一种石墨烯复合气凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于水处理技术领域，具体涉及一种石墨烯复合气凝胶及其制备方法和应用。所述复合气凝胶为梯度多孔螺旋结构，包括三聚氰胺泡沫骨架，三聚氰胺泡沫骨架上喷涂有氧化石墨烯和亲水性物质；所述的亲水性物质包括但不限于MXene或纤维素纳米晶。本发明专利技术通过构建和调控梯度孔结构，使蒸发器在径向形成毛细压力差，盐水自发在径向形成浓度梯度，最终在边缘处形成结晶，因此可以长时间处理高浓度盐水并保持稳定高效的蒸发速率，最终可以高效稳定的淡水/盐分同时收集并实现零液体排放。水/盐分同时收集并实现零液体排放。水/盐分同时收集并实现零液体排放。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯复合气凝胶及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于水处理
，具体涉及一种石墨烯复合气凝胶及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]人们开始利用多级闪蒸、多效蒸馏、反渗透膜、电渗透等海水淡化技术解决淡水短缺的问题。但海水淡化厂每天要排放大量的浓缩盐废水到河流、湖泊或大海中，对生态环境和陆地植被造成不利影响。近期人们提出了水处理的终极目标—“零液体排放”，即将盐和水完全分离，可以最大限度的减少对生态的破坏。但使用传统海水淡化技术(比如反渗透膜法等)处理浓盐水(大于7wt.％)时，所需能量急剧增加，同时膜的使用寿命明显缩短。因此，急需一种节能环保的新技术，可以处理高浓度盐水并实现零液体排放。
[0003]近年来，界面太阳能蒸发技术因其在处理海水或废水时，可以在太阳能驱动下快速蒸发水，并产生最小的碳足迹而引起广泛关注。目前，界面太阳能蒸发器在处理高浓度盐水时，为了减少盐结晶对蒸发过程的影响，主要有“salt
‑
free”和“salt
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out”两种策略。其中，“salt
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free”策略是通过结构设计使蒸发器表面不产生盐结晶，但是，通过“salt
‑
free”策略不能将水和盐分离，因此无法实现零液体排放。“salt
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out”策略是通过调控盐水的输送方向，使盐在蒸发界面之外的区域定向结晶。但是目前一维供水通道作为定向结晶蒸发器的唯一供水单元，存在垂直吸收不足的情况，降低了整体的蒸发效率，妨碍了定向结晶蒸发器用于高效率脱盐。因此，对于定向结晶太阳能蒸发器件而言，可以高效、连续、稳定的盐/水同时收集，最终实现零液体排放仍然是一个巨大挑战。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出了一种石墨烯复合气凝胶及其制备方法。本专利技术通过构建和调控梯度孔结构，使蒸发器在径向形成毛细压力差，盐水自发在径向形成浓度梯度，最终在边缘处形成结晶，因此可以长时间处理高浓度盐水并保持稳定高效的蒸发速率，最终可以高效稳定的淡水/盐分同时收集并实现零液体排放。
[0005]本专利技术所述的一种石墨烯复合气凝胶为梯度多孔螺旋结构。
[0006]所述复合气凝胶包括三聚氰胺泡沫骨架，三聚氰胺泡沫骨架上喷涂有氧化石墨烯和亲水性物质；所述的亲水性物质包括但不限于MXene或纤维素纳米晶。
[0007]氧化石墨烯与亲水性物质的质量比为(50
‑
80)：(50
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20)，优选50/50，60/40，80/20。若亲水性物质加的太少，石墨烯气凝胶不亲水会导致供水不足，对太阳能蒸发性能有影响；若石墨烯加的太少，影响光热转换性能。
[0008]所述的石墨烯复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)三聚氰胺泡沫通过热压处理，得到泡沫膜；
[0010](2)将泡沫膜卷曲缠绕成三聚氰胺泡沫骨架；所述的三聚氰胺泡沫骨架为梯度多孔螺旋结构骨架；
[0011](3)向三聚氰胺泡沫骨架上喷涂氧化石墨烯和亲水性物质的混合水溶液，常压干燥、太阳光还原，得到石墨烯复合气凝胶。
[0012]步骤(1)中，热压处理时，压缩比为0或2或4或6或8或10。
[0013]步骤(2)是基于步骤(1)压出来的膜具有大小不同的孔径结构，所以卷曲之后才具有梯度孔结构。
[0014]梯度多孔螺旋结构骨架的形成过程为：将不同压缩比获得的泡沫膜由内至外卷曲成螺旋卷，通过调控螺旋卷的内外高度，形成内部低，外部逐渐升高的梯度多孔螺旋结构骨架；由内至外，泡沫膜的压缩比逐渐增大；
[0015]步骤(3)中，混合水溶液中，氧化石墨烯的含量为5mg/mL
‑
10mg/mL。
[0016]所述的石墨烯复合气凝胶可用于组装太阳能蒸发装置，用于处理高浓度盐水。
[0017]本专利技术以低成本聚合物梯度多孔泡沫为骨架，实现可塑形、可回弹以及微孔结构与宏观外形可协同调控的石墨烯/MXene网络结构，使盐只在侧面定向结晶，因此可以高效水蒸发与盐/水同时收集，最终实现零液体排放，泡沫的存在也会使石墨烯复合气凝胶的力学性能更好。本专利技术通过调控石墨烯/MXene的微观孔结构和宏观外形，阐明定向结晶机制和蒸发性能的增强机理，为高效太阳能脱盐器件的设计和开发提供新的理论依据。
附图说明
[0018]图1为本专利技术所述的梯度多孔石墨烯复合气凝胶多维供水通道与其他的一维供水通道对比示意图；
[0019]图2为本专利技术所述的梯度多孔石墨烯复合气凝胶连续48小时处理高浓度盐水(25wt.％，近饱和盐溶液)后盐结晶与一维供水通道盐结晶对比示意图；
[0020]图3为本专利技术所述的梯度多孔螺旋结构石墨烯复合气凝胶示意图；
[0021]图4为本专利技术所述的石墨烯复合气凝胶处理高浓度盐水时侧面定向结晶图；
[0022]图5为本专利技术所述的石墨烯复合气凝胶与块状石墨烯气凝胶的蒸发速率对比图；
[0023]图6为图1的彩色图；
[0024]图7为图2的彩色图；
[0025]图8为图3的彩色图。
具体实施方式
[0026]实施例1
[0027]一种石墨烯复合气凝胶，所述复合气凝胶为梯度多孔螺旋结构；
[0028]所述复合气凝胶包括三聚氰胺泡沫骨架，三聚氰胺泡沫骨架上喷涂有氧化石墨烯和亲水性物质；所述的亲水性物质为MXene；
[0029]其具体制备过程为：
[0030](1)三聚氰胺泡沫通过热压处理，得到具有不同压缩比的泡沫膜；
[0031](2)将泡沫膜卷曲缠绕成三聚氰胺泡沫骨架；所述的三聚氰胺泡沫骨架为梯度多孔螺旋结构骨架；梯度多孔螺旋结构骨架的形成过程为：将不同压缩比获得的泡沫膜由内至外卷曲成螺旋卷，控制螺旋卷的高度为1cm，由内至外，泡沫膜的压缩比逐渐增大；
[0032](3)向三聚氰胺泡沫骨架上喷涂氧化石墨烯和亲水性物质的混合水溶液，常压干
燥、太阳光还原，得到石墨烯复合气凝胶；混合水溶液中，氧化石墨烯的含量为5mg/mL，氧化石墨烯与亲水性物质的质量比为80/20；
[0033]将制备的石墨烯复合气凝胶组装太阳能蒸发装置。
[0034]实施例2
[0035]一种石墨烯复合气凝胶，所述复合气凝胶为梯度多孔螺旋结构；
[0036]所述复合气凝胶包括三聚氰胺泡沫骨架，三聚氰胺泡沫骨架上喷涂有氧化石墨烯和亲水性物质；所述的亲水性物质为MXene；
[0037]其具体制备过程为：
[0038](1)三聚氰胺泡沫通过热压处理，得到具有不同压缩比的泡沫膜；
[0039](2)将泡沫膜卷曲缠绕成三聚氰胺泡沫骨架；所述的三聚氰胺泡沫骨架为环状梯度多孔结构骨架；具体的梯度多孔螺旋结构骨架的形成过程为：将不同压缩比获得的泡沫膜由内至外卷曲成螺旋卷，控制螺旋卷的高度为3cm，由内至外，泡沫膜的压缩比逐渐增大；
[0040](3)向三聚氰本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯复合气凝胶，其特征在于，所述复合气凝胶为梯度多孔螺旋结构。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合气凝胶，其特征在于，所述复合气凝胶包括三聚氰胺泡沫骨架，三聚氰胺泡沫骨架上喷涂有氧化石墨烯和亲水性物质；所述的亲水性物质包括但不限于MXene或纤维素纳米晶。3.根据权利要求2所述的一种石墨烯复合气凝胶，其特征在于，氧化石墨烯与亲水性物质的质量比为(50
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80)：(50
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20)。4.权利要求1
‑
3任一项所述的石墨烯复合气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)三聚氰胺泡沫通过热...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晨蔚，丁美春，赵德民，
申请(专利权)人：山东第一医科大学山东省医学科学院，
类型：发明
国别省市：