一种水电联产用复合水凝胶的制备方法

本发明涉及太阳能海水淡化技术和新能源转化的交叉领域，具体涉及一种水电联产用复合水凝胶的制备方法。

背景技术：

1、地球上水资源总量约为1.4×109km3，根据人们的生活需求可分为人类直接使用的淡水和不可直接使用的海水，其中淡水资源只有3.5×107km3，仅占水资源总量的2.5％。随着人类社会的不断发展，生活与工、农业用水量大大增加，加上水污染和水浪费现象严重，导致淡水资源严重短缺。在过去的十几年时间里，海水淡化技术发展迅速，膜蒸馏、多级闪蒸、多效蒸馏和渗透技术已逐步应用于海水淡化领域，然而，传统的淡化工艺能耗高，需要消耗大量化石燃料，造成空气污染并加剧全球气候变暖。从可持续发展的角度考虑，通过太阳能驱动蒸发的方式获取清洁水技术是解决水资源短缺问题的最佳选择。在此情况下，人们提出以有效的方式收集太阳能进行光热转换以进行在太阳能界面蒸发获取清洁水的基础上，通过纳米发电技术，同时获取电能，实现水电联产，水电联产显示出更大的潜力。目前，纳米发电技术的种类有热释电技术、压电技术、摩擦电技术和水诱导发电技术。而水诱导发电技术根据流动电势原理，通过流动水与材料内部固体表面相互作用的方式，已经能够获取电能。当水流流经材料的微通道时，通道内壁的官能团(-cooh、-oh等)在水中电离，在通道两侧形成双电层。在双电层的作用下，通道内形成阳/阴离子主导，阳/阴离子随着水流的渗透而进行移动，从而形成流动电势(feng，z.h.，et al.，recent advances inwater-induced electricity generation based on 2d materials：a review.journalof materials research，2023.38(7)：p.1757-1779.)。因此材料具备多孔纳米通道以及优异的吸湿导水性能是实现水电联产的关键因素。与此同时，太阳能蒸发器和水诱导发电技术对材料、化学性能要求基本相同。通过蒸发器与水诱导纳米发电技术耦合，实现水电联产，非常具有发展前景。它的优势就在于制备工艺简单、造价低廉、对环境条件要求低、方便易携，适用在供水基础设施较差和较为偏远的地区，可以解决离网地区基础的用水用电问题。

2、目前，用于水电联产领域的材料类型多样，许多多孔纳米结构材料都可以通过水蒸发产生电能，如多孔生物膜、碳纳米管、氧化石墨烯、金属氧化物等。然而，这种光伏发电技术在较高浓度的溶液中往往会因为离子的定向移动减弱而表现出一般的性能。此外，为了达到高效产水产电的效果，在装置的设计过程中通常会将整个发电部分划分为基材、光吸收层、吸水层、过滤层等几个部分，使光热转换、光电转换和压电转化集成在一个界面蒸发器中，这就要求使用多种材料以及制备工艺，但由于制备复杂、成本高、难以大规模生产，这类发电系统的推广和实际应用受到很大限制。

技术实现思路

1、基于以上情况，本发明公开了一种水电联产用复合水凝胶的制备方法，其由木粉、聚乙烯醇水凝胶、碳黑复合而成，一体化水凝胶可同时满足基材、光吸收层、吸水层和过滤层所要求具备的条件，在很大程度上降低了制备工艺的复杂程度，并同时展现出宽光带吸收谱，高光热转化效率、高效的热量管理、丰富连续的水传输通道及抗污染能力。具体来说，聚乙烯醇水凝胶具有多孔结构，内部含有丰富的亲水官能团和传水通道，水分子主要通过内部间隙的毛细泵送和微米通道中的分支扩散实现动态运动和充足的水供应。碳黑作为一种光热粒子加入凝胶中，在很大程度上提高了聚乙烯醇凝胶对光线的吸收和转换能力，能够吸收太阳光中的可见光和红外光并转换为热能。同时，聚乙烯醇和碳黑形成的内部通道具有负的zeta电位，从而吸收水体中大量的阳离子，阳离子随着水流的渗透而进行移动，从而形成流动电势。而脱去木质素和半纤维素木粉颗粒的加入，主要有以下几点优势：①使凝胶具备了更多的大孔通道，能够提供丰富的空间使盐分与大体水进行物质交换，使盐分重新溶解入大体水中，有效防止盐污染现象；②丰富的纳微孔结构和介孔结构有助于产生更高比表面积，形成更多的双电层，导致流动电势增加。

2、本发明的目的是提供一种水电联产用复合水凝胶的制备方法，用于太阳能界面蒸发同时产生清洁水和电。首先，使用亚硫酸钠和氢氧化钠水热处理木质纤维，去除木质素和半纤维素，通过冷冻干燥和球磨技术，获得粒径均匀的木粉颗粒。将木粉和碳黑聚乙烯醇胶体磁力搅拌成均一稳定的胶体。最后将胶体冷冻干燥获取水电联产用复合水凝胶。

3、为实现上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：

4、一种水电联产用复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

5、(1)木质纤维的前处理：将木质纤维使用0.5-3wt％亚氯酸钠溶液在80-90℃下水浴处理12-24h脱去木质素，清水清洗去除残留溶液，再使用2-6wt％氢氧化钠溶液在80-90℃下水浴处理8-12h脱去半纤维素，清水洗涤至ph中性，冷冻干燥后球磨，最终得到粒径为0.5-3μm的干燥木粉；

6、(2)碳黑聚乙烯醇胶体制备：将质量分数为0.1-0.5％的碳黑和5-10％的聚乙烯醇加入水溶液中，在80-100℃水浴条件下，得到均一稳定的碳黑聚乙烯醇胶体；

7、(3)复合水凝胶制备：将步骤(1)获得的木粉与步骤(2)获得的碳黑聚乙烯醇胶体混合，质量比为1：10-1：40搅拌至形成均一稳定的胶体，冷冻干燥定型，最终获得能够水电联产用的水凝胶；

8、优选的，步骤(1)中所述的亚氯酸钠浓度为1wt％，在85℃水浴处理时间为24h，氢氧化钠浓度为2wt％，90℃水浴处理12h，冷冻干燥4天，球磨4次；

9、优选的，步骤(2)中所述的碳黑的质量分数为0.1wt％，聚乙烯醇水溶液质量分数为10wt％，常温下磁力搅拌3h，90℃水浴条件下搅拌6h；

10、优选的，步骤(3)中所述的木粉与碳黑聚乙烯醇胶体混合搅拌10h，冷冻4h，干燥2天。

11、本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出效果：

12、(1)聚乙烯醇和碳黑形成的内部通道具有负的zeta电位，从而吸收水体中大量的阳离子，阳离子随着水流的渗透而进行移动。而木粉的加入使凝胶具备了更多的大孔通道，使盐分重新溶解入大体水中，有效防止盐污染现象。此外，凝胶内部丰富的纳微孔结构和介孔结构有助于产生更高比表面积，形成更多的双电层，从而使流动电势增加；

13、(2)利用掺杂木粉的聚乙烯醇水凝胶所制备的水电联产装置工艺简单、造价低廉、对环境条件要求低、方便易携，适用在供水基础设施较差和较为偏远的地区，可以解决离网地区基础的用水用电问题。

技术特征：

1.一种水电联产用复合水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

技术总结本发明涉及一种水电联产用复合水凝胶的制备方法，包括以下两个步骤：(1)木质纤维处理：使用亚硫酸钠和氢氧化钠水热处理木质纤维，去除木质素和半纤维素，通过冷冻干燥和球磨技术，获得粒径均匀的木粉颗粒；(2)碳黑聚乙烯醇胶体制备：将碳黑和聚乙烯醇加入水溶液中形成均一稳定的胶体；(3)将木粉与碳黑聚乙烯醇胶体混合，冷冻干燥形成水凝胶。本发明制得的水电联产用复合水凝胶具有多孔纳米通道以及优异的吸湿导水性能，且凝胶内部含有容易蒸发的中间水，能显著降低蒸发焓，提高蒸发速率，为高效率的产生清洁水和电提供了可能。此外，其制备工艺简单，对工作环境要求低等特性使其在离网地区能有广阔的应用前景。技术研发人员：鞠敬鸽,刘瑜静,王永澄,康卫民,张妍,张甜甜,韩佳呈,张泽豪受保护的技术使用者：天津工业大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4