一种仿树木光热水凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种仿树木光热水凝胶及其制备方法和应用，所述仿树木光热水凝胶为MXene纳米片与聚乙烯醇溶液通过定向冷冻形成内部具有垂直排列通道的结构。本发明专利技术与已发表的同类研究工作相比具有突出的光吸收率和蒸发速率；制备方法简单，性能优越，具有很好的应用前景，可广泛运用于海水淡化、污水处理等领域。

Imitation tree hot water gel and preparation method and application thereof

【技术实现步骤摘要】
一种仿树木光热水凝胶及其制备方法和应用
本专利技术属于水处理
，特别涉及一种仿树木光热水凝胶及其制备方法和应用。
技术介绍
水作为人们日常生活和工业生产中最重要的资源之一，已成为世界范围内日益稀缺的资源。据估计，到2025年，将有18亿人将生活在水资源紧张地区(NatureNews,2015,517,6.)。从废水或海水中回收洁净水被认为是解决水资源短缺的有效途径。在过去的几十年里，反渗透(RO)、热蒸馏等水处理技术被用于生产洁净水。但是，由于这些技术能耗高，而且需要复杂的基础设施和大型集中设施，在大多数不发达国家，仍不可行。一种利用可持续的太阳能产生蒸汽处理污水的方法——太阳能光热蒸发，被认为是一种成本低、效益高、环境友好的生产洁净水的方式。经过近几年的研究，人们认识到，设计高效的太阳能光热蒸发系统设计主要有以下几个原则：(1)提高太阳光的吸收；(2)优化热管理，降低热损失；(3)提供良好的水传输通道；(4)促进蒸汽释放。近年来，各种不同结构的材料，如2D结构的膜材料(JournalofMaterialsChemistryA,2018,6,963-971；JournalofMaterialsChemistryA,2018,6,16196-16204.)、3D结构的气凝胶材料(NanoEnergy,2018,46,415-422；Advancedmaterials,2017,29,1604031.)，被用于太阳能光热蒸发系统。然而，2D结构的膜材料的致密结构和3D结构的气凝胶材料的无序孔径分布和网络结构将限制水的传输和蒸汽的释放，导致蒸汽的生成量较低。在自然界中，树木在全球水循环中扮演着至关重要的角色。在它们进行光合作用时，由于垂直排列的微通道和叶片的蒸腾作用，水份可以从根部向上连续输送到树干顶端。受此启发，完全由天然木材组成的高性能太阳能光热蒸发材料被开发出来(Joule,2017,1,588-599；Energy&EnvironmentalScience,2019,12,1558-1567.)。木材中垂直排列的微通道不仅可以为快速的水输送提供开放的通道，而且还可以让水蒸气不受干扰地释放。为了制备高性能的太阳能光热蒸发材料，采用碱处理和原位去除木质素的方法来提高木材的亲水性，但是所得蒸发速率仍低于1.3kg/m2h1(JournalofMaterialsChemistryA,2019,7,13036-13042；ACSappliedmaterials&interfaces,2019,11,26032-26037)，有待进一步提高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种仿树木光热水凝胶及其制备方法和应用，与已发表的同类研究工作相比具有突出的光吸收率和蒸发速率。本专利技术提供了一种仿树木光热水凝胶，所述仿树木光热水凝胶为MXene纳米片与聚乙烯醇溶液通过定向冷冻形成内部具有垂直排列通道的结构。本专利技术还提供了一种仿树木光热水凝胶的制备方法，包括：将聚乙烯醇PVA加入到水中加热到70-90℃溶解，得到PVA溶液；向PVA溶液中加入MXene纳米片，搅拌均匀分散；将分散后的溶液倒入模具中，然后将模具放置在部分浸入液氮浴中的铜柱上，待溶液完全冷冻后，得到气凝胶；将气凝胶冷冻干燥、洗涤，在去离子水中充分溶胀，即得仿树木光热水凝胶，记为TIH；其中，MXene纳米片与PVA的质量比为0.01-0.1:5-12.5。所述PVA的分子量为31000、61000、135000或145000。所述PVA与水的质量体积比为5-12.5g:100mL。所述MXene纳米片的制备方法包括如下步骤：将2-5g氟化锂溶于40-200ml溶剂中，得到氟化锂溶液；冰浴下，向该溶液中加入2-5gTi3AlC2，搅拌5-30分钟；将溶液加热至30-40℃，搅拌24-48小时；反应结束后，用3000-5000rpm的转速离心并用溶剂清洗，重复多次直至上层溶液的pH值为6-7；将离心后的残渣重新分散到去离子水中，超声0.5-2小时；超声后的溶液在3000-5000rpm的转速下离心0.5-2小时；取上层溶液，冷冻干燥得到MXene纳米片。所述溶剂为水或盐酸。本专利技术还提供了一种仿树木光热水凝胶的应用，应用于光热水蒸发。具体步骤为：将仿树木光热水凝胶放到覆盖有滤纸的聚苯乙烯泡沫上。将另一个条状滤纸穿过聚苯乙烯泡沫，一端连接到聚苯乙烯泡沫上的滤纸，另一端伸出滤纸。将聚苯乙烯泡沫漂浮在盛有海水(或染料溶液)的容器上(有水凝胶一侧向上)，组成光热蒸发系统。将光热蒸发系统放到标准太阳光模拟器下，利用天平测量重量变化。有益效果本专利技术得到的仿树木光热水凝胶对250-2500nm波长的光具有97％的吸收率。在标准太阳光下，水蒸发速率能够达到2.71kg/m2h1。由仿树木光热水凝胶材料组成的光热蒸发体系能够将海水中的含盐量降低3个数量级，并且能够除去含染料的废水中99.9％的染料。因此，本专利技术得到的仿树木光热水凝胶与已发表的同类研究工作相比具有突出的光吸收率和蒸发速率。本专利技术制备方法简单，性能优越，能量来源是绿色、可再生的太阳能，不需要消耗其他能量，具有很好的应用前景，可广泛运用于海水淡化、污水处理领域。附图说明图1为制备二维片层材料MXene的示意图。图2a为MXene的扫描探针显微镜图；图2b为MXene的透射电子显微镜图。图3为制备仿树木光热水凝胶TIH的示意图。图4为TIH的场发射扫描电子显微镜图。图5为PVA和TIH对不同波长光的吸收图。图6为标准太阳光下，纯水和TIH的温度随时间的变化。图7为标准太阳光下，不同TIH样品的蒸发速率。图8a为蒸发前后，海水中4种离子的浓度变化；图8b为蒸发前后，溶液中染料浓度的变化。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1(1)将2g氟化锂溶于40ml溶剂中。冰浴下，向该溶液缓慢加入2gTi3AlC2，搅拌5分钟。将溶液加热至35℃，搅拌24小时。反应结束后，用3500rpm的转速离心并用溶剂清洗，重复多次直至上层溶液的pH值为6-7。将离心后的残渣重新分散到去离子水中，超声1小时。超声后的溶液在3500rpm的转速下离心1小时。取上层溶液，冷冻干燥得到MXene纳米片。(2)将5gPVA加入100ml水中加热到80℃溶解。向10mlPVA溶液中加入50mg步骤(1)所得的MXene纳米片，并搅拌使其均匀分散。将分散后的溶液倒入聚四氟乙烯模具中，然后将模具放置在部分浸入液氮浴中的铜柱上。溶液完全冷冻后，将样品冷冻干燥。冷冻干燥后的气凝胶用去离子水洗涤多次，在去离子水中充分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿树木光热水凝胶，其特征在于：所述仿树木光热水凝胶为MXene纳米片与聚乙烯醇溶液通过定向冷冻形成内部具有垂直排列通道的结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种仿树木光热水凝胶，其特征在于：所述仿树木光热水凝胶为MXene纳米片与聚乙烯醇溶液通过定向冷冻形成内部具有垂直排列通道的结构。


2.一种仿树木光热水凝胶的制备方法，包括：
将聚乙烯醇PVA加入到水中加热到70-90℃溶解，得到PVA溶液；向PVA溶液中加入MXene纳米片，搅拌均匀分散；将分散后的溶液倒入模具中，然后将模具放置在部分浸入液氮浴中的铜柱上，待溶液完全冷冻后，得到气凝胶；将气凝胶冷冻干燥、洗涤，在去离子水中充分溶胀，即得仿树木光热水凝胶；其中，MXene纳米片与PVA的质量比为0.01-0.1:5-12.5。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述PVA的分子量为31000、61000、135000或145000。


4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述PVA与水的...

【专利技术属性】
技术研发人员：武培怡，于振川，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海;31