一种高抗盐性的自愈合水凝胶及其制备方法和应用

1.本发明属于复合材料技术领域，具体一种高抗盐性的自愈合水凝胶及其制备方法和应用。


背景技术：

2.随着人口和社会的快速发展，全球的淡水资源匮乏问题日益严重，淡水资源的匮乏会对人类的健康造成严重的威胁，几乎80％的人类疾病是由引用不合格的水所引起的，由于海水资源相对比较丰富，因此，解决淡水匮乏的最好方法就是海水淡化。利用太阳能作为唯一能源输入的界面太阳能光热蒸发技术，已成为一种极具前景的咸水淡化策略，其通过光热转换并将热量限制在水气界面上，以高效产生蒸汽，然后经过冷凝收集获得清洁水，能够同时满足能源、环境和淡水的需求。
3.在界面太阳能光热蒸发系统中，水蒸发速率和光热转换效率不仅受控于蒸发器的种类，还受控于蒸发器本身的性质，而设计和构筑具有宽频、高效的太阳能吸收的光热转换材料是提高蒸发器的水蒸发速率和光热转换效率的核心。由于水凝胶具有如下优点：(1)具有高效宽频的光吸收率和光热转化能力；(2)具有优异的热管理能力，可最大化吸收热量用于蒸汽产生；(3)具有良好的水传输能力，保证水分及时输送到蒸发表面；(4)具有快速水蒸发能力，蒸汽可以及时地散逸出水蒸发系统；因此，水凝胶已成为太阳能界面光蒸发技术的常见光热转换材料之一。
4.实际应用过程中，利用现有水凝胶组装的界面蒸发器被设计用于开放水域和动态环境，如沿海水域、水库、污水池等，来自表面的水流有时冲击力巨大，不可避免地对界面蒸发器的刚性和脆性结构元件造成物理损伤，例如，裂缝、断裂、解体和倾覆，这些小物理损伤的逐渐积累往往会使材料的性能下降，此外，海水中的盐分也会对界面蒸发器的结构元件也会造成腐蚀和损伤，这些都会导致整个装置的失效。可见，需要采用具有超亲水性和机械坚固性的可调节结构的光热转换材料以提高界面蒸发器的使用寿命。
5.因此，近年来科研工作者致力于开发具有可调节结构的自愈合水凝胶，用于提高界面蒸发器的耐久性和可靠性。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种是高抗盐性的自愈合水凝胶及其制备方法和应用，具有抗盐性高和自修复能力强的优点，提高了水蒸发速率及光热转化效率。
7.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
8.一种高抗盐性的自愈合水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
9.步骤1、取0.5～1.5g羧甲基壳聚糖和0.5～1.5g聚天冬氨酸溶于10ml去离子水中，在45℃下搅拌至完全分散，得到分散液a；
10.步骤2、取0.015～0.023g二硫化钼粉末分散于5ml去离子水中，超声处理后，得到
分散液b，将分散液b加入分散液a中，得到混合溶液c；
11.步骤3、取0.02g氯化铁溶于10ml去离子水中，充分搅拌，得到氯化铁溶液，将氯化铁溶液滴加至混合溶液c中，搅拌，并在室温下静置，得到产物d；
12.步骤4、将产物d倒入六孔板，并移至冷冻箱箱内，在-(60～80)℃下，冷冻24h，然后在室温下解冻2～3h，接着继续冷冻-解冻循环数次，得到自愈合水凝胶。
13.进一步地，所述步骤1的搅拌是利用磁力搅拌器在1000rpm的转速下，搅拌30min。
14.进一步地，所述步骤2的二硫化钼粉末由如下方法制得：
15.步骤2.1、取2.2826g ch4n2s和1.2358g(nh4)6mo7o
24
·
4h2o加入50ml去离子水中，搅拌至生成均质的淡蓝色溶液；
16.步骤2.2、将淡蓝色溶液转移至水热合反应釜中，在140℃下，持续反应16h，待自然冷却至室温后，依次离心分离、冷冻干燥后得到二硫化钼粉末。
17.进一步地，所述步骤2的超声处理是利用超声细胞粉碎机在500w的功率下，超声分散10min。
18.进一步地，所述步骤3的搅拌是利用磁力搅拌器，在200rpm的转速下，搅拌2h。
19.进一步地，所述步骤3的静置时间为4h。
20.进一步地，所述步骤4的冷冻-解冻循环次数为10次。
21.一种自愈合水凝胶。
22.一种自愈合水凝胶在海水淡化中的应用。
23.本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
24.本发明以羧甲基壳聚糖、聚天冬氨酸、二硫化钼和氯化铁为原料，采取反复冻融法制备自愈合水凝胶体系，大大简化了合成步骤，羧甲基壳聚糖含有的大量的氨基和羧基以及聚天冬氨酸中含有的大量羧基可与fecl3溶液中的fe
3+
形成配位键，形成超快凝胶化过程，由于动态交联网络的存在，得到的水凝胶可以像粘性流体一样运动，表现出自愈能力和良好的适应性，而且，聚天冬氨酸掺入还可以提高水凝胶的保水性，使其具有优异的耐盐性；此外，加入的二硫化钼粉末具有宽的光吸收范围和较高的太阳能吸收率，通过控制各组分的含量，制备出具有自修复能力的水凝胶，且环保无毒，具有良好的抗盐性，可用于海水淡化。
25.利用本发明制备的水凝胶组装的界面太阳能光热水蒸发器可适用的海水条件宽松，水蒸发速率及光热转化效率极高，在长期工作中具有优秀的持久性和耐用性，能够同时满足环境和能源的要求。
附图说明
26.图1：本发明实施例1～实施例5组装的太阳能界面海水淡化器件的结构图；
27.图2(a)-图2(e)：本发明实施例1～实施例5制备的水凝胶的扫描电镜图；
28.图3：本发明实施例1～实施例5制备的水凝胶的xrd图；
29.图4：本发明实施例1～实施例5制备的水凝胶的水蒸发效率柱状图；
30.图5：本发明实施例1制备的水凝胶用于淡化海水的效果图；
具体实施方式
31.以下结合实施例对本发明的具体内容做进一步详细解释说明。
32.实施例1
33.步骤1、取0.5g羧甲基壳聚糖和0.5g聚天冬氨酸溶于10ml去离子水中，利用磁力搅拌器以1000rpm的转速，在45℃下，搅拌30min，得到分散液a；
34.步骤2、取0.023g二硫化钼粉末分散于5ml去离子水中，利用超声细胞粉碎机在500w的功率下，超声分散10min，得到分散液b，将分散液b加入分散液a中，搅拌30min，得到混合溶液c，其中，所述二硫化钼粉末由如下方法制得：
35.步骤2.1、取2.2826g ch4n2s和1.2358g(nh4)6mo7o
24
·
4h2o加入50ml去离子水中，搅拌20min，生成均质的淡蓝色溶液；
36.步骤2.2、将淡蓝色溶液转移至聚四氟乙烯水热合反应釜中，在140℃下，持续反应16h，待自然冷却至室温后，离心分离出黑色沉淀物，冷冻干燥后得到二硫化钼粉末；
37.步骤3、取0.02g氯化铁溶于10ml去离子水中，充分搅拌，得到氯化铁溶液，将氯化铁溶液滴加至混合溶液c中，利用磁力搅拌器，200rpm的转速，搅拌2h，并在室温下静置4h，得到产物d；
38.步骤4、将产物d倒入六孔板，并移至冷冻箱箱内，在-80℃下，冷冻24h，然后在室温下解冻3h，接着继续冷冻-解冻循环10次，得到自愈合水凝胶。
39.实施例2
40.步骤1、取0.5g羧甲基壳聚糖和1g聚天冬氨酸溶于10ml去离子水中，利用磁力搅拌器以1000rpm的转速，在45℃下，搅拌30min，得到分散液a；
41.步骤2、取0.015g二硫化钼粉末分散于5ml去离子水中，利用超声细胞粉碎机在500w的功率下，超声分散10min，得到分散液b，将分散液b加入分散液a中，搅拌30min，得到混合溶液c，其中，所述二硫化钼粉末由如下方法制得：
42.步骤2.1、取2.2826g ch4n2s和1.2358g(nh4)6mo7o
24
·
4h2o加入50ml去离子水中，搅拌20min，生成均质的淡蓝色溶液；
43.步骤2.2、将淡蓝色溶液转移至聚四氟乙烯水热合反应釜中，在140℃下，持续反应16h，待自然冷却至室温后，离心分离出黑色沉淀物，冷冻干燥后得到二硫化钼粉末；
44.步骤3、取0.02g氯化铁溶于10ml去离子水中，充分搅拌，得到氯化铁溶液，将氯化铁溶液滴加至混合溶液c中，利用磁力搅拌器，200rpm的转速，搅拌2h，并在室温下静置4h，得到产物d；
45.步骤4、将产物d倒入六孔板，并移至冷冻箱箱内，在-70℃下，冷冻24h，然后在室温下解冻2h，接着继续冷冻-解冻循环10次，得到自愈合水凝胶。
46.实施例3
47.步骤1、取0.5g羧甲基壳聚糖和1.5g聚天冬氨酸溶于10ml去离子水中，利用磁力搅拌器以1000rpm的转速，在45℃下，搅拌30min，得到分散液a；
48.步骤2、取0.019g二硫化钼粉末分散于5ml去离子水中，利用超声细胞粉碎机在500w的功率下，超声分散10min，得到分散液b，将分散液b加入分散液a中，搅拌30min，得到混合溶液c，其中，所述二硫化钼粉末由如下方法制得：
49.步骤2.1、取2.2826g ch4n2s和1.2358g(nh4)6mo7o
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·
4h2o加入50ml去离子水中，搅
拌20min，生成均质的淡蓝色溶液；
50.步骤2.2、将淡蓝色溶液转移至聚四氟乙烯水热合反应釜中，在140℃下，持续反应16h，待自然冷却至室温后，离心分离出黑色沉淀物，冷冻干燥后得到二硫化钼粉末；
51.步骤3、取0.02g氯化铁溶于10ml去离子水中，充分搅拌，得到氯化铁溶液，将氯化铁溶液滴加至混合溶液c中，利用磁力搅拌器，200rpm的转速，搅拌2h，并在室温下静置4h，得到产物d；
52.步骤4、将产物d倒入六孔板，并移至冷冻箱箱内，在-60℃下，冷冻24h，然后在室温下解冻3h，接着继续冷冻-解冻循环10次，得到自愈合水凝胶。
53.实施例4
54.步骤1、取1g羧甲基壳聚糖和0.5g聚天冬氨酸溶于10ml去离子水中，利用磁力搅拌器以1000rpm的转速，在45℃下，搅拌30min，得到分散液a；
55.步骤2、取0.021g二硫化钼粉末分散于5ml去离子水中，利用超声细胞粉碎机在500w的功率下，超声分散10min，得到分散液b，将分散液b加入分散液a中，搅拌30min，得到混合溶液c，其中，所述二硫化钼粉末由如下方法制得：
56.步骤2.1、取2.2826g ch4n2s和1.2358g(nh4)6mo7o
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·
4h2o加入50ml去离子水中，搅拌20min，生成均质的淡蓝色溶液；
57.步骤2.2、将淡蓝色溶液转移至聚四氟乙烯水热合反应釜中，在140℃下，持续反应16h，待自然冷却至室温后，离心分离出黑色沉淀物，冷冻干燥后得到二硫化钼粉末；
58.步骤3、取0.02g氯化铁溶于10ml去离子水中，充分搅拌，得到氯化铁溶液，将氯化铁溶液滴加至混合溶液c中，利用磁力搅拌器，200rpm的转速，搅拌2h，并在室温下静置4h，得到产物d；
59.步骤4、将产物d倒入六孔板，并移至冷冻箱箱内，在-80℃下，冷冻24h，然后在室温下解冻2h，接着继续冷冻-解冻循环10次，得到自愈合水凝胶。
60.实施例5
61.步骤1、取1.5g羧甲基壳聚糖和0.5g聚天冬氨酸溶于10ml去离子水中，利用磁力搅拌器以1000rpm的转速，在45℃下，搅拌30min，得到分散液a；
62.步骤2、取0.017g二硫化钼粉末分散于5ml去离子水中，利用超声细胞粉碎机在500w的功率下，超声分散10min，得到分散液b，将分散液b加入分散液a中，搅拌30min，得到混合溶液c，其中，所述二硫化钼粉末由如下方法制得：
63.步骤2.1、取2.2826g ch4n2s和1.2358g(nh4)6mo7o
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·
4h2o加入50ml去离子水中，搅拌20min，生成均质的淡蓝色溶液；
64.步骤2.2、将淡蓝色溶液转移至聚四氟乙烯水热合反应釜中，在140℃下，持续反应16h，待自然冷却至室温后，离心分离出黑色沉淀物，冷冻干燥后得到二硫化钼粉末；
65.步骤3、取0.02g氯化铁溶于10ml去离子水中，充分搅拌，得到氯化铁溶液，将氯化铁溶液滴加至混合溶液c中，利用磁力搅拌器，200rpm的转速，搅拌2h，并在室温下静置4h，得到产物d；
66.步骤4、将产物d倒入六孔板，并移至冷冻箱箱内，在-60℃下，冷冻24h，然后在室温下解冻3h，接着继续冷冻-解冻循环10次，得到自愈合水凝胶。
67.从图2(a)～图2(e)可以看出实施例1～实施例5制备的自愈合水凝胶拥有大孔网
状内部结构，孔径依次为50μm、40μm、20μm、10μm和5μm。
68.从图3可知，实施例1～实施例5成功制备出了水凝胶，且二硫化钼成功镶嵌在水凝胶骨架结构中。
69.利用实施例1～实施例5制备的自愈合水凝胶组装的太阳能界面海水淡化器件的结构及水蒸发过程如图1所示，将其直接放入含有模拟海水的烧杯中，用于海水淡化实验，蒸汽在太阳光模拟器辐照下产生，太阳模拟器输出am1.5g光谱，通过改变电流来调节太阳通量，并采用电子秤监测其重量变化，人工连续采样，实时采集数据，采样频率为每5分钟一次，计算蒸发率，该系统的蒸发速率等于光下的蒸汽蒸发速率减去无光下的蒸汽蒸发速率，从图4可以看出含有实施例1～实施例5的自愈合水凝胶的太阳能界面海水淡化器件的水蒸气蒸发速率依次为1.58kg m-2
h-1
、1.97kg m-2
h-1
、1.91kg m-2
h-1
、2.19kg m-2
h-1
和2.34kg m-2
h-1
；收集冷凝后的凝结水，并用icp-ms测定其中金属离子(na
+
、ca
2+
、k
+
、mg
2+
)的含量，结果如图5所示，淡化后的淡水中金属离子含量比模拟海水中的金属离子含量低3个数量级。

技术特征：
1.一种高抗盐性的自愈合水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、取0.5～1.5g羧甲基壳聚糖和0.5～1.5g聚天冬氨酸溶于10ml去离子水中，在45℃下搅拌至完全分散，得到分散液a；步骤2、取0.015～0.023g二硫化钼粉末分散于5ml去离子水中，超声处理后，得到分散液b，将分散液b加入分散液a中，得到混合溶液c；步骤3、取0.02g氯化铁溶于10ml去离子水中，充分搅拌，得到氯化铁溶液，将氯化铁溶液滴加至混合溶液c中，搅拌，并在室温下静置，得到产物d；步骤4、将产物d倒入六孔板，并移至冷冻箱箱内，在-(60～80)℃下，冷冻24h，然后在室温下解冻2～3h，接着继续冷冻-解冻循环数次，得到自愈合水凝胶。2.根据权利要求1所述的高抗盐性的自愈合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1的搅拌是利用磁力搅拌器在1000rpm的转速下，搅拌30min。3.根据权利要求1所述的高抗盐性的自愈合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤2的二硫化钼粉末由如下方法制得：步骤2.1、取2.2826g ch4n2s和1.2358g(nh4)6mo7o
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4h2o加入50ml去离子水中，搅拌至生成均质的淡蓝色溶液；步骤2.2、将淡蓝色溶液转移至水热合反应釜中，在140℃下，持续反应16h，待自然冷却至室温后，依次离心分离、冷冻干燥后得到二硫化钼粉末。4.根据权利要求1所述的高抗盐性的自愈合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤2的超声处理是利用超声细胞粉碎机在500w的功率下，超声分散10min。5.根据权利要求1所述的高抗盐性的自愈合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤3的搅拌是利用磁力搅拌器，在200rpm的转速下，搅拌2h。6.根据权利要求1所述的高抗盐性的自愈合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤3的静置时间为4h。7.根据权利要求1所述的高抗盐性的自愈合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤4的冷冻-解冻循环次数为10次。8.一种如权利要求1-7任一项所述方法制备的自愈合水凝胶。9.一种权利要求8所述的自愈合水凝胶在海水淡化中的应用。

技术总结
本发明公开了一种高抗盐性的自愈合水凝胶及其制备方法和应用，包括步骤：1、取0.5～1.5g羧甲基壳聚糖和0.5～1.5g聚天冬氨酸溶于10mL去离子水中，在45℃下搅拌至完全分散，得到分散液A；2、取0.015～0.023g二硫化钼粉末分散于5mL去离子水中，超声处理后得到分散液B，将分散液B加入分散液A中，得到混合溶液C；3、取0.02g氯化铁溶于10mL去离子水中，充分搅拌，得到氯化铁溶液，将氯化铁溶液滴加至混合溶液C中，搅拌，并在室温下静置，得到产物D；4、将产物D倒入六孔板，并移至冷冻箱箱内，在-(60～80)℃下冷冻24h，然后解冻2～3h，接着冷冻-解冻数次，得到自愈合水凝胶，具有抗盐性高和自修复能力强的优点，提高了水蒸发速率及光热转化效率。率。率。


技术研发人员：杜红英 范旭银 李惠橦 张蕾
受保护的技术使用者：陕西科技大学
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/9/23