一种纳米金属增强光热效应的生物质基复合气凝胶及其制备与应用制造技术

本发明专利技术公开了一种纳米金属增强光热效应的生物质基复合气凝胶及其制备与应用。本发明专利技术先将壳聚糖、木质素和纳米碳粉均匀分散在碱尿素混合溶液中，经冷冻

【技术实现步骤摘要】
一种纳米金属增强光热效应的生物质基复合气凝胶及其制备与应用


[0001]本专利技术属于光热材料制备领域，具体涉及一种纳米金属增强光热效应的生物质基复合气凝胶及其制备与应用。

技术介绍

[0002]水是生命之源，是地球上最宝贵、最不可替代的自然资源。由于工业化进程加快、人口密度快速增长和水污染问题的加剧，淡水资源的短缺给人类的生存和社会的可持续发展带来了巨大的挑战。为了解决淡水资源短缺的问题，研究人员将注意力转向由淡化海水得到干净的饮用水。然而，传统的工业海水淡化技术，包括反渗透、多效蒸馏和电渗析等方法，往往需要复杂的基础设施、集中安装和高能耗，使它们不适合在缺水且没有安装电网的偏远地区使用。最近，可再生能源，特别是太阳能的使用受到了极大的关注，有望作为不可再生化石能源的理想替代品。太阳能因其在丰富程度、可持续性、对环境的影响微乎其微以及不受地理位置限制等优点都使得其他不可再生的化石能源相形见绌。太阳能界面蒸发已被公认为一种可持续的淡水生产策略，以缓解淡水资源短缺的问题。太阳能界面蒸发系统将光热材料限制在气
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液界面上，可以最大限度地降低热损失，增强光热转换效应并进一步提高海水淡化性能。
[0003]壳聚糖是由甲壳素脱乙酰化而来的一种天然高分子材料，主要存在于虾、蟹等甲壳类动物的外壳中。壳聚糖是一种天然聚阳离子电解质，具有优异的生物活性和机械稳定性，是制备气凝胶的理想原材料。壳聚糖通常溶于稀酸溶液，分子链上的氨基在酸性条件下会发生质子化从而带有大量正电荷，一旦与带负电荷的物质混合时，由于正负电荷之间的强静电作用，会产生非均相的絮凝。
[0004]木质素作为自然界中含量最多的芳香族聚合物，每年由制浆造纸以及生物乙醇工业产生大量的木质素副产物。目前木质素利用率低，绝大多数被作为低级燃料焚烧或者直接排入海洋，不仅给自然生态环境造成严重污染，还造成资源的浪费。木质素富含酚羟基、醇羟基、醛基、甲氧基等多种活性基团，使得木质素可以作为金属纳米粒子的还原剂。金属纳米粒子具有等离激元共振增强效应能提高复合材料的光吸收性能，且木质素分子的强共轭和π
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π堆积可以促进非辐射迁移引发光热转换效应。
[0005]目前利用光热转换材料进行海水淡化还存在一些问题：蒸发器具有脆性骨架机械强度低；材料成本高、制备工艺复杂；单一材料的光热转换效率低，造成能量损失；结晶盐聚集堵塞在材料表面，破坏材料的长期稳定性使用。因此，有必要设计一种工艺简单、成本低廉、光热性能优异的太阳能界面蒸发器。

技术实现思路

[0006]为解决现有技术的缺点和不足之处，本专利技术的首要目的在于提供一种纳米金属增强光热效应的生物质基复合气凝胶的制备方法。
[0007]本专利技术方法基于壳聚糖在碱尿素溶剂体系呈电中性可以有效避免静电作用，以壳聚糖和带负电荷的木质素为原料，以碱/尿素为溶剂体系，纳米碳粉和金属纳米粒子作为光热剂，通过简单冷冻干燥获得光热生物质复合气凝胶。本专利技术壳聚糖和木质素都是生物质资源，产量丰富且来源广泛，制备方法工艺简单，易于大规模生产应用，纳米碳粉和金属纳米粒子具有协同作用，能进一步提升复合材料的光吸收能力，加速水蒸发，提升海水淡化性能，得到的生物质复合气凝胶具有优异的光热转换性能，在太阳能利用、海水淡化等领域具备良好的应用前景。
[0008]本申请另一目的在于提供上述方法制得的一种纳米金属增强光热效应的生物质基复合气凝胶。
[0009]本专利技术的再一目的在于提供上述一种纳米金属增强光热效应的生物质基复合气凝胶的应用。
[0010]本专利技术目的通过以下技术方案实现：
[0011]一种纳米金属增强光热效应的生物质基复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0012](1)将壳聚糖、木质素和纳米碳粉均匀分散在碱尿素混合溶液中，经冷冻
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解冻循环处理后，得到均相壳聚糖/木质素/纳米碳粉混合溶液；
[0013](2)向均相壳聚糖/木质素/纳米碳粉混合溶液中加入交联剂，在20～60℃凝胶化反应，得到复合水凝胶；
[0014](3)将复合水凝胶在金属前驱体溶液中浸泡5～10h后，洗涤，冷冻干燥，得到壳聚糖/木质素/纳米碳粉负载金属纳米粒子复合气凝胶光热材料。
[0015]优选地，步骤(1)所述壳聚糖和木质素的质量比为(0.2～20)：1；更优选为(1.5～9)：1。
[0016]优选地，步骤(1)所述壳聚糖和木质素的总质量与纳米碳粉的质量比为100：(3～51)。
[0017]优选地，步骤(1)所述壳聚糖和碱尿素混合溶液的质量比为(1～4)：100。
[0018]优选地，步骤(1)所述碱尿素混合溶液由碱、尿素和水混合所得；所述碱尿素溶剂中，碱的质量含量为10～30％，尿素的质量含量为5～15％；所述碱为氢氧化锂、氢氧化钾和氢氧化钠中的至少一种。
[0019]优选地，步骤(1)所述木质素为木质素磺酸盐、碱木质素、硫酸盐木质素和有机溶剂木质素中的至少一种。
[0020]优选地，步骤(1)所述冷冻的温度为
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20～
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60℃，冷冻时间为4～6h；冷冻
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解冻循≥2次。
[0021]优选地，步骤(1)具体为：将壳聚糖分散于碱尿素混合溶液中得到壳聚糖溶液，将木质素溶解碱尿素混合溶液中得到木质素溶液，将壳聚糖溶液、木质素溶液和纳米碳粉混合均匀，经冷冻
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解冻循环处理后，得到均相壳聚糖/木质素/纳米碳粉混合溶液。
[0022]更优选地，所述壳聚糖溶液中，壳聚糖的质量浓度为2～10％；所述木质素溶液中，木质素的质量浓度为2～10％；所述壳聚糖溶液和木质素溶液的质量比为(1.5～9)：1。
[0023]优选地，步骤(2)所述交联剂为环氧氯丙烷、聚乙二醇二缩水甘油醚和亚甲基双丙烯酰胺中的至少一种。
[0024]优选地，步骤(1)所述壳聚糖的质量和步骤(2)所述交联剂的体积比为(0.235～
0.692)g：(0.5～2.5)mL。
[0025]优选地，步骤(2)所述凝胶化反应的时间为12～36h。
[0026]优选地，步骤(3)所述金属前驱体溶液为银氨溶液、氯金酸溶液和氯化钯溶液中的至少一种；溶剂为水。
[0027]优选地，步骤(3)所述金属前驱体溶液的浓度为0.1～1g/L；所述复合水凝胶的质量和金属前驱体溶液的体积比为(1～5)g：100mL。
[0028]优选地，步骤(3)所述洗涤为水洗，所述冷冻干燥温度为
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50℃～
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60℃，时间为36～72h。
[0029]上述制备方法制得的一种纳米金属增强光热效应的生物质基复合气凝胶。
[0030]上述一种纳米金属增强光热效应的生物质基复合气凝胶的应用。
[0031]优选地在海水淡化中的应用。
[0032]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点及有益效果：
[0033]本专利技术的制备本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米金属增强光热效应的生物质基复合气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将壳聚糖、木质素和纳米碳粉均匀分散在碱尿素混合溶液中，经冷冻
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解冻循环处理后，得到均相壳聚糖/木质素/纳米碳粉混合溶液；(2)向均相壳聚糖/木质素/纳米碳粉混合溶液中加入交联剂，在20～60℃凝胶化反应，得到复合水凝胶；(3)将复合水凝胶在金属前驱体溶液中浸泡5～10h后，洗涤，冷冻干燥，得到纳米金属增强光热效应的生物质基复合气凝胶。2.根据权利要求1所述一种纳米金属增强光热效应的生物质基复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述壳聚糖的质量和步骤(2)所述交联剂的体积比为(0.235～0.692)g：(0.5～2.5)mL；步骤(2)所述交联剂为环氧氯丙烷、聚乙二醇二缩水甘油醚和亚甲基双丙烯酰胺中的至少一种。3.根据权利要求1所述一种纳米金属增强光热效应的生物质基复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述壳聚糖和木质素的质量比为(0.2～20)：1；步骤(1)所述壳聚糖和木质素的总质量与纳米碳粉的质量比为100：(3～51)。4.根据权利要求1所述一种纳米金属增强光热效应的生物质基复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述壳聚糖和碱尿素混合溶液的质量比为(1～4)：100；步骤(1)所述碱尿素混合溶液由碱、尿素和水混合所得；所述碱尿素溶剂中，碱的质量含量为10～30％，尿素的质量含量为5～15％；所述碱为氢氧化锂、氢氧化钾和氢氧化钠中的至少一种。5.根据权利要求1所述一种纳米金属增强光热效应的生物质基复合气凝胶的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑大锋，陈石林，杨东杰，谭振荣，岑秋兰，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：