果最好，实例中苯乙烯磺酸钠单体的加入量逐渐增加，由0g增至2.5g，蒸发速率呈现先上升后下降的抛物线趋势，在加入量为1.5g时蒸发速率最高。

应用实施例二：本应用实施例1和实施例5产物固定于辅助漂浮装置，置于100ml去离子水表面，水温25℃，pH＝7。模拟0、0.5、1.0、1.5、2.0kW m^-2太阳光强度，记录反应装置质量变化，同时，在1.0kW m^-2太阳光强度下，采用红外热成像仪测定实施例1表面温度和下层水体温度45.4℃和25.0℃，实施例5表面温度和下层水体温度44.5℃和25.0℃，得到实施例1水蒸发速率分别为0.91、1.74、3.43、4.94和7.42kg m^-2 h^-1，实施例5水蒸发速率分别为0.87、1.95、2.89、3.25和6.63kg m^-2 h^-1，表明Fe₃O₄改性PAC集中热定位的聚能性。

从上述数据可以看出，随着光照强度的增大，两者都呈现水蒸发速率同步增加的趋势，但是PSS优化后的蒸发材料较优化前，随光强增加蒸发速率提升更明显，太阳能利用效率更高。应用实施例三：本应用将实施例1和实施例5置于不带盖的铝坩埚，氮气流量20mLmin^-1，升温范围为30℃～120℃，升温速率为5℃min^-1，得到热流变化计算实施例1和实施例5蒸发焓分别为1818.41和1572.63J g^-1，能量利用效率分别为93.4％和94.6％，证明引入PSS羟基和磺酸基的多亲水基团位点，可以降低蒸发焓。

应用实施例四：用NaOH和H₂SO₄调节去离子水pH至3、5、7、9、11，水温25℃，保存待用。将实施例1和实施例5固定于辅助漂浮装置，分别置于pH＝3、5、7、9、11的100ml去离子水表面。在1.0kW m^-2太阳光强度下，得到实施例1蒸发速率分别为2.39、2.81、3.43、3.22和3.10kg m^-2 h^-1，得到实施例5蒸发速率分别为2.18、2.41、2.46、2.43和2.44kg m^-2 h^-1。

从上述数据可以看出，酸性溶液对蒸发速率有较大影响，碱性溶液影响较小，且PSS优化后的蒸发材料较优化前，在不同酸碱性条件下蒸发速率均更高。实验过程中发现水凝胶蒸发材料在强碱(pH＝14)条件下，结构被破坏，原因可能是在强碱作用下，聚乙烯醇的分子间氢键被破坏。酸性条件下效果降低，可能是因为四氧化三铁在酸性条件下发生了化学反应，结构被破坏，影响了光热转换。

应用实施例五：配置NaCl浓度为5、10、20、50、100g/L溶液，水温25℃，pH＝7。将实施例1和实施例5固定于辅助漂浮装置，分别置于不同浓度100mL NaCl溶液表面。在1.0kWm^-2太阳光强度下，得到实施例1蒸发速率分别为3.28、3.43、3.05、3.60、3.07和3.22kg m^-2h^-1，得到实施例5蒸发速率分别为2.39、2.01、2.44、1.63、2.54和2.30kg m^-2 h^-1。

从上述数据可以看出，对比优化前的蒸发材料在不同盐浓度下蒸发效果有不小波动，经PSS优化后材料的蒸发速率随盐浓度提高仅出现上下轻微波动，总体稳定，且蒸发速率也更高，说明盐浓度对优化后材料的蒸发速率影响不大。因此，水凝胶蒸发材料在一定盐浓度范围内可稳定运行，适用范围较广，具有较好的抗盐性能。

应用实施例六：采用高浓度盐11887mg L^-1 Na⁺、1487.9mg L^-1 K⁺、964.8mg L^-1 Ca^{2 +}和967.9mg L^-1 Mg²⁺混合溶液，水温25℃，pH＝7。将实施例1和实施例5固定于辅助漂浮装置，分别置于100mL混合盐溶液表面。在1.0kW m^-2太阳光强度下，利用收集装置收集蒸发后的水，利用电感耦合等离子发射光谱仪测定实施例1蒸发后水中Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺浓度分别为1.61、0.30、0.23和0.05mg L^-1，测定实施例5蒸发后水中Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺浓度分别为2.47、0.01、0.06和0.27mg L^-1。

从上述数据可以看出，优化前后的水凝胶蒸发材料对普通盐类去除均有较好的效果，可使盐浓度降低3个数量级，二者差别较小。

应用实施例七：配置1000mg L^-1 Ni²⁺、1000mg L^-1 Cu²⁺、1000mg L^-1 Zn²⁺、1000mgL^-1 Pb²⁺重金属混合溶液，水温25℃，pH＝7。将实施例1和实施例5固定于辅助漂浮装置，分别置于100mL混合盐溶液表面。在1.0kW m^-2太阳光强度下，利用收集装置收集蒸发后的水，利用电感耦合等离子发射光谱仪测定实施例1蒸发后水中Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺浓度分别为0.04、0.04、0.09和0.02mg L^-1，测定实施例5蒸发后水中Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺浓度分别为0.02、0.02、0.10和0.10mg L^-1。

从上述数据可以看出，优化前后的水凝胶蒸发材料对重金属类去除均有较好的效果，可使重金属盐浓度降低4个数量级，二者差别较小。因此，水凝胶蒸发材料在重金属污染水质净化方面具有较大潜力。

应用实施例八：采集某污水处理厂沉砂池的水作为原水，原水中氨态氮、亚硝态氮、硝态氮、COD、TP和浊度为10.20、3.00、4.60、67.0、1.24和22.00mg L^-1，将实施例1和实施例5固定于辅助漂浮装置，分别置于100mL原水溶液表面。在1.0kW m^-2太阳光强度下，利用收集装置收集蒸发后的水，测定实施例1蒸发后水中氨态氮、亚硝态氮、硝态氮、COD、TP和浊度为6.30、0.70、0.20、22.00、0.03和1.00mg L^-1，测定实施例5蒸发后水中氨态氮、亚硝态氮、硝态氮、COD、TP和浊度为7.50、0.20、0.00、21.00、0.07和0.67mg L^-1。

从上述数据可以看出，优化前后的水凝胶蒸发材料对NO₃-N、TP和浊度均有较好的去除效果，二者差别不大，去除率均超过90％。对COD指标去除效果一般，去除率不到70％，但仍然满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准，原因是有机物的挥发会影响冷凝液水质。而氨氮去除效果较差是因为游离氨挥发至水蒸气中。

应用实施例九：配置1000mg L^-1甲基橙溶液，水温25℃，pH＝7。将实施例1和实施例5固定于辅助漂浮装置，分别置于甲基橙溶液表面。在1.0kW m^-2太阳光强度下，利用收集装置收集蒸发后的水，测定实施例1蒸发后水中甲基橙浓度为0.25mg L^-1，测定实施例5蒸发后水中甲基橙浓度为22.37mg L^-1。

从上述数据可以看出，优化前的材料对甲基橙的去除效果较好，去除率能达到97.76％，但是经PSS优化后的材料显然有着更高的去除效率，达到了99.97％，降低了三个数量级，可见PAC/Fe₃O₄/PVA/PSS水凝胶对染料废水的净化方面有着良好的前景。

图1和图2为实施例1的扫描电镜图，可以看出该样品的多孔网状结构，孔直径约为0.3-2.0μm。

图3为实施例1步骤一、二、三和四的产物的XRD图，从XRD图上可以看出实施例1产物分别了PAC、Fe₃O₄、PVA和PSS的XRD衍射峰。

图4为实施例1步骤一、二、三和四的产物的UV-vis-NIR，可以清楚看出，PVA和PSS多孔结构增强了光的多孔散射效应，实现了PAC/Fe₃O₄/PVA/PSS的高宽带吸收，平均吸光率大于100％。

图5为实施例1-9的水蒸发速率图，结果表明提高PAC/Fe₃O₄吸光剂质量分数可以提高蒸发速率，PAC/Fe₃O₄质量分数20％，PSS质量分数为15％时，蒸发速率的蒸发速率可高达3.43kg m^-2 h^-1，表明引入PSS非共价键作用改变了凝胶网络的水分子间作用力，促使更多的中间水形成，水分子以团簇形式蒸发，以降低蒸发焓，从而进一步提高蒸发速率。

图6中(a)和(b)分别为实施例1和实施例5不同光照强度水蒸发速率和实施例1蒸发温度变化图，结果表明光照强度与蒸发速率呈线性关系，2.0kW m^-2太阳光强度下，实施例1和实施例5蒸发速率高达7.42和6.63kg m^-2 h^-1，蒸发表面温度升高约20℃，表明Fe₃O₄改性PAC集中热定位设计减少了热损失，提高了聚能性。

图7为实施例1和实施例5热流比与蒸发焓图，结果表明将PVA水凝胶与PAC、Fe₃O₄、PSS复合能进一步活化水分子，降低蒸发焓，蒸发所需能量仅为1.57kJ g^-1，能量利用效率大于90％。

图8中(a)和(b)为实施例1和实施例5耐腐蚀性评估图，结果表明PAC/Fe₃O₄/PVA/PSS蒸发器能耐盐腐蚀，在不利条件下也能保持较高的蒸发性能，加入PSS有利于提高水蒸发稳定性。

图9为实施例1和实施例5除盐效果评估图，结果表明各盐离子除盐效率高达99.9％，可降低3个数量级，满足国家《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)标准，水蒸发器具备饮用水除盐(金属阳离子)应用潜力。

图10中(a)为实施例1和实施例5污废水处理评估图，结果表明对硝态氮、TP和SS有较好去除效果，能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准，图10中(b)为实施例1和实施例5染料处理评估图，实施例1对染料有较好净化效果，蒸发后仅为0.25mg L^-1，水蒸发器具备污废水处理的应用潜力。

实施例1得到PAC/Fe₃O₄/PVA/PSS蒸发器形成光敏磁性拓扑结构蒸发特性如下：在此体系中，顺磁性PAC/Fe₃O₄粒子在磁场作用下，在凝胶固化过程中吸光粒子定位于蒸发表面，窄带隙Fe₃O₄光激发后，增加了光生载流与晶格的耦合，提高吸光层的能量密度，PVA和PSS的多孔结构增强了光散射效应，形成了高带宽的光吸收，同时热量集中于蒸发表面，减少热损失，促进能量的进一步聚集，提高了光热转换效率。此外，引入PSS多亲水基团位点，形成较强毛细力，加快了水传输，非共价键作用活化水分子，降低了蒸发焓，从而进一步提高蒸发速率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光敏磁性拓扑结构水凝胶蒸发器的制备方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

(1)将具有吸光性能的粉末与铁源分散于水中，并通入惰性气体，采用共沉淀法使得Fe₃O₄原位生长于具有吸光性能的粉末表面，磁铁分离得到光敏磁性粉末；

(2)将所述光敏磁性粉末与含有羟基的聚合物溶液混合得到分散液，然后加入酸和含有醛基的化合物，发生羟醛反应得到第一聚合物，光敏磁性粉末分散于该第一聚合物中，在外加磁场作用下，使得光敏磁性粉末移动至所述第一聚合物表面，然后经过后处理后得到基础水凝胶；

(3)将所述基础水凝胶浸入聚合物前驱液中，所述聚合物前驱液包括含有磺酸基团的单体、交联剂和引发剂，在加热条件下，含有磺酸基的单体与含有羟基的聚合物溶液发生自由基聚合反应形成拓扑网络结构的第二聚合物，然后经过后处理后得到所述光敏磁性拓扑结构水凝胶蒸发器。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述具有吸光性能的粉末为活性炭粉末；所述具有吸光性能的粉末粒径小于200目。

3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述含有羟基的聚合物溶液为聚乙烯醇溶液、淀粉溶液或聚乙二醇溶液；所述含有磺酸基团的单体为苯乙烯磺酸钠或2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸；所述交联剂为亚甲基双丙烯酰胺、月桂酰两性乙酸钠或椰油酰甘氨酸钠；所述引发剂为过硫酸铵。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铁源为四水合氯化亚铁和六水合氯化铁，其中，四水合氯化亚铁与六水合氯化铁的摩尔比为1:1-1:5；所述具有吸光性能的粉末与Fe₃O₄的生成量的摩尔比为1:1-1:5。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述光敏磁性粉末在所述分散液中的质量分数为5％-25％，所述分散液中含有羟基的聚合物溶液的质量分数为5％-10％；优选地，所述光敏磁性粉末在所述分散液中的质量分数为20％，所述分散液中含有羟基的聚合物溶液的质量分数为7％。

6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物前驱液中含有磺酸基团的单体的质量分数为10％-25％；优选地，所述聚合物前驱液中含有磺酸基团的单体的质量分数为15％。

7.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述具有吸光性能的粉末为活性炭粉末时，对活性炭粉末进行预处理，采用硝酸溶液氧化活性炭粉末。

8.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)后处理为依次进行静置凝胶化、去离子水浸泡、纯化后冻融、清洗；所述步骤(3)中后处理为依次进行去离子水浸泡、纯化后冻融、清洗；所述冻融为浸泡于-20℃至-50℃液氮，并在20-40℃去离子水中解冻，冻融过程重复10次；所述步骤(3)中加热条件为80-100℃，加热时间为12-36小时。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到的光敏磁性拓扑结构水凝胶蒸发器。

10.如权利要求9所述的光敏磁性拓扑结构水凝胶蒸发器在水净化中的应用。

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