一种基于两性Janus纳米纤维的太阳能水蒸发海绵及其制备方法技术

一种基于两性Janus纳米纤维的太阳能水蒸发海绵及其制备方法，属于水资源再生技术领域。所述太阳能水蒸发海绵的基体由亲/疏水两性Janus纳米纤维构成，表面覆盖一层光热转换材料。所述太阳能水蒸发海绵是通过并行静电纺丝技术及冷冻干燥技术制备的，可漂浮在水面上，在阳光照射下通过光热转换材料对太阳能水蒸发海绵上表面的水层加热从而实现水蒸发。所述太阳能水蒸发海绵可对模拟海水进行脱盐，处理后得到的冷凝水中的盐离子浓度均低于世界卫生组织和美国环境保护署的饮用水标准。此外，所述太阳能水蒸发海绵可有效去除水中有机污染物，并具有较好的循环使用性。并具有较好的循环使用性。并具有较好的循环使用性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于两性Janus纳米纤维的太阳能水蒸发海绵及其制备方法


[0001]本专利技术属于水资源再生
，涉及一种基于两性Janus纳米纤维的太阳能水蒸发海绵及其制备方法。

技术介绍

[0002]淡水资源短缺一直是人类发展过程中的一项重大问题，现如今世界上仍然有很多地区受淡水资源短缺影响，如何清洁、高效的生产淡水是一项重大的挑战。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，太阳能驱动水蒸发技术是一种新兴水体净化技术，该技术利用各种光热转换材料吸收太阳光并将其转化为热能加速水蒸发，从而实现在污水中获取淡水，这种技术有望成为解决淡水资源短缺问题的最便捷途径之一。其基本策略是利用太阳能将污水、废水或海水转化为水蒸气，然后将水蒸气收集并浓缩成可饮用的淡水。太阳光水蒸发将水从污染物和杂质中分离出来的过程类似于自然环境中的水循环。因此，该技术是一种不需要额外能量投入的环保、低成本的水净化方案。由于天然水的太阳光吸收率低，能量转化效率差，需要将光热转换性能高的材料放置在水体表面，实现界面加热。典型的界面光热材料包括光热气凝胶、水凝胶、多孔聚合物网络、海绵、膜等。
[0003]三维界面光热材料是目前太阳能驱动水蒸发技术的研究热点。静电纺丝与冷冻干燥相结合是制备三维界面光热材料的常用方法。但在现有的报道中，通过静电纺丝与冷冻干燥技术直接获得的三维材料要么是完全亲水的，要么是完全疏水的，导致其在太阳能驱动水蒸发技术中的应用存在一些问题：亲水材料虽然可以将水泵到蒸发表面，但材料内部过量的水起到了“热桥”的作用，导致从蒸发表面到水体的严重热耗散，此外，由于亲水材料不能漂浮在水面上，通常需要额外的支撑材料；相比之下，完全疏水的材料由于不能将水泵到蒸发表面，几乎不适合用于制备界面光热材料。
[0004]针对上述问题，本专利技术提出一种由亲/疏水两性Janus纳米纤维构成的三维海绵，并在其外表面修饰光热转换材料，从而得到一种三维界面光热材料。其中，亲水结构单元主要起向蒸发表面泵水的作用；疏水结构单元使海绵可以在水面上自漂浮，同时保证海绵中的水含量适中，减轻从蒸发表面到水体的热损失，从而加快水蒸发速度。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于两性Janus纳米纤维的太阳能水蒸发海绵，克服传统亲水三维界面光热材料内部含水量过高、需要额外支撑物、易在水中溶胀、阻盐性能差等缺点，为三维界面光热材料的发展提供新策略和技术支撑。
[0006]为实现所述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种利用静电纺丝工艺制备基于两性Janus纳米纤维的太阳能水蒸发海绵的方法，所述材料的基体是由亲/疏水两性Janus纳米纤维构成的海绵状立方体。单根Janus纳米纤维由亲水有机聚合物构成一个半边；疏水有机聚合物构成另一个半边。在基体表面喷涂
光热转换材料，形成三维界面光热材料，具体制备步骤如下：将亲水有机聚合物及有机溶剂混合，连续搅拌一定时间后静置脱泡获得静电纺丝液A；将疏水有机聚合物及有机溶剂混合，连续搅拌一定时间后静置脱泡获得静电纺丝液B。将上述两种静电纺丝液分别加入至两支相同的注射器中，将两支注射器连接到同一个并行喷丝头上，在一定推进速率、纺丝电压下进行静电纺丝，在固定接收距离采用铝箔纸收集静电纺丝纤维，获得亲/疏水两性Janus纳米纤维膜。将所获得的两性Janus纳米纤维膜通过均质机打碎，并通过冷冻干燥技术获得两性Janus纳米纤维海绵。最后在其表面喷涂光热转换材料获得基于两性Janus纳米纤维的太阳能水蒸发海绵；优选地，制备静电纺丝液A的亲水有机聚合物可为醋酸纤维素、聚丙烯腈、聚乳酸、聚乙二醇中至少一种；优选地，制备静电纺丝液B的疏水有机聚合物可为聚乙烯醇缩丁醛、聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚氨酯、聚苯乙烯中之一；优选地，光热转换材料可为碳纳米管、石墨烯、纳米石墨粉、聚吡咯、聚多巴胺中至少一种；优选地，有机聚合物及有机溶剂混合溶液搅拌时间为6～24 h，可加热至不超过90 o
C以提高有机聚合物的溶解速度，静置脱泡时间为12～24 h；优选地，所述纺丝液推进速率为0.2～0.5 mL/h，纺丝电压为10～20 kV，接收距离为10～20 cm；优选地，所述静电纺丝环境温度为15～40 o
C，湿度为20～50 %。
[0007]本专利技术的优点和积极效果是：1、本专利技术涉及的太阳能水蒸发海绵的基体是亲/疏水Janus纳米纤维海绵，其中亲水材料和疏水材料在纳米尺度上相结合，克服了传统亲水三维界面光热材料无法在水面自漂浮及疏水三维材料不能将水泵到蒸发表面的问题。
[0008]2、本专利技术涉及的亲/疏水Janus纳米纤维海绵中，疏水材料可以限制亲水材料在水中的溶胀效应所导致的体积膨胀，提高了循环使用寿命。
[0009]3、本专利技术涉及的亲/疏水Janus纳米纤维海绵中，疏水材料可以起到较好的阻盐作用，有效抑制蒸发表面的盐结晶生成速度。
[0010]4、本专利技术涉及的太阳能蒸发膜具有较高的水蒸发和光热脱盐性能，同时还可去除水中有机污染物。
附图说明
[0011]图1是本专利技术中实施例1至实施例5的结构示意图；图2是本专利技术中实施例1至实施例5中亲/疏水Janus纳米纤维及对照例1中亲水纳米纤维的扫描电镜图；图3是本专利技术中实施例1至实施例5与对照例1在1倍模拟太阳光照下处理纯水的蒸发量曲线图；图4是1倍模拟太阳光照射下，本专利技术中实施例1处理模拟海水时的脱盐性能；图5是1倍模拟太阳光照射下，本专利技术中实施例1对浓度为0.01 g/L的不同有机染料的去除性能；
图6是本专利技术中实施例1的10次循环实验稳定性。
实施方式
[0012]下面结合附图并通过具体实施例对本专利技术作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本专利技术的保护范围。
[0013]一种利用静电纺丝工艺制备基于两性Janus纳米纤维的太阳能水蒸发海绵的方法，具体制备步骤如下：（1）将亲水有机聚合物及有机溶剂混合，连续搅拌一定时间后静置脱泡获得静电纺丝液A；（2）将疏水有机聚合物及有机溶剂混合，连续搅拌一定时间后静置脱泡获得静电纺丝液B；（3）将A、B两种静电纺丝液置于并行静电纺丝设备中进行静电纺丝，用铝箔纸收集静电纺丝纤维；（4）将收集的静电纺丝纤维过均质机打碎，并通过冷冻干燥技术获得两性Janus纳米纤维海绵；（5）在两性Janus纳米纤维海绵的表面喷涂光热转换材料，获得基于两性Janus纳米纤维的太阳能水蒸发海绵。
[0014]而且，所述纺丝液A中亲水有机聚合物优选为醋酸纤维素和聚乙二醇的混合物，溶剂为丙酮和N,N
‑
二甲基甲酰胺的混合溶液；而且，所述醋酸纤维素的参数为乙酰基：39.8 wt%，羟基：3.5 wt%，聚乙二醇的分子量Mw为2000；而且，所述醋酸纤维素和聚乙二醇的质量比优选为2:1；而且，所述纺丝液A中丙酮和N,N
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二甲基甲酰胺的质量比优选为1:1.5；而且，所述纺丝液A中亲水有机聚合物和溶剂的质量比优选为0.4:1；而且，所述纺丝液B中疏水有机聚合物优本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于两性Janus纳米纤维的太阳能水蒸发海绵及其制备方法，其特征在于：所述太阳能水蒸发海绵的基体由亲/疏水两性Janus纳米纤维构成，太阳能水蒸发海绵的表面覆盖一层光热转换材料；在太阳光的照射下，可将太阳光的能量转换成热量，实现水的蒸发，同时实现对水中盐离子及有机污染物的去除；所述太阳能水蒸发海绵的具体制备步骤如下：将亲水有机聚合物及有机溶剂混合，连续搅拌一定时间后静置脱泡获得静电纺丝液A；将疏水有机聚合物及有机溶剂混合，连续搅拌一定时间后静置脱泡获得静电纺丝液B；将上述两种静电纺丝液分别加入至两支相同的注射器中，将两支注射器连接到同一个并行喷丝头上，在一定推进速率、纺丝电压下进行静电纺丝，在固定接收距离采用铝箔纸收集静电纺丝纤维，获得亲/疏水Janus纳米纤维；将获得的纳米纤维膜通过均质机打碎，并通过冷冻干燥技术获得两性Janus纳米纤维海绵；最后在其表面喷涂光热转换材料获得基于两性Janus纳米纤维的太阳能水蒸发海绵。2.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：马千里，王蕊，邓金硕，吴萍，董相廷，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：