一体化规整层状结构的水吸附材料、制备方法及空气集水方法技术

本发明专利技术涉及一体化规整层状结构的水吸附材料、制备方法及空气集水方法，属于空气集水技术领域。本发明专利技术提出的独特的管状形状和紧密排列的层状微观结构使强制气流能够快速渗透到TMM壁，降低传质阻力，增大暴露在空气中的水吸附材料的表面积，从而显著提高TMMs的水吸附和解吸速率。此外，PCS提供的LEH可以快速的将TMMs整体充分加热，从而高效地解吸出TMM中的吸附水。通过利用提高的水吸附和解吸动力学，所研究的TMMs的水吸附

【技术实现步骤摘要】
adsorbed atmospheric water by localized eddy current heating.Mater.Horiz.8,1439
‑
1445(2021).
[0007]非专利文献3：Li,Q.,Ying,Y.,Tao,Y.&Li,H.Assemblable Carbon Fiber/Metal
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Organic Framework Monoliths for Energy
‑
Efficient Atmospheric Water Harvesting.Ind.Eng.Chem.Res.61,1344
‑
1354(2022).
[0008]非专利文献4：Wu,Q.,Su,W.,Li,Q.,Tao,Y.&Li,H.Enabling Continuous and Improved Solar
‑
Driven Atmospheric Water Harvesting with Ti3C2
‑
Incorporated Metal
–
Organic Framework Monoliths.ACS Appl.Mater.Inter.13,38906
‑
38915(2021).

技术实现思路

[0009]本专利技术所要解决的技术问题是：成型化MOF在AWH的装置规模上的应用过程中，由于其吸附和解吸动力学较慢，吸附
‑
解吸循环能力较差，水产率较低，因此在AWH的实际应用中受到了严重限制。
[0010]本专利技术的一个技术改进是：提出了一种面向高产率AWH应用的管状MOF膜(TMM)。不同于传统的管状膜与成型化MOF材料，我们目前提出的TMM具有排列良好的层状结构，并且其基质中包含螺旋状多孔碳带(PCS)(图1的b)。TMM的这种管状膜形状和层状微观结构可以引导强制气流穿过TMM壁，从而降低传质阻力(图1的a)，这将显著地促进空气渗透和嵌入的MOF晶体有效地暴露在空气中，从而发生快速的大气水吸附。通过利用碳材料优异的电热转换能力，施加由光伏供电模块提供的电力，TMM内嵌入的PCS充当加热元件，提供局部电加热性能(LEH)。PCS的螺旋形状的设计可以有效地改善TMM基质中这种LEH的空间分布，从而促进整个TMMs的均匀加热并触发高效的吸附水解吸(图1的c)。基于这种加速水的吸附和解吸过程，TMMs同时实现了快速的水吸附
‑
解吸循环，并显著地提供了产水率。
[0011]本专利技术的另一个技术改进是：还提供了一种用于形成规整孔径形貌的制造方法，该方法利用了径向冻干工艺实现了管状MOF材料能够形成径向孔道的结构。
[0012]一体化规整层状结构的水吸附材料，所述的吸附材料具有管式结构，管壁中包含能够对水吸附和脱附的材料；且在管壁中还含有条状碳材料。
[0013]所述的条状碳材料为纤维式或者片式，且沿管式结构中轴向呈线状或者螺旋状排列。
[0014]所述的纤维式是具有0.1
‑
3mm的直径，所述的片式是指厚度0.1
‑
3mm、宽度1
‑
10mm。
[0015]所述的管壁存在有径向分布的孔道，孔径5
‑
50μm。
[0016]所述的管式结构的内径0.2
‑
2.0mm，外径2.0
‑
10.0mm。
[0017]所述的管壁中还包含有填充材料。
[0018]所述的填充材料为交联的海藻酸钠。
[0019]所述的能够对水吸附和脱附的材料选择MOF基吸水材料、多孔碳吸水材料、吸水高分子树脂、吸水无机盐、吸水矿物材料、吸水分子筛中的一种或几种的混合。
[0020]所述的MOF材料选自MOF801、AlFum、MIL101(Cr)、UiO
‑
66、MOF
‑
303，MIL
‑
101(Fe)中的一种或几种的组合。
[0021]MOF材料在管壁中所占的质量百分比范围是50
‑
90％。
[0022]上述的一体化规整层状结构的水吸附材料的制备方法，包括如下步骤：
[0023]步骤1，在管状模具中置入条状碳材料；
[0024]步骤2，向模具中加入含有水吸附材料和海藻酸钠的浆料，再加入含有金属离子盐的溶液，使海藻酸钠发生交联；
[0025]步骤3，使步骤2中得到的物料的内部与导热材料进行传热接触，并通过对导热材料进行降温的方式对模具中的物料进行冻干，脱模后，得到规整层状结构的管状MOF材料。
[0026]所述的步骤1中，多孔碳材料为片式，且缠绕于导热材料表面。
[0027]所述的金属离子盐是钙盐、镁盐、铁盐或者铜盐中的一种。
[0028]所述的浆料中MOF基水吸附材料的重量比是5
‑
15wt％，海藻酸钠的重量比是0.5
‑
5wt％；含有金属离子盐的溶液的浓度0.5
‑
5wt％，且金属离子盐与海藻酸钠的重量比1：1
‑
10。
[0029]所述的交联过程的时间是0.1
‑
5h。
[0030]所述的导热材料是金属，降温是通过液氮对金属材料进行热传导。
[0031]所述的多孔碳材料的制备方法包括如下步骤：
[0032]步骤a，将木质材料加工成设定形貌，并进行脱木质素处理；
[0033]步骤b，洗涤后，进行煅烧，再进行表面的O2‑
等离子体处理。
[0034]所述的脱木质素过程是通过NaOH和Na2SO3溶液进行加热处理，NaOH浓度1
‑
5M，Na2SO3浓度0.1
‑
2M，加热处理过程温度90
‑
110℃，时间10
‑
100h。
[0035]所述的煅烧过程是600
‑
1000℃下1
‑
10h。
[0036]一种空气集水方法，包括如下步骤：
[0037]将含有水蒸汽的空气以对流方式供入上述的一体化规整层状结构的水吸附材料的管道一端，使能够对水吸附和脱附的材料对水进行吸附；
[0038]通过对条状碳材料施加电场进行加热，使能够对水吸附和脱附的材料中的吸附水发生解吸，并进行水的收集。
[0039]管状MOF材料的管道的另一端封闭。
[0040]空气的湿度10％
‑
100％RH，吸附过程温度0
‑
60℃。
[0041]吸附过程中空气在管内气速0.1
‑
1.0m s
‑1；吸附达到饱和时间1
‑
5h。
[0042]有益效果
[0043]本专利技术提出的独特的管状形状和紧密排列的层状微观结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种一体化规整层状结构的水吸附材料，其特征在于，所述的吸附材料具有管式结构，管壁中包含能够对水吸附和脱附的材料；且在管壁中还含有条状碳材料。2.根据权利要求1所述的一体化规整层状结构的水吸附材料，其特征在于，所述的条状碳材料为纤维式或者片式，且沿管式结构中轴向呈线状或者螺旋状排列；所述的纤维式是具有0.1
‑
3mm的直径，所述的片式是指厚度0.1
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3mm、宽度1
‑
10mm；所述的管壁存在有径向分布的孔道，孔径5
‑
50μm；所述的管式结构的内径0.2
‑
2.0mm，外径2.0
‑
10.0mm。3.根据权利要求1所述的一体化规整层状结构的水吸附材料，其特征在于，所述的管壁中还包含有填充材料；所述的填充材料为交联的海藻酸钠。4.根据权利要求1所述的一体化规整层状结构的水吸附材料，其特征在于，所述的能够对水吸附和脱附的材料选择MOF基吸水材料、多孔碳吸水材料、吸水高分子树脂、吸水无机盐、吸水矿物材料、吸水分子筛中的一种或几种的混合；所述的MOF材料选自MOF801、AlFum、MIL101(Cr)、UiO
‑
66、MOF
‑
303，MIL
‑
101(Fe)中的一种或几种的组合；MOF材料在管壁中所占的质量百分比范围是50
‑
90％。5.权利要求1所述的一体化规整层状结构的水吸附材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，在管状模具中置入条状碳材料；步骤2，向模具中加入含有水吸附材料和海藻酸钠的浆料，再加入含有金属离子盐的溶液，使海藻酸钠发生交联；步骤3，使步骤2中得到的物料的内部与导热材料进行传热接触，并通过对导热材料进行降温的方式对模具中的物料进行冻干，脱模后，得到规整层状结构的管状MOF材料。6.根据权利要求5所述的一体化规整层状结构的水吸附材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，多孔碳材料为片式，且缠绕于导热材...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海青，陶应乐，陈泓铭，范杰，韩丽娜，
申请(专利权)人：山东杨帆环保工程股份有限公司，
类型：发明
国别省市：