一种高效太阳能水蒸发水凝胶与其制备方法和应用

本申请属于太阳能水蒸发材料，尤其涉及一种高效太阳能水蒸发水凝胶与其制备方法和应用。

背景技术：

1、太阳能水蒸发技术因能耗低、设备简单、易于实施等优点，在海水脱盐和污水处理领域中具有广阔的应用前景。然而，受限于光照强度、温度和湿度等环境因素的制约，使得太阳能水蒸发凝胶体的蒸发速率和转化效率不能满足实际需求。因此，开发制备高蒸发速率的太阳能水蒸发凝胶体迫在眉睫。

2、目前，太阳能水蒸发凝胶体主要为水凝胶，提高其蒸发速率和能量利用效率的主要改性方法有以下三种：(1)在太阳能水蒸发凝胶体中共混光热粒子以增强光热转化效率；(2)在太阳能水蒸发凝胶体中设计定向孔道以促进水分子的定向运输；(3)对太阳能水蒸发凝胶进行表面改性以破坏水的氢键网络，实现水的低能蒸发。

3、但是，上文所述的改性方法存在如下缺点：一是在太阳能水蒸发凝胶体中共混光热粒子会因局部高温，造成太阳能水蒸发凝胶体快速老化，水蒸发速率和纯化程度快速降低；二是在太阳能水蒸发凝胶体中设计定向孔道需要依赖水在液氮辅助下快速形成柱状冰晶，由于冰晶形成的条件非常苛刻且耗能大，导致实际生产的重复性较差，难以扩大生产规模；三是表面改性主要为化学刻蚀改性，不仅存在改性步骤冗长，后处理复杂、改性空间精确度不高等问题，而且改性用化学试剂可能会残留在太阳能水蒸发凝胶体内部并伴随水蒸发过程挥发，不符合环保生产的要求。

技术实现思路

1、本申请通过公开一种高效太阳能水蒸发水凝胶与其制备方法和应用，旨在解决上文所述现有太阳能水蒸发凝胶体改性方法存在的技术问题。

2、为了实现上述目的，本申请的第一方面提供了一种高效太阳能水蒸发水凝胶的制备方法。本申请的制备方法包括：

3、将金属光热纳米粒子与聚苯乙烯嵌段共聚物经溶剂-非溶剂法制备获得复合壳层结构胶束溶液；

4、将水凝胶置入所述复合壳层结构胶束溶液中，并在磁场中静置处理，即得高效太阳能水蒸发水凝胶。

5、在一些实施方案中，所述金属光热纳米粒子包括金纳米粒子、四氧化三铁纳米粒子、三氧化二铁、五氧化三钛纳米粒子。

6、在一些实施方案中，所述聚苯乙烯嵌段共聚物包括聚苯乙烯-b-聚(4-乙烯基吡啶)嵌段共聚物、聚苯乙烯-b-聚丙烯酸嵌段共聚物、聚苯乙烯-b-聚乙二醇嵌段共聚物。

7、在一些实施方案中，所述聚苯乙烯-b-聚(4-乙烯基吡啶)嵌段共聚物中的聚苯乙烯嵌段和聚(4-乙烯基吡啶)嵌段的聚合度分别为480～2880和124～1664；

8、所述聚苯乙烯-b-聚丙烯酸嵌段共聚物中的聚苯乙烯嵌段和聚丙烯酸嵌段的聚合度分别为500～628和76～180；

9、所述聚苯乙烯-b-聚乙二醇嵌段共聚物中的聚苯乙烯嵌段和聚乙二醇嵌段的聚合度分别为50～78和32～88。

10、在一些实施方案中，所述金属光热纳米粒子与所述聚苯乙烯嵌段共聚物的质量比为1:1。

11、在一些实施方案中，所述水凝胶包括聚乙烯醇。

12、在一些实施方案中，所述在磁场中静置处理时，磁感应强度为0.5～2t，时间为0.5～2小时。

13、在一些实施方案中，所述磁感应强度为1t，时间为1小时。

14、本申请的第二方面提供了根据本申请制备方法制备得到的可用于高效太阳能水蒸发水凝胶。

15、本申请的第三方面提供了一种太阳能水蒸发器，其包括太阳能水蒸发器本体以及设置于所述太阳能水蒸发器本体出口的太阳能水蒸发组件，其中，太阳能水蒸发组件通过本申请可用于高效太阳能水蒸发水凝胶制成。

16、与现有技术相比，本申请实施例的优点或有益效果至少包括：

17、本申请提供的制备方法通过利用聚苯乙烯嵌段共聚物包覆金属光热纳米粒子制备成复合壳层结构胶束溶液后，将水凝胶置入所述复合壳层结构胶束溶液中进行磁场静置处理，即可在水凝胶表面稳定地修饰上包覆金属光热纳米粒子的复合壳层结构胶束，基于复合壳层结构胶束在水凝胶表面修饰产生的小尺寸效应，不仅使得水凝胶表面的有效蒸发面积增大，而且有效减少了光反射，使得太阳光利用率提高，实现水蒸发速率的提高；同时，保证金属光热纳米粒子被束缚在水凝胶网络结构外的表面上，不仅有效避免金属光热纳米粒子进入水凝胶内部造成水凝胶网络过热断裂的问题，而且使得“光热转化”集中在水凝胶表面上，从而保证水凝胶良好使用寿命的同时，大幅提升光热转化效率并减少热量损失，实现水蒸发速率的进一步加快，同时也不会对蒸发后的水质造成影响。

技术特征：

1.一种高效太阳能水蒸发水凝胶的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属光热纳米粒子包括金纳米粒子、四氧化三铁纳米粒子、三氧化二铁、五氧化三钛纳米粒子。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚苯乙烯嵌段共聚物包括聚苯乙烯-b-聚(4-乙烯基吡啶)嵌段共聚物、聚苯乙烯-b-聚丙烯酸嵌段共聚物、聚苯乙烯-b-聚乙二醇嵌段共聚物。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述聚苯乙烯-b-聚(4-乙烯基吡啶)嵌段共聚物中的聚苯乙烯嵌段和聚(4-乙烯基吡啶)嵌段的聚合度分别为480～2880和124～1664；

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属光热纳米粒子与所述聚苯乙烯嵌段共聚物的质量比为1:1。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水凝胶包括聚乙烯醇、聚丙烯酰胺/海藻酸钙。

7.根据权利要求1～6任一所述的制备方法，其特征在于，所述在磁场中静置处理时，磁感应强度为0.5～2t，时间为0.5～2小时。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述磁感应强度为1t，时间为1小时。

9.一种可用于高效太阳能水蒸发水凝胶，其特征在于，根据权利要求1～8任一所述制备方法制备获得。

10.一种太阳能水蒸发器，包括太阳能水蒸发器本体以及设置于所述太阳能水蒸发器本体出口的太阳能水蒸发组件，其特征在于，所述太阳能水蒸发组件通过权利要求9所述的可用于高效太阳能水蒸发水凝胶制成。

技术总结本申请公开了一种高效太阳能水蒸发水凝胶与其制备方法和应用，属于太阳能水蒸发材料技术领域。本申请制备方法包括：将金属光热纳米粒子与聚苯乙烯嵌段共聚物经溶剂‑非溶剂法制备出复合壳层结构胶束溶液后，将水凝胶置入复合壳层结构胶束溶液中，在磁场中静置处理，得到高效太阳能水蒸发水凝胶。本申请制备方法通过在水凝胶表面稳定地修饰上包覆金属光热纳米粒子的复合壳层结构胶束，一方面增大水凝胶表面的有效蒸发面积并减少光反射，使得太阳光利用率提高，实现水蒸发速率的提高；另一方面使“光热转化”集中在水凝胶表面上，从而大幅提升光热转化效率并减少热量损失，实现水蒸发速率的进一步加快，同时也不会对蒸发后的水质造成影响。技术研发人员：陈道勇,黄霞芸,吴栋,朱杰,邱绍恩受保护的技术使用者：复旦大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29