用于太阳能驱动蒸发和辅助废水净化的光热海绵及其制备方法

本发明属于光热工程，具体是用于太阳能驱动蒸发和辅助废水净化的光热海绵及其制备方法。

背景技术：

1、淡水短缺已成为限制人类日常生活的最棘手的挑战之一，太阳能驱动的水蒸发结合光热蒸发器进行热量定位，可以有效地生产纯净水，然而，大多数蒸发器忽视了对底部散装水中污染物的考虑，因此不能在染料废水中长期运行，因为在染料溶液产生纯水的过程中，表面张力随着大量水的逸出而变大，严重限制了太阳能蒸发器的产水能力，而且，向上泵送废水时，染料分子会粘附在蒸发器的内壁或表面，从而削弱了蒸发器的吸光度，甚至缩短其使用寿命。

2、迄今为止，已开发出各种用于捕获有机染料污染物的技术，吸附法因操作简单，成本低以及几乎没有有毒副产物而被广泛应用，故而，开发能够吸附染料和光热水蒸发的基质材料是实现染料废水高效修复的关键，壳聚糖含有丰富的氨基和羟基，从而具有天然的亲水性和调节水状态的能力，可以实现高效的光热水蒸发，以及染料分子的吸附。目前，farshad mirzaee valadi等人合成了一系列锆基mof和壳聚糖复合材料(mof-808/壳聚糖)作为去除水溶液中含cr(vi)离子的预金属化染料的有效吸附剂(carbohydr.polym.,2022,288:119383.)；malgorzata mjaworska等人证明通过与铬的相互作用对胺基团的化学吸附，以及通过与染料的偶氮核相互作用对胺基或羟基的物理吸附可以同时发生，进而展示了几丁质/壳聚糖从纺织和皮革工业废水中去除预金属化染料的能力(carbohydr.polym.,2022,298:120122.)，以上充分说明壳聚糖在染料污水中的应用潜力。

3、此外，基于壳聚糖的三维(3d)框架可以通过纤维辅助物理过程，轻松构建为健壮的交互架构，如经由竹纤维机械工艺改性，以提高壳聚糖的弱机械强度，并保留壳聚糖的原始性能，然而，由于未经化学修饰的壳聚糖的吸附性能非常有限，因此，如何利用具有强吸附性能的材料进一步提高壳聚糖基质对染料的吸附能力至关重要。

4、金属有机骨架(mof)因其大的比表面积、可调的孔径和对有机染料的高亲和力，由于其性能可以通过-nh2的质子化/脱质子化灵活调节，表现对有机染料的高亲和力，因此具有优异的染料吸附能力，中国专利(cn113000036a)公开了一种双硫脲改性的zr-mof吸附材料制备方法，优先还原并回收au(iii)，但实际操作中吸附材料的循环稳定性并不出色；另外，中国专利(cn111266090a)展示了一种快速吸附和选择性分离阳离子染料污染物的吸附分离材料，表现了对水溶性有机污染物的强亲和能力，但制备所需的铜盐含有重金属阳离子，容易引起二次污染。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供用于太阳能驱动蒸发和辅助废水净化的光热海绵及其制备方法，具有良好的水传输性和自清洁性能，能够在染料废水中长期稳定工作。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、用于太阳能驱动蒸发和辅助废水净化的光热海绵的制备方法，包括如下步骤：

4、步骤1、取亚氯酸钠和乙酸加入到去离子水中，得到亚氯酸钠浓度为1wt％～5wt％和乙酸浓度为0.3wt％～0.9wt％的混合溶液a，按照混合溶液a的重量计，取0.5wt％～1.5wt％切段的竹子浸泡于混合溶液a，在50～100℃下充分搅拌，得到bfs前体，依次洗涤抽滤、干燥和破碎，得到絮状的脱木质素竹纤维；

5、步骤2、取生物炭加入n,n-二甲基甲酰胺中，配置出浓度为1g/l～3g/l的悬浊液，以悬浊液的重量计，向悬浊液中加入5wt％～10wt％氯化锆和5wt％～10wt％的2-氨基对苯二甲酸并充分搅拌，得到混合溶液b，将混合溶液b转移至反应釜中，在80～120℃下保温，然后静置至室温，离心洗涤并干燥后得到c@mof粉末；

6、步骤3、以乙酸水溶液的重量计，取0.5wt％～1.75wt％脱木质素竹纤维和1.25wt％～2.25wt％壳聚糖加入质量浓度为1.2％的乙酸水溶液中，充分搅拌后，再加入1wt％～5wt％c@mof粉末，混合均匀后得到黑色非牛顿流体；

7、步骤4、将黑色非牛顿流体转移到硅胶模具中利用液氮单向冷冻从而形成光热海绵的聚合物网络结构，再冷冻干燥，然后浸入浓度为0.5～3mol/l的naoh溶液中进行交联处理，得到光热海绵cs/bfs/c@mof。

8、进一步地，所述步骤1的搅拌时间为1～8h。

9、进一步地，所述步骤2的保温时间为24～48h。

10、进一步地，所述步骤1和步骤2均采用分析级乙醇洗涤。

11、进一步地，所述步骤2的洗涤次数为5～10次。

12、进一步地，所述步骤3的搅拌时间为1～3h。

13、进一步地，所述步骤4的单向冷冻是采用冰模板法并通过液氮将黑色非牛顿流体冷冻0.5～1.5h。

14、进一步地，所述步骤4的冷冻干燥温度为-45～-80℃，时间为24～48h。

15、进一步地，所述步骤4的交联处理时间为1～3h。

16、一种用于太阳能驱动蒸发和辅助废水净化的光热海绵。

17、本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

18、先将竹纤维脱木质素并破碎成絮状，以提升竹纤维的亲水性，使竹纤维壳聚糖基体中的纤维分散更均匀，基体的机械强度和水传输能力更好，然后利用溶剂热法制备c@mof，其表面为仿大王花瓣结构的炭凹凸，较大的比表面积能够有效地进行光捕获，从而增强光热转换和染料吸附性能，最后通过单向冷冻使冰晶向上生长，引导壳聚糖发展成平行排列的层状结构，无数微型c@mof紧密包覆在壳聚糖薄片上，使光滑的壳聚糖薄片变得粗糙，得到的光热海绵具有三维介孔结构，相互连接的大孔以及脱木质素纤维增强的壳聚糖基体的高亲水性，可以促进散装水在光热蒸发器内的快速输送；可见，本发明制备光热海绵不仅有助于水的快速蒸发，还允许污染物溶质(如盐和有机染料)从海绵蒸发器顶部的高浓度区域快速稀释，使基体吸附染料的同时，蒸发器界面具有自清洁效果，不会使原有性能受到较多影响，保证高效产蒸汽的同时，自发吸热的过程提升了其对染料的吸附性能，而且以太阳能作为唯一的能源输入，环保可持续。

19、本发明采用廉价、环保、易得的竹纤维和壳聚糖为原料，以简单的方法制备出具有太阳能驱动蒸发和辅助废水净化的光热海绵，生产成本低，可以实现规模化生产。

技术特征：

1.用于太阳能驱动蒸发和辅助废水净化的光热海绵的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的用于太阳能驱动蒸发和辅助废水净化的光热海绵的制备方法，其特征在于，所述步骤1的搅拌时间为1～8h。

3.根据权利要求1所述的用于太阳能驱动蒸发和辅助废水净化的光热海绵的制备方法，其特征在于，所述步骤2的保温时间为24～48h。

4.根据权利要求1所述的用于太阳能驱动蒸发和辅助废水净化的光热海绵的制备方法，其特征在于，所述步骤1和步骤2均采用分析级乙醇洗涤。

5.根据权利要求1所述的用于太阳能驱动蒸发和辅助废水净化的光热海绵的制备方法，其特征在于，所述步骤2的洗涤次数为5～10次。

6.根据权利要求1所述的用于太阳能驱动蒸发和辅助废水净化的光热海绵的制备方法，其特征在于，所述步骤3的搅拌时间为1～3h。

7.根据权利要求1所述的用于太阳能驱动蒸发和辅助废水净化的光热海绵的制备方法，其特征在于，所述步骤4的单向冷冻是采用冰模板法并通过液氮将黑色非牛顿流体冷冻0.5～1.5h。

8.根据权利要求1所述的用于太阳能驱动蒸发和辅助废水净化的光热海绵的制备方法，其特征在于，所述步骤4的冷冻干燥温度为-45～-80℃，时间为24～48h。

9.根据权利要求1所述的用于太阳能驱动蒸发和辅助废水净化的光热海绵的制备方法，其特征在于，所述步骤4的交联处理时间为1～3h。

10.一种如权利要求1～9任一项所述方法制备的用于太阳能驱动蒸发和辅助废水净化的光热海绵。

技术总结
本发明公开了用于太阳能驱动蒸发和辅助废水净化的光热海绵的制备方法，包括步骤：1、取亚氯酸钠和乙酸加入去离子水，再加入切段的竹子并搅拌，得到BFs前体，依次洗涤抽滤、干燥和破碎，得到絮状的脱木质素竹纤维；2、取生物炭加入N,N‑二甲基甲酰胺中，再加入氯化锆和2‑氨基对苯二甲酸并搅拌，得到混合溶液B，将其转移至反应釜中加热，静置至室温，离心洗涤并干燥后得到C@MOF粉末；3、取脱木质素竹纤维和壳聚糖加入乙酸水溶液中并搅拌，再加入C@MOF粉末，得到黑色非牛顿流体；4、将非牛顿流体转移到硅胶模具中单向冷冻从而形成光热海绵的聚合物网络结构，再冷冻干燥，然后浸入NaOH溶液中进行交联处理，得到光热海绵CS/BFs/C@MOF，具有水传输性和自清洁性能。

技术研发人员：宋浩杰,翁恒康,孙席胜
受保护的技术使用者：陕西科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14