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【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种高耐盐p(am-dmdaac)/石墨烯基大孔janus气凝胶及其制备方法与应用,属于化学及环境。
技术介绍
1、随着社会经济的高速发展,工业用水消费随着生产规模的增长急剧增加。与此同时,废水产量也在不断增长。农药、染料、医药等化工行业在生产过程中会产生大量高盐废水,这种废水污染物组分复杂,处理难度高,对土壤、水体等污染严重,造成土地盐碱化、水体富营养化,甚至空气污染等严重后果,从而严重影响生态环境。相较于发达国家,我国工业废水重复利用率较低。因此,对高盐废水进行低成本的资源化利用成为了环境领域面临的新挑战。资源化利用不仅可以将废水对环境的污染风险降到最低,还可以减轻淡水提取对生态系统造成的压力。
2、目前,正渗透、反渗透、多级闪蒸、膜蒸馏等先进的淡化技术已投入实际生产。然而,高昂的建设、运营和维护成本限制了偏远地区淡水生产的发展。太阳能驱动界面蒸发因其高效、便捷的淡水生产过程而受到广泛关注,而光热转化材料是该技术实现低成本、高效率的关键。
3、在太阳能界面蒸发过程中,光热转化材料界面上覆盖着一层薄薄的水膜,气凝胶可以最大限度地进行光热转换并利用产生的热量生产淡水,大大减少了传递到散装水和周围区域的热量散失,提高了能量利用效率。同时,为了保证太阳能驱动界面蒸发过程高效稳定地运行,光热材料必须在保证高效光热转换和自身蒸发性能的情况下,具备优异的水传递性能和抗盐结晶能力,以防止长时间蒸发堆积盐晶体阻塞供水通道,降低蒸汽压;避免析出的盐结晶覆盖光热层,导致捕获的太阳光量大幅减少,光热转换受到抑制
4、janus结构气凝胶的研究是当前研究的热点,常用的改性方法有:选择性氟化、硅烷改性和碳化等,而这些方法一般都是先制备亲水性气凝胶,再进行改性。上述方法制备过程较为复杂,从而限制了实际的大规模应用。因此,亟需构建一种制备工艺简单、原料易得、光热转换性能和润湿性能优良的janus结构气凝胶。目前还未见到使用一步法制备janus结构三维气凝胶用于光热蒸发的报道。
5、中国专利文献cn113603935a公开了一种具有janus特性的复合气凝胶,以纤维素纳米纤丝粉末、ti3c2tx mxene分散液为原料,通过冷冻干燥得到硅烷改性的纤维素纳米纤丝/ti3c2tx mxene气凝胶,将其作为上层材料;以纤维素纳米纤丝分散液为原料,浸入液氮冷冷冻得到纤维素纳米纤丝气凝胶作为下层材料。通过上层和下层的交界处通过化学交联作用联结为整体。该方法制备得到的气凝胶在一个标准太阳光下,水蒸发速率可以达到2.331kg m-2h-1。在连续10天每天6小时的一个标准太阳光照后,其在3.5wt%,7wt%,10.5wt%nacl水溶液中的蒸发速率分别可达2.13,2.03,1.80kg m-2h-1。该具有janus特性的复合气凝胶先制备上层材料、下层材料,然后通过上层和下层的交界处通过化学交联作用联结为整体,制备过程繁琐,成本高,容易对环境造成污染。
技术实现思路
1、针对现有制备janus结构气凝胶方法合成过程复杂、能耗高、污染大等诸多问题,本专利技术提供一种高耐盐p(am-dmdaac)/石墨烯基大孔janus气凝胶及其制备方法与应用。
2、专利技术概述:
3、本专利技术以p(am-dmdaac)和氧化石墨烯为原料,将二者按比例混合,水热条件下反应一步合成了石墨烯基大孔janus气凝胶,由于p(am-dmdaac)带正电,可以与带负电的石墨烯片通过静电相互作用巧妙地结合,有效地抑制了由于范德华力和π-π键相互作用而导致的石墨烯堆叠,反应完成后形成水凝胶;将水凝胶竖直放置在内表面平整的容器中,使其上表面暴露,下表面与内表面平整的容器底部接触,无需预冷冻直接放入冷冻干燥,最终得到上表面疏水下表面亲水的高耐盐性p(am-dmdaac)/石墨烯基大孔janus气凝胶。
4、专利技术详述:
5、本专利技术是通过如下技术方案实现的:
6、一种高耐盐p(am-dmdaac)/石墨烯基大孔janus气凝胶,所述的复合气凝胶是以氧化石墨烯为原料,p(am-dmdaac)为改性剂,通过一步水热-冷冻铸造法构建三维网络结构制得,所述janus气凝胶的一面为表面粗糙的疏水面,相对的一面为表面平整的亲水面,内部为孔结构。
7、根据本专利技术优选的,疏水面水接触角为130-140°,亲水面水接触角为0°;该材料在一个太阳强度的照射下,在去离子水中的蒸发速率达3.606kg m-2h-1;在实际海水或10wt%nacl溶液中经过10次的5h蒸发循环后,其表面未出现结盐现象;离子去除率均达到99%以上。
8、本专利技术的第二个目的是提供上述高耐盐p(am-dmdaac)/石墨烯基大孔janus气凝胶的制备方法。
9、上述高耐盐p(am-dmdaac)/石墨烯基大孔janus气凝胶的制备方法,包括步骤如下:
10、(1)将p(am-dmdaac)置于去离子水中搅拌过夜,得到均匀p(am-dmdaac)溶液;
11、(2)将氧化石墨烯置于去离子水中超声分散均匀,得到均一稳定的氧化石墨烯分散液;
12、(3)调节氧化石墨烯分散液ph,然后与p(am-dmdaac)溶液混合搅拌,得混合分散液;
13、(4)将步骤(3)混合分散液水热处理,冷却后,得到水凝胶,水凝胶用去离子水浸泡洗涤,洗涤后的水凝胶放置在内表面光滑平整的容器中,使其上表面暴露,下表面与内表面光滑平整的容器底部接触,冷冻干燥,得到高耐盐p(am-dmdaac)/石墨烯基大孔janus气凝胶。
14、根据本专利技术优选的,步骤(1)中,p(am-dmdaac)溶液的浓度为3-10mg/ml,搅拌时间为12-24h。
15、进一步优选的,p(am-dmdaac)溶液的浓度为4-8mg/ml,搅拌时间为15-20h。
16、根据本专利技术优选的,步骤(2)中,氧化石墨烯分散液浓度为4-10mg/ml,超声分散功率为200-600w,超声时间为30-300s。
17、进一步优选的,氧化石墨烯分散液浓度为4-6mg/ml,超声时间为60-180s。
18、根据本专利技术优选的,步骤(3)中,调节后氧化石墨烯分散液的ph=2-11。
19、进一步优选的,步骤(3)中,调节后氧化石墨烯分散液的ph=9-11。
20、根据本专利技术优选的,步骤(3)中,氧化石墨烯分散液与p(am-dmdaac)溶液混合的体积比为(1-2):(1-2)。
21、进一步优选的,步骤(3)中,氧化石墨烯分散液与p(am-dmdaac)溶液混合的体积比为1:1。本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高耐盐P(AM-DMDAAC)/石墨烯基大孔Janus气凝胶,所述的复合气凝胶是以氧化石墨烯为原料,P(AM-DMDAAC)为改性剂,通过一步水热-冷冻铸造法构建三维网络结构制得,所述Janus气凝胶的一面为表面粗糙的疏水面,相对的一面为表面平整的亲水面,内部为孔结构。
2.根据权利要求1所述的高耐盐P(AM-DMDAAC)/石墨烯基大孔Janus气凝胶,其特征在于,疏水面水接触角为130-140°,亲水面水接触角为0°;该材料在一个太阳强度的照射下,在去离子水中的蒸发速率达3.606kg m-2h-1;在实际海水以及10wt%NaCl溶液中经过10次的5h蒸发循环后,其表面未出现结盐现象;离子去除率均达到99%以上。
3.权利要求1所述的高耐盐P(AM-DMDAAC)/石墨烯基大孔Janus气凝胶的制备方法,包括步骤如下:
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,P(AM-DMDAAC)溶液的浓度为3-10mg/mL,搅拌时间为12-24h。
5.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,
6.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,步骤(2)中,氧化石墨烯分散液浓度为4-10mg/mL,超声分散功率为200-600W,超声时间为30-300s,优选的,氧化石墨烯分散液浓度为4-6mg/mL,超声时间为60-180s。
7.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,步骤(3)中,调节后氧化石墨烯分散液的pH=2-11;优选的,步骤(3)中,调节后氧化石墨烯分散液的pH=9-11;步骤(3)中,氧化石墨烯分散液与P(AM-DMDAAC)溶液混合的体积比为(1-2):(1-2);优选的,步骤(3)中,氧化石墨烯分散液与P(AM-DMDAAC)溶液混合的体积比为1:1。
8.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,步骤(4)中,水热反应温度为150-250℃,反应时间为5-15h,步骤(4)中,浸泡洗涤时间为24-72h,每隔6h更换一次去离子水;冷冻干燥条件:温度为-40℃~-50℃,真空度为0-10Pa,干燥时间为24-40h。
9.权利要求1所述的高耐盐性P(AM-DMDAAC)/石墨烯基大孔Janus气凝胶的应用,用于光热蒸发、海水淡化或高盐废水淡化处理。
10.根据权利要10所述的应用,其特征在于,光热蒸发的具体方法为:构建太阳能蒸发装置,该装置由泡沫圆环、圆柱型海绵以及P(AM-DMDAAC)/石墨烯基大孔Janus气凝胶组成,泡沫圆环固定在圆柱型海绵的一端置于水面,海绵接触水体,形成T形供水装置,将气凝胶置于T型供水装置的顶部,底面接触被润湿的海绵,借助润湿的海绵不断地输送到疏水的上表面进行高效的光热蒸发;
...【技术特征摘要】
1.一种高耐盐p(am-dmdaac)/石墨烯基大孔janus气凝胶,所述的复合气凝胶是以氧化石墨烯为原料,p(am-dmdaac)为改性剂,通过一步水热-冷冻铸造法构建三维网络结构制得,所述janus气凝胶的一面为表面粗糙的疏水面,相对的一面为表面平整的亲水面,内部为孔结构。
2.根据权利要求1所述的高耐盐p(am-dmdaac)/石墨烯基大孔janus气凝胶,其特征在于,疏水面水接触角为130-140°,亲水面水接触角为0°;该材料在一个太阳强度的照射下,在去离子水中的蒸发速率达3.606kg m-2h-1;在实际海水以及10wt%nacl溶液中经过10次的5h蒸发循环后,其表面未出现结盐现象;离子去除率均达到99%以上。
3.权利要求1所述的高耐盐p(am-dmdaac)/石墨烯基大孔janus气凝胶的制备方法,包括步骤如下:
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,p(am-dmdaac)溶液的浓度为3-10mg/ml,搅拌时间为12-24h。
5.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,p(am-dmdaac)溶液的浓度为4-8mg/ml,搅拌时间为15-20h。
6.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,步骤(2)中,氧化石墨烯分散液浓度为4-10mg/ml,超声分散功率为200-600w,超声时间为30-300s,优选的...
【专利技术属性】
技术研发人员:高悦,程小虎,岳钦艳,高宝玉,孔岩,但宏兵,魏耀,
申请(专利权)人:山东大学,
类型:发明
国别省市:
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