一种基于毛发废弃物的光蒸发海水淡化凝胶的制备方法与流程

本技术涉及海水淡化，尤其涉及一种基于毛发废弃物的光蒸发海水淡化凝胶的制备方法。

背景技术：

1、由于水资源短缺已成为全球最紧迫的人类社会威胁之一，人们已经付出了大量努力于开发海水淡化技术。目前，膜分离技术和热蒸馏法是工业中主要的淡化技术。然而，这两种方法都需要大量能源消耗，引发了社会对能源可持续性和环境影响的担忧。因此，迫切需要一种新的以可再生能源为动力的海水淡化技术。利用太阳光作为可再生能源的界面光蒸发技术，是提供解决清洁水短缺问题的最有前途的绿色和可持续方法之一。过去几十年来，它一直是最引人注目的学术研究以及工业化发展的领域之一。

2、界面光蒸发的效率主要取决于光吸收材料的性能，因此光吸收材料成为界面光蒸发的最重要部分。目前已经设计和制造了各种光吸收材料，包括等离子体纳米结构和碳基材料等，以提高太阳能到蒸汽的转换效率。其中碳基材料拥有天然丰富的低成本碳原料，易于扩展的结构，并且由于高光吸收性能，天然水通道和优秀的热传输能力而具有高界面光蒸发性能。目前大量采用的碳基材料，如石墨烯，碳纳米管，碳纳米纤维等，这些材料由于制备复杂，价格昂贵阻碍了实际应用的大规模生产

3、生物炭被定义为在惰性气氛下由生物质热解产生的多孔固体和富碳材料，其天然丰富且可持续。 由于其易于调节的孔隙率和表面功能性，基于生物炭的材料在催化、能量储存和转换、碳封存和污染物去除领域中已经出现了若干应用。比如yang等人以浒苔为原料设计了一种2d生物碳界面蒸发器，(yang, chen et al. 2019)；aya gamal saad 等人以锯末为原料设计了一种双金属等离子体纳米壳掺杂的生物炭(saad, gebreil et al.2022)。

4、废弃的毛发是动物产生的废物，含有丰富的天然角蛋白，目前还没有采用毛发废弃物制备的生物炭来制备凝胶，用于光蒸发海水淡化的报道。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本技术提供一种基于毛发废弃物的光蒸发海水淡化凝胶的制备方法。

2、第一方面，本技术提供一种基于毛发废弃物的光蒸发海水淡化凝胶的制备方法，采用如下技术方案：

3、一种基于毛发废弃物的光蒸发海水淡化凝胶的制备方法，包括以下步骤：

4、s1、毛发废弃物预处理：将收集的毛发废弃物剪成段，先用自来水清洗三次，再用超纯水清洗三次，然后用有机溶剂浸泡，浸泡后用超纯水清洗三次、干燥，得到预处理过的毛发；

5、s2、毛发生物碳制备：取毛发于耐热容器中，在惰性气体氛围下经过加热、碳化，得到生物碳；

6、s3、角蛋白透析液制备：将毛发放入反应器中，加入超纯水1搅拌混合，配成混合液a，向混合液a中加入硫化钠混合均匀，得到混合液b,再将混合液b在20-80℃环境中浸泡0.5-5h，然后将混合液b中的固体物滤除，得到滤液，将滤液装入透析袋，再将透析袋浸泡于超纯水2中进行透析，使角蛋白分离，期间每隔1-8小时换一次超纯水，取出完成透析的滤液，获得角蛋白透析液；

7、s4、水凝胶制备：取得到的角蛋白透析液和超纯水，加入羧甲基纤维素，搅拌1-10小时使其完全溶解，加入毛发生物碳，搅拌1-10小时使其分散均匀加入甘油和柠檬酸，搅拌1-10小时得到水凝胶溶液，将水凝胶溶液冷冻1-10小时，将冻结的水凝胶溶液冻干24-96小时，将冻干后的水凝胶溶液在70度环境下烘干24-96小时，得到基于毛发废弃物的光蒸发海水淡化凝胶。

8、通过采用上述技术方案，s1步骤中的毛发废弃物预处理主要是为了去除杂质和污染物，如将毛发剪成段是为了方便后续处理，通过清洗和浸泡去除表面的污渍和化学物质，再经过干燥得到预处理过的毛发。s2步骤中的毛发生物碳制备是将经过预处理的毛发进行碳化处理，通过加热和碳化能够将毛发转化为有机碳材料，得到生物碳。这样制备的生物碳中含有丰富的氮元素和硫元素，改善了碳的电子结构，有利于提高水凝胶的光热转化性能。s3步骤中的角蛋白透析液制备主要是为了提取出毛发中的角蛋白。角蛋白是一种具有良好亲水性的蛋白质，能够吸附水分子并降低水的蒸发焓。通过在透析过程中不断更换超纯水，能够将角蛋白分离出来，得到角蛋白透析液。s4步骤中的水凝胶制备是将角蛋白透析液和超纯水与其他添加剂混合，形成水凝胶溶液。其中加入的羧甲基纤维素可以增加凝胶的粘度和稳定性，同时加入的毛发生物碳能够提高凝胶的光热转化性能。而添加的甘油和柠檬酸则能够促进凝胶的交联。将制备好的水凝胶溶液进行冷冻、冻干和烘干等步骤，能够形成具有优异性能的水凝胶。这种水凝胶具有良好的耐盐性能、亲水性、光吸收性能，对3.5wt%盐水有较高的蒸发速率，并且具有自然降解、无污染物成分等特点。各个步骤之间的协同作用能够实现从毛发废弃物到制备水凝胶的高效转化。

9、优选的，在步骤s1中，所述毛发废弃物剪成段，剪断为1-10cm的短发。

10、通过采用上述技术方案，在步骤s1中，将毛发废弃物剪成段，短发长度为1-10cm。这个步骤的目的是将长发切割成适当长度的短发段，以便后续处理。短发段易于处理和混合，而且可以有效地利用废弃物。

11、优选的，在步骤s1中，所述有机溶剂为乙醇、甲醇、乙酸乙酯中的一种或多种，所述浸泡的时间为10-180分钟。

12、通过采用上述技术方案，此步骤的作用是通过有机溶剂的浸泡将毛发中的污染物、油脂和其他杂质去除，使得毛发干净无污染。有机溶剂在浸泡过程中能够与毛发中的污染物发生作用，溶解或吸附这些污染物，从而使毛发表面洁净。同时，适当的浸泡时间可以确保污染物充分被溶解或吸附，并保证毛发表面无残留物，为后续步骤的进行提供干净的毛发材料。

13、优选的，在步骤s2中，所述惰性气体为氮气、氩气、氦气中的一种。

14、优选的，在步骤s2中，所述加热的温度500-1500度，所述碳化的时间5-20小时。

15、通过采用上述技术方案，在步骤s2中，所述惰性气体为氮气、氩气、氦气中的一种。所述加热的温度500-1500度，所述碳化的时间5-20小时。此步骤的作用是将毛发进行碳化处理，得到毛发生物碳。毛发碳化是通过在惰性气体氛围下对毛发进行高温加热处理，将毛发的有机物质在高温条件下分解为碳含量更高的生物碳。在碳化过程中，惰性气体起到保护毛发和防止氧化的作用，有助于保持碳化的同时不破坏毛发的形状和结构。具体来说，选择惰性气体如氮气、氩气或氦气作为碳化的气氛是为了避免空气中的氧气与毛发发生反应，防止毛发的氧化和燃烧。同时，加热温度的选择可以在一定程度上控制碳化反应的速率和产物的性质，通过大量实验表明选择在500-1500度范围内进行比较好。碳化的时间取决于加热温度和毛发的特性，通过大量实验表明选择为5-20小时比较好。通过惰性气体的选择和适当的加热条件，能够有效地将毛发中的有机物质转化为高碳含量的生物碳，为后续的制备工艺提供了优质的原材料。同时，所得到的生物碳具有良好的光热转化性能，有利于提高水凝胶的性能，包括光吸收、热传导和蒸发速率等。

16、优选的，在步骤s3中，所述毛发、超纯水1、硫化钠的质量比为10-100:1000:3.9-78。

17、优选的，在步骤s3中，所述透析袋的透析膜分子量为1000-10000，所述滤液、所述超纯水2的质量比为1:10-100。

18、优选的，在步骤s3中，所述透析的透析时间为1-10天。

19、通过采用上述技术方案，在步骤s3中，通过将毛发放入反应器中，并加入超纯水1进行搅拌混合，形成混合液a。然后向混合液a中加入硫化钠，并在20-80℃环境中浸泡0.5-5小时。这些操作的作用是将毛发中的角蛋白溶解并进行透析，去除其中的杂质和低分子物质。毛发中的角蛋白是水凝胶制备的关键成分，因此需要通过透析去除毛发中角蛋白外的其他杂质。透析是一种通过选择性透过透析膜分离不同分子大小的物质的方法。在此步骤中，所述透析袋的透析膜分子量为1000-10000，可以控制透析的分子大小范围。透析时间的选择是为了确保毛发中的杂质能够充分去除，同时保留角蛋白溶液。透析的目的是将角蛋白分离出来，得到角蛋白透析液。经过透析后，毛发中的杂质被滤出，而较大分子量的角蛋白能够保留在透析袋中，形成透析液。透析液中的角蛋白可以进一步用于后续的制备工艺，例如与其他材料混合制备水凝胶。通过优化透析液的制备条件，可以得到含有丰富角蛋白的透析液，提高水凝胶的亲水性和蒸发速率。同时，透析的适当时间和适宜的透析袋的选择可以确保角蛋白的完全分离和纯化，提高水凝胶的质量和性能。

20、优选的，在步骤s4中，所述角蛋白透析液、所述超纯水、所述羧甲基纤维素、所述毛发生物碳的质量比为30:10:0.1-1:0.1-1。

21、优选的，在步骤s4中，所述甘油、所述超纯水的质量比为0.1-1:10，所述羧甲基纤维素、所述柠檬酸的质量比为1:0.1-1。

22、通过采用上述技术方案， 在步骤s4中，通过将角蛋白透析液、超纯水、羧甲基纤维素和毛发生物碳混合搅拌，形成水凝胶溶液。角蛋白透析液是水凝胶制备中的主要原料，它含有丰富的角蛋白，能提高凝胶的亲水性和光吸收性能。超纯水的加入可以控制溶液中的浓度和粘度，以达到适宜的凝胶形成。羧甲基纤维素是一种可溶于水的高分子化合物，可以增加溶液的黏稠度并促进凝胶的形成。毛发生物碳的加入能够改善光热转化性能。为了进一步提高水凝胶溶液的性能，甘油和柠檬酸也被加入到溶液中。甘油是一种具有保湿性能的化合物，可以增加凝胶的稳定性和亲水性。柠檬酸是一种酸性物质，能够调节溶液的ph值，优化凝胶的形成和稳定。通过优化配比和搅拌时间，可以得到分散均匀的水凝胶溶液。随后，将水凝胶溶液进行冷冻和冻干处理，以获得均匀的水凝胶体。最后，在70度环境下对冻干后的水凝胶进行烘干，使其获得良好的稳定性和物理性能。本技术的制备方法能够利用毛发废弃物制备水凝胶，通过控制原料质量比和优化工艺条件，可以制备出具有耐盐性能、亲水性和光吸收性能的水凝胶。这种方法实现了毛发废弃物的回收再利用，具有环保和经济的特点。该方法为海水淡化及其他相关领域的应用提供了新的思路和具有潜力的技术方案。

23、综上所述，本技术的有益技术效果：

24、1. 具有优良的光热转化性能：毛发废弃物中的角蛋白含有氮元素和硫元素，经过碳化得到的生物碳中也掺杂有这些元素。相比于其他未掺杂元素的生物炭，这种掺杂改善了碳材料的电子结构，有利于提高水凝胶的光热转化性能。

25、2. 提高了凝胶的亲水性和蒸发速率：制备的水凝胶中含有丰富的角蛋白，能够提高凝胶的亲水性，增强向蒸发表面输水的能力。同时，角蛋白上的亲水基团与水分子相互作用，降低了水的蒸发焓，进一步提升了蒸发速率。

26、3. 采用廉价和丰富的原材料：本技术所采用的原材料为毛发废弃物，价格低廉且易于获取。这种回收再利用的思路有助于资源的可持续利用。

27、4. 具备良好的耐盐性能和光吸收性能：经过本技术制备的水凝胶具有优秀的耐盐性能，可在高盐浓度环境中应用。同时，角蛋白的存在增强了凝胶对光的吸收能力，进一步提高了光热转化效率。

28、5. 可自然降解，无污染物：制备的水凝胶可以自然降解，不含有污染物成分，对环境友好。