一种多功能天然高分子气凝胶微球及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种多功能天然高分子气凝胶微球及其制备方法和应用。该微球由改性纤维素和氨基质子化的壳聚糖共混，并掺入纳米碳粉制备而成；该微球的直径在3到10毫米范围不等，具有表面凹凸、内部多孔的微观形貌特征，该特征提供了大量的物理吸附位点；同时，该多孔微球的密度仅为0.20 g cm

【技术实现步骤摘要】
一种多功能天然高分子气凝胶微球及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于水资源再利用
，具体地说，尤其涉及一种天然高分子气凝胶微球及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]当今世界正面临着严峻的环境污染问题，包括空气、土地和水污染。其中，水污染尤其引起了人们的重点关注。水污染问题主要包括大量废水和水资源短缺两个方面。
[0003]富营养化水是一种常见的废水，一般认为是水中氮、磷等营养盐含量超标，超出生态系统的吸收限度，导致藻类在短时间内大量增殖而产生的一系列生态危害。有研究表明，水中的磷元素是造成藻类无序增殖和水体富营养化的关键元素之一，所以利用多种科学技术手段将水体中的磷元素含量控制在合理的范围内显得尤为重要。此外，磷元素也是植物生长必需的微量元素，如果再将水体中的磷元素收集并加以利用，则具有更重要的实用价值。目前“水体控磷”的主要方法有化学沉淀法、电解法和吸附法等。他们各有优势和缺点，比如：化学沉淀法易产生二次污染，电解法能耗较大，而吸附法是一种有效、可靠、环境友好的处理方法，利用吸附材料的比表面积大、孔隙率高等特点可以有效地去除富营养化水体中的多种磷酸盐。
[0004]水资源短缺是水污染的另一个严峻的问题。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生绿色能源，它可以被一些光热转换材料吸收并转化为热能，用于加热液态水以产生蒸汽，通过多种冷凝方式来获得洁净水。早期太阳能驱动的水蒸发主要是底部加热模式和悬浮加热模式，其光热转换材料分别分散于水体底部和水体中。然而，这两种模式都会加热部分不参与蒸汽产生的水体，导致低的光热转换效率（低于80%）。近年来，新兴的太阳能驱动“界面”蒸发技术能将太阳光产生的热量集中在空气/水界面的界面处，极大地提高了光热转换效率（接近甚至超过100%）和水蒸发速率（基于水在常温下的蒸发焓，超过理论速率：1.47 kg m
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2 h
−1）。利用来源丰富、性能优异和结构可控的多种天然高分子材料能制备大面积的光热转换器件，具有成本低、加工方式简单和结构可控等优点，制备的器件可以与其他技术集成实现环境能量收集、水体杀菌与净化、溶质分离和水环境监测等潜在新功能，表现出很大的实际应用潜力。
[0005]因此，基于天然高分子材料，制备一种多功能的界面蒸发材料则显得尤为重要，也是本领域的研究热点。

技术实现思路

[0006]本专利技术的技术目的是提供一种多功能天然高分子气凝胶微球的可控制备方法，另一目的是提供该微球对光热转换、界面蒸发、水体中磷元素的吸附和再利用的测试与表征，以弥补现有技术的不足。
[0007]目前吸附和界面蒸发材料的制备选择更倾向于天然高分子，其具有来源广泛、廉价易取和改性容易等优点。壳聚糖和纤维素是自然界中含量较丰富的两大天然聚合物。壳
聚糖是一种海洋生物质，具有价格便宜、可再生、制备简单和环境稳定性好的优点，是一种应用于水体环境污染处理的生物新型吸附材料。但是，基于壳聚糖的吸附剂通常机械强度弱、耐酸碱性能差，这极大地限制了其在实际废水处理中的更好应用。纤维素是主要的陆地生物质，具有可再生、能自然降解、生物相容性好、机械性能优良和易于改性等诸多优点，是制备多孔凝胶的优良材料。
[0008]本申请制备了一种多功能天然高分子气凝胶微球，该微球由改性纤维素和氨基质子化的壳聚糖共混，并掺入纳米碳粉制备而成。
[0009]进一步的，所述的天然高分子气凝胶微球，其直径在3到10毫米范围不等，具有表面凹凸、内部多孔的微观形貌特征，该特征提供了大量的物理吸附位点；同时，该多孔微球的密度仅为0.20 g cm
−3，使其可以自漂浮于水体表面，实现光热转换和界面蒸发。该微球具有多尺度孔结构、大比表面积和低密度等优点，在保证对磷酸盐高吸附量的同时能产生高的光热转换效率和水蒸发速率，实现对富营养化水体的无害化处理，同时产生清洁的饮用水。
[0010]进一步的，所述多功能天然高分子气凝胶微球的制备方法，大致包括以下步骤：（1）改性纤维素：对微晶纤维素进行季铵化处理；（2）处理壳聚糖：在酸性条件下溶解壳聚糖，进行氨基质子化；（3）制备基础吸附剂材料（光热转换材料）：步骤（1）制得的改性纤维素与步骤（2）处理后的壳聚糖共混并掺入纳米碳粉形成共混液；（4）成球：将步骤（3）得到的共混液逐滴滴入碱性溶液中，形成具有多个吸附基团的水凝胶微球；（5）微球的成型：将步骤（4）制备的水凝胶微球进行冷冻干燥得到气凝胶微球，即可。
[0011]所述天然高分子气凝胶微球在富营养化水体中能够进行吸附应用，同时实现水体界面蒸发。
[0012]本专利技术的优点和有益效果：在现有的研究中，无机盐吸附和光热水蒸发是两个独立的方向，无法对被污染的水体进行同步有效处理，无法同时实现溶质分离和清洁水生产。本专利技术则提供了一种多功能天然高分子气凝胶微球的制备方法。该天然高分子气凝胶微球内部具有多尺度“开孔”结构，增加了对磷元素的物理吸附位点，实现了选择性吸附。微球在进行对富营养化水体中磷酸盐吸附的同时也能实现太阳能驱动的界面水蒸发，更能再将吸附磷酸盐后的气凝胶微球用作肥料进行种植，实现了“吸附
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蒸发
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种植”一体化。该多功能天然高分子气凝胶微球的设计制备不仅能够对富营养化水体进行多重高效的处理，同时可以实现对水体中营养盐的再利用和清洁水的生产，为改良污染水体和解决水资源短缺等问题提供了潜在的解决方法。
附图说明
[0013]图1是所制备的多功能天然高分子气凝胶微球的横断面扫描电镜图像，其中（a）为整个微球，（b）为微球表面的粗糙形貌，（c）为微球内部的多孔形貌。
[0014]图2是纤维素改性效果的Zeta电位值结果图。
[0015]图3是等摩尔比、不同浓度纤维素改性效果的Zeta电位值结果图。
[0016]图4是未改性及改性后相关材料的傅里叶红外官能团的表征图。
[0017]图5是多功能天然高分子气凝胶微球的降解实物图。
[0018]图6是多功能天然高分子气凝胶微球及水凝胶微球的吸附效果对比图。
[0019]图7是纯水及含有多功能天然高分子气凝胶微球的蒸发实验图。
[0020]图8是空白、吸附天然高分子气凝胶微球和市面肥料种植实物图。
[0021]图9是空白、吸附天然高分子气凝胶微球和市面肥料种植植物高度数据统计对比图。
具体实施方式
[0022]下面结合实施例以及附图对本专利技术所述的技术方案作进一步地描述说明。
[0023]实施例：一种多功能天然高分子气凝胶微球的制备方法，包括以下步骤：（1）改性纤维素：配制质量分数为8%的微晶纤维素悬浮液，用高剪切均质机在20000 rpm下进行不少于五次的高速剪切，之后加入NaOH，其中NaOH的质量分数为10%，连续搅拌一晚；再加入2, 3
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环氧丙基三甲基氯化铵，保证纤维素羟基与季铵盐季铵基的摩尔比为1:5，在65℃下油浴搅拌8小时进行充分反应；得到的反应样品放入离本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多功能天然高分子气凝胶微球，其特征在于，该微球由改性纤维素和氨基质子化的壳聚糖共混，并掺入纳米碳粉制备而成。2.如权利要求1所述的天然高分子气凝胶微球，其特征在于，该微球直径在3到10毫米范围不等，具有表面凹凸、内部多孔的微观形貌特征；该微球的密度仅为0.20 g cm
−3。3.如权利要求1所述的天然高分子气凝胶微球，其特征在于，所述多功能天然高分子气凝胶微球的制备方法，包括以下步骤：（1）改性纤维素：对微晶纤维素进行季铵化处理；（2）处理壳聚糖：在酸性条件下溶解壳聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐晓峰，李晶晶，李娜，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：