一种ZIF-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料及其制备方法和应用

一种zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明涉及界面式太阳能驱动水蒸发技术领域，具体是一种zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.水是生命的基础，是地球上极为重要的资源，也是人类发展、社会进步必不可少的物质基础。但随着工业化进程的不断推进，水资源短缺、淡水资源匮乏的问题日益严重，开始威胁到人们的日常生活和社会经济的发展。虽然地球总的水资源储量较为丰富，覆盖了全球71%的面积，其中的淡水资源却十分有限。在地球全部的水资源中，淡水总量很少，仅占全球水资源的2.5%，其中冰川占淡水资源的68.7%，人类能够利用的淡水资源仅占全球总水量的0.3%。此外，水资源还受到多重因素的威胁，包括气候变化、环境污染等。预计到2023年，将有1/4的人口面临水资源短缺的问题，全球干旱事件发生的频率和严重程度也将显著增加。
3.随着人类对淡水的需求量增加，如何进行海水淡化和污染废水处理成为全球共同关注的问题。传统的海水淡化方式包括低温多效蒸馏法、多级闪蒸法和反渗透膜法，但这些技术都对能源有着巨大的需求，需要消耗大量高品质热能或优质电力，可以称得上是“以油换水”。而污水处理则需要根据水源不同选择不同的处理方法，包括吸附分离、膜分离等，但由于污水中的化学环境较为复杂，单一路线难以完成纯化应用。
4.太阳能驱动水蒸发技术，利用太阳能清洁、丰富、成本低、分布广的特点，成为一种有广泛前景、可持续性良好、环境代价小的解决水资源短缺问题的方法，可以有效解决上述问题。因此近年来研究人员将目光转向基于界面加热的太阳能驱动蒸汽产生系统的开发使用。2017年，yin等人制备了垂直排列的碳纳米管阵列结构，在200nm-200μm的超宽光谱范围内光学吸收率约为98-99%，实现了较高的水蒸发速率，约是自然蒸发的 10倍，太阳能热转换效率达到了90％。chen团队制备了由碳泡沫和石墨构成的双层海绵结构，实现高效光热转换，蒸发效率可达85%（10kg
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）。zhu课题组通过可扩展工艺制造的可折叠氧化石墨烯薄膜具有超过94%的光吸收率。王一帜成功制备了还原石墨烯海藻酸钙凝胶膜，利用海藻酸钙凝胶的多孔亲水结构，实现了水分子的自输运，同时将还原的石墨烯均匀分散在凝胶中，增加了入射光的吸收，从而有效增加了水蒸发效率。wu等人研制了一种用于太阳能界面蒸发的木质-聚多巴胺复合材料。他们将聚多巴胺负载到天然木材上，形成上部吸光，下部导水的复合装置，在1 kw
·m–
2 的太阳光辐照下，太阳能-蒸汽产生效率达到7％。田义宽采用具有光催化活性的阵列式光热材料，通过构建肖特基异质结提高光催化活性，实现高效的界面蒸发和vocs脱除。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料及其制备方法
和应用，以解决现有技术中海水淡化技术耗能高的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：第一方面，本发明提供了一种zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料的制备方法，包括：配制亚氯酸钠溶液，调节亚氯酸钠溶液的ph值，将木材样品放入亚氯酸钠溶液中，之后置于水浴槽中进行水浴加热，将处理过的木材样品经清洗、冷冻干燥后，得到木材海绵；木材海绵为有序层状结构的纤维骨架超吸水材料，并且轻质疏松；将zn(no3)2•
6h2o溶于甲醇中，超声，再将2-甲基咪唑溶于上述甲醇中，继续超声反应，反应结束后，经离心、取下层沉淀、洗涤、烘干，得到zif-8粉末；将zif-8粉末置于管式炉内，在氮气氛围下加热至一定温度，保温一段时间后得到zif-8衍生碳粉末（zif-8衍生碳粉末为不同阶段碳化产物，命名为c800-zif-8）；zif-8衍生碳具有结构多样、比表面积大、有较好的孔容积等特点，在能量转化与储存等领域有着广泛研究；将zif-8衍生碳粉末研磨后加入水中，搅拌形成浆料，将浆料涂抹于木材海绵弦切面表面，室温干燥，得到zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料；zif-8衍生碳浆料依靠木材表面对水的毛细作用均匀负载于木材海绵弦切面表面。
7.进一步的，亚氯酸钠溶液的质量百分数为2wt%；用冰醋酸调节亚氯酸钠溶液的ph值为4.5。
8.进一步的，木材样品包括杨木，木材样品的规格为：长2cm、宽2cm、高0.5-2cm；由于杨木具有适应性强、成材时间短、生长速度快、价格低廉等特点，并且杨木的导管数量多、分布均匀、具有良好的贯通性，因此，选择杨木作为木材样品。
9.进一步的，水浴槽中水温为80℃，水浴加热的时间为1-4h，利用亚氯酸钠溶液对木材样品进行脱木素处理4h时，木材样品中木质素含量减少到了6.86%，纤维素的含量增长到了58%；清洗所用的溶剂为超纯水；冷冻干燥的时间为48h。
10.进一步的，zn(no3)2•
6h2o和2-甲基咪唑的摩尔比为4:15，在该摩尔比下，zif-8粉末的产量最大，杂质最少。
11.进一步的，将zn(no3)2•
6h2o溶于甲醇中超声的时间为15-30min，再将2-甲基咪唑溶于上述甲醇中继续超声反应的时间为15-30min，使溶液能够充分混匀。
12.进一步的，离心所用的离心机的转速为1000r/min，离心的时间为10-15min，使固液能够有效分离；对下层沉淀进行洗涤所用的溶剂为甲醇，洗涤的次数为3-4次；烘干的温度为60℃。
13.进一步的，在氮气氛围下加热至800℃，升温速率为5℃/min，保温3h。
14.第二方面，本发明提供了上述的方法制备得到的zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料。
15.第三方面，本发明提供了上述的zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料在海水淡化中的应用。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的一种zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料及其制备方法和应用，利用亚氯酸钠溶液对木材样品进行脱木素处理后得到木材海绵，由于该木材海绵中木材细胞
出现了分层剥离现象，细胞壁中产生了新的纳米孔，该木材海绵中具有许多微纳米级孔隙结构，成为有序层状结构的纤维骨架材料，因此该木材海绵具有强的柔韧性、良好的亲水性和较低的导热系数；zif-8经过热解后得到的zif-8衍生碳具有97%的超高吸光率的纳米颗粒，基于大量的共轭基团产生的π-π效应，使得zif-8衍生碳具有优异的光热转换能力，在1kw
·m–2的光照强度下，表面温度可达到56.8℃，促进蒸发性能大幅提升；zif-8衍生碳与木材海绵复合后得到的zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料具有高吸光率、超亲水性表面以及快速水传输特性，在相同光照条件下，该复合蒸发材料的水蒸发速率为1.59kg
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，是木材的水蒸发速率（0.77 kg
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）的2倍，该复合蒸发材料是一种性能优越的太阳驱动水蒸发材料。
17.本发明提供的zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料遵循界面式太阳能海水淡化局部化加热的理念，经证明具有良好的生产净化水的潜力。传统的获取淡水的方法如膜法、热法等对高质量能源的依赖性较大，实际应用中会消耗大量能源，且对环境造成严重污染，太阳能驱动的光热转换材料则可以解决这一问题。本发明的复合蒸发材料具有良好的光吸收性能和水传输性能，从而大大增加了对光的利用率和太阳能转换效率。
附图说明
18.图1是本发明实施例1所制得的zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料的结构示意图；图2是木材和木材海绵在水中浸泡48h，前后质量变化结果图；图3是木材、木材海绵及zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料的接触角度随时间的变化结果图；图4是在1kw
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模拟太阳光照度下，木材、木材海绵及zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料的表面温度随时间的变化结果图；图5是在1kw
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模拟太阳光照度下，木材海绵及zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料的表面温度随时间的变化结果图；图6是在1kw
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模拟太阳光照度下，水、木材及zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料的蒸发速率随时间的变化结果图。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.实施例1：一种zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料的制备方法，包括：配制质量百分数为2wt%的亚氯酸钠溶液，用冰醋酸调节亚氯酸钠溶液的ph值为4.5，将规格为：长2cm、宽2cm、高2cm的杨木放入亚氯酸钠溶液中，之后置于水浴槽中，在80℃下进行水浴加热4h，将处理过的杨木用超纯水清洗多次，置于冷冻干燥箱中冷冻干燥48h后，得到木材海绵；
将zn(no3)2•
6h2o（5.95g，0.02mol）溶于150ml甲醇中，超声25min，再将2-甲基咪唑（6.16g，0.075mol）溶于上述甲醇中，继续超声反应25min，反应结束后，用高速离心机在1000r/min的转速下离心12min，取下层沉淀，用甲醇洗涤4次后，于烘干箱中在60℃下烘干，得到zif-8粉末；将zif-8粉末置于管式炉内，在氮气氛围下加热至800℃，升温速率为5℃/min，保温3h后得到zif-8衍生碳粉末；将zif-8衍生碳粉末研磨细腻后加入少量水中，搅拌形成浆料，将浆料涂抹于木材海绵弦切面表面，室温干燥，得到zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料。
21.图1为本发明实施例1所制得的zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料的结构示意图。
22.图2为木材和木材海绵在水中浸泡48h，前后质量变化结果图。从图2中可以看出：木材海绵吸水后的质量比吸水前的质量增加了126.8%，而木材吸水后的质量比吸水前的质量仅增加了66.8%。实验结果表明：木材海绵可以承载更大的水容量。
23.图3为木材、木材海绵及zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料的接触角度随时间的变化结果图。从图3中可以看出：与木材弦切面的初始疏水接触角（ca≈103
°
）相比，木材海绵的初始接触角则为亲水接触角（ca≈58
°
），并且水滴在1s后瞬间被吸收，展现了超亲水表面和超快速的浸润性，而表面涂覆了zif-8衍生碳的木材海绵（即zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料）也依然具有同样的表现。zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料的框架表面具有大量的裂纹，因此不会阻止水的快速渗入，保证了在太阳能驱动蒸发过程中水-汽界面蒸汽的迅速溢出。
24.图4和图5为在1kw
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模拟太阳光照度下，木材、木材海绵及zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料的表面温度随时间的变化结果图。为了评估zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料的光热转换性能，将木材、木材海绵及zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料置于氙气光源系统下，当模拟太阳光开启时，木材表面的温度在光照下基本呈现缓慢上升的趋势，10min后上升了10℃，木材海绵表面的温度10min后上升了5℃；而相同条件下，zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料表面的温度在10s后迅速上升了12.5℃，表现出迅速高效的光响应能力，经过10min光照后，该复合蒸发材料表面的温度稳定上升到56.8℃，表明该复合蒸发材料具有优异的光转换性能，能有效的将太阳能转化为热能。
25.图6为在1kw
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模拟太阳光照度下，水、木材及zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料的蒸发速率随时间的变化结果图。在1 kw
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模拟太阳光照度下，zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料的蒸发速率随时间的推移稳步提升，表面积累的大量热量使得水蒸发速度加快，当稳定光照1h左右时，其蒸发速率达到1.59kg
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h-1
，而木材的蒸发速率仅为0.77 kg
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h-1
，表明该复合蒸发材料具有出色的光热转换效率。
26.为了测试zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料的户外蒸发性能，设计了一款可收集蒸发冷凝净化水的太阳能水蒸发密封装置。结果表明在一个连续的白天户外自然光照的情况下，太阳光强度的变化呈现一个先升高后降低的趋势，在下午13:00太阳光强度达到最高。在户外自然光照下，该复合蒸发材料的表面受到光照后，将表面的水加热产生水蒸气，水蒸气在蒸发密封装置的内壁遇冷化为小水滴顺着顶层流下来，最后收集到底部的最下层容器中，该复合蒸发材料表面的温度由手持红外相机记录，在下午13:00左右，该复合蒸发
材料表面的温度最高可达36.1℃，该复合蒸发材料表面的温度与蒸发的水量成正相关，相应的下午13:00，蒸发的最大水量约为509g
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，一天内收集到的淡水可达1.96
㎏
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。
27.另外，还制备了面积为110*75cm的大型zif-8衍生碳-木材海绵复合蒸发材料，展示其大规模应用的可能性。
28.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。