一种抗生物污损的磁性丝素蛋白基复合气凝胶、制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及磁性气凝胶技术领域，具体涉及一种抗生物污损的磁性丝素蛋白基复合气凝胶、制备方法及其应用，磁性丝素蛋白基复合气凝胶中使用的磁性材料为四氧化三铁纳米立方颗粒，是一种同时具有优异的磁热性能和光热性能的磁性纳米材料。本发明专利技术制备的磁性丝素蛋白基复合气凝胶对交变磁场和太阳光照均具有优异的响应性，在交变磁场的作用下，该磁性气凝胶具有良好的升温性能，抑制了三维多孔蒸发材料内部孔隙和通道内微生物污损的形成；在日照光强下具有良好的水蒸发性能，水蒸发速率达到2.03kgm

【技术实现步骤摘要】
一种抗生物污损的磁性丝素蛋白基复合气凝胶、制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及纳米复合材料
，具体涉及一种抗生物污损的磁性丝素蛋白基复合气凝胶、制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]多孔结构的宏观三维蒸发器由于其在捕光、隔热和水传输等方面的优势，有效地提高了蒸发速率，已被证明是用于水净化的理想的太阳能蒸发器。在实际的水净化过程中，水中复杂的污染物已被证明是对材料和器件长期耐用性最具挑战性的问题之一。
[0003]与无机盐不同，微生物不仅存在于海水中，而且广泛分布于大多数天然水和废水中。当微生物附着在物体的表面后，其会在附着体上进行繁殖、分化，并分泌一些多糖基质，从而形成生物污损。对于三维多孔蒸发器件，生物污损会造成孔道堵塞而影响水分传输，最终导致材料失效。然而，受制于太阳光有限的穿透深度和能量密度，依靠蒸发器自身的光热效应不足以抑制生物污损。因此，有必要研究三维多孔蒸发器的抗生物污损技术。
[0004]磁热是一种利用磁性材料响应交变磁场而进行加热的手段。与光热相比，磁热具有加热速度快，热效率高，没有穿透深度限制等优点，是一种整体均匀的加热方式。同时，磁热是一种远程可控的加热方式，在不移动物体的情况下便能达到按需加热的目的，并可通过改变磁场控制加热温度。因此，磁热为三维多孔蒸发材料内部孔隙和通道的生物污垢控制提供了可能。此外，作为一种物理手段，磁热抑制生物污损可以减少对化学杀菌剂的依赖，如毒性氧化亚铜，是一种绿色安全的杀菌方式。
[0005]鉴于上述基础，本专利技术创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本专利技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于解决微生物在多孔结构的宏观三维蒸发器材料内部的生长及繁殖易导致生物污损的形成，降低孔道的通透性从而影响材料的正常使用的问题，提供了一种抗生物污损的磁性丝素蛋白基复合气凝胶、制备方法及应用。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术公开了一种抗生物污损的磁性丝素蛋白基复合气凝胶，包括丝素蛋白取向孔道结构、磁性纳米颗粒，所述磁性纳米颗粒均匀分布在所述丝素蛋白取向孔道结构的孔道内壁中。
[0008]所述磁性材料为四氧化三铁纳米立方颗粒。
[0009]所述的一种抗生物污损的磁性丝素蛋白基复合气凝胶，在四氧化三铁纳米立方颗粒含量为1.0mg/mL，磁场强度为20kA/m时便能达到理想的磁热抑制生物污损的效果。
[0010]所述的一种抗生物污损的磁性丝素蛋白基复合气凝胶在1kW/m2的光照强度下，当四氧化三铁纳米立方颗粒含量为1mg/mL时性能最佳，蒸发量为2.03kg
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[0011]本专利技术还公开了上述抗生物污损的磁性丝素蛋白基复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0012]S1，通过高温油相法制备得到疏水性的四氧化三铁纳米立方颗粒。将疏水性的磁性四氧化三铁纳米颗粒通过聚合物包裹的方法制备成亲水性的磁性四氧化三铁纳米颗粒；
[0013]S2，将步骤S1中得到的亲水性的磁性四氧化三铁纳米颗粒与丝素蛋白溶液混合，混合均匀得到混合溶液；
[0014]S3，将步骤S2中得到的混合溶液倒入模具中，进行取向冷冻25～35min，最后冷冻干燥得到磁性丝素蛋白基复合气凝胶；
[0015]S4，将步骤S3中得到的磁性丝素蛋白基复合气凝胶浸泡在甲醇溶液中进行固定；
[0016]S5，使用液氮将步骤S4中的磁性丝素蛋白基复合气凝胶冻结，最后冷冻干燥即可得到用于水净化的抗生物污损的磁性丝素蛋白基复合气凝胶。
[0017]所述步骤S2中混合溶液中的磁性四氧化三铁纳米颗粒的浓度为0～2.0mg/mL。
[0018]所述步骤S2中混合溶液中丝素蛋白的浓度可根据对材料力学性能的要求而改变，呈现出随着混合液体中丝素蛋白浓度的增加，得到的气凝胶力学性能逐渐增强的趋势。
[0019]所述步骤S3中取向冷冻采用液氮进行，取向冷冻的温度可根据孔道大小的需求改变，表现为孔道的大小随冷冻温度的降低而减小。
[0020]本专利技术还公开了上述抗生物污损的磁性丝素蛋白基复合气凝胶在制备太阳能驱动水处理材料中的应用。
[0021]本专利技术制备的抗生物污损的磁性丝素蛋白基复合气凝胶，其中磁性材料为四氧化三铁纳米立方颗粒。四氧化三铁具有优良的磁热效应与光热效应。强磁性可用于磁热抑制生物污损的形成，经过磁热处理的磁性丝素蛋白基复合气凝胶，能有效灭活气凝胶内部孔道中的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，从而抑制其在气凝胶内部大量繁殖形成生物污损而堵塞孔道。在磁热的辅助下，能有效延长磁性丝素蛋白基复合气凝胶的使用寿命。磁性丝素蛋白基复合气凝胶具有单向取向孔道，为水分的传输提供了通道，在一个太阳光照强度下的水分蒸发率高达2.03kgm
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‑1。制备的磁性丝素蛋白基复合气凝胶在处理含藻红或亚甲基蓝染料的污水及模拟海水中蒸发速率稳定且具有可循环性。丝素蛋白取向孔道结构可有效的固定磁性四氧化三铁纳米颗粒，在长时间浸泡及压缩的情况下气凝胶中铁离子的泄漏率极低，证明该气凝胶具有较高的稳定性。该磁性丝素蛋白基复合气凝胶使用材料价格低廉，制备方法为冷冻干燥，简单易行，易于工业化实施。
[0022]与现有技术比较本专利技术的有益效果在于：磁热是利用磁性材料来产生热量，是一种直接的加热方式，产生的热量可以高效的作用于三维气凝胶内部，有效抑制孔道内部生物污损，保证水通道通畅。作为一种物理方法，磁热抑制生物污损可以减少对化学杀菌剂的依赖，如毒性氧化亚铜，是一种绿色安全的杀菌方式。四氧化三铁纳米立方颗粒具有良好的光热转化性能，单一材料实现两种功能，使制备过程简单化，便于大规模应用。
附图说明
[0023]图1为磁性丝素蛋白基复合气凝胶的透射电镜照片；
[0024]图2为磁性丝素蛋白基复合气凝胶的扫描图以及光学图片；
[0025]图3为磁性丝素蛋白基复合气凝胶的磁性固定图像；
[0026]图4为磁性丝素蛋白基复合气凝胶的SQUID图谱；
[0027]图5为磁性丝素蛋白基复合气凝胶的光吸收图谱；
[0028]图6为磁性丝素蛋白基复合气凝胶的XRD图谱；
[0029]图7为磁性丝素蛋白基复合气凝胶的稳定性；
[0030]图8为不同四氧化三铁纳米立方颗粒含量的含水磁性丝素蛋白基复合气凝胶的光热升温数据图；
[0031]图9为不同四氧化三铁纳米立方颗粒含量的含水磁性丝素蛋白基复合气凝胶的水蒸发速率；
[0032]图10为磁性丝素蛋白基复合气凝胶处理藻红和亚甲基蓝染料溶液前后的紫外
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可见曲线；
[0033]图11为磁场强度为20kA/m时，不同铁含量的磁性丝素蛋白基复合气凝胶的磁加热升温曲线；
[0034]图12为磁性丝素蛋白基复合气凝胶中四氧化三铁纳米立方颗粒含量为1.0mg/mL时，在不同磁场强(10、15和20kA/m)下的磁热升温曲线；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抗生物污损的磁性丝素蛋白基复合气凝胶，其特征在于，包括丝素蛋白取向孔道结构、磁性纳米颗粒，所述磁性纳米颗粒均匀分布在所述丝素蛋白取向孔道结构的孔道内壁中。2.如权利要求1所述的一种抗生物污损的磁性丝素蛋白基复合气凝胶，其特征在于，所述磁性纳米颗粒为四氧化三铁纳米立方颗粒。3.如权利要求1所述的一种抗生物污损的磁性丝素蛋白基复合气凝胶，其特征在于，所述抗生物污损的磁性丝素蛋白基复合气凝胶在20kA/m的磁场强度下，铁含量为1.0mg/mL的含水气凝胶的温度≤81℃。4.如权利要求1所述的一种抗生物污损的磁性丝素蛋白基复合气凝胶，其特征在于，所述抗生物污损的磁性丝素蛋白基复合气凝胶在1kW/m2的光照强度下，水蒸发速率为2.03kg
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‑1。5.一种如权利要求1～4任一项所述的抗生物污损的磁性丝素蛋白基复合气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，通过高温油相法制备得到疏水性的四氧化三铁纳米立方颗粒。将疏水性的磁性四氧化三铁纳米立方颗粒通过聚合物包裹的方法制备成亲水性的磁性四氧化三铁纳米立方颗粒；S2...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆杨，邢寒野，薛敬哲，宋永红，许昊，陈胜，李康康，董良，张威，彭宗顺，王立靖，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：