用于界面蒸发且从环境吸热的碳气凝胶及其制备方法

技术领域

本发明属于太阳能海水淡化领域，涉及一种用于界面蒸发且从环境吸热的碳气凝胶及其制备方法。

背景技术

海水淡化是获取大量淡水的可行途径。然而，目前主要的海水淡化方式如膜蒸馏、反渗透法等，需要消耗大量的化石能源，不利于可持续发展。太阳能界面蒸发成本低、效率高，是一种很有前景的淡水生产方法。在界面蒸发海水淡化技术中，通过高效的光热转化，将光能转化为热能并将热量集中在水-空气界面，从而最大限度地提高蒸发效率。

碳纳米纤维由于比表面积大，且具有优异的吸光性能，可以作为界面蒸发材料。文献1(D.Wu,J.Liang,D.Zhang,etal,Solar evaporation and electricity generation ofporous carbonaceous membrane prepared by electrospinning and carbonization,Sol.Energy Mater Sol.Cells 215(2020)110591)通过静电纺丝得到聚丙烯腈纳米纤维膜，在经过预氧化和碳化处理，得到具有丰富微孔的超亲水多孔膜。当该碳化膜用于界面蒸发时，需要在其下方放置一块聚苯乙烯泡沫用于支撑和隔热，其蒸发速率达到1.33kg m

海藻酸钠是一种可以用来构筑三维气凝胶的多糖类生物高分子，也是常见的碳源，可以作为吸光材料。然而海藻酸钠气凝胶在碳化过程中常常伴随着结构坍塌，无法得到完整的气凝胶，从而限制了其在界面蒸发领域的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种用于界面蒸发且从环境吸热的碳气凝胶及其制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案是：

用于界面蒸发且从环境吸热的碳气凝胶的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，以聚丙烯腈(PAN)的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液为纺丝液，通过静电纺丝得到PAN纳米纤维膜；

步骤2，将PAN纳米纤维膜与海藻酸钠(SA)水溶液混合，搅拌，得到PAN/SA均匀分散液；

步骤3，将PAN/SA均匀分散液倒入圆柱形模具中，在-20℃下冷冻12h，随后冷冻干燥48h，得到复合气凝胶；

步骤4，将复合气凝胶在500～700℃氮气氛围下煅烧1～3h，得到复合碳气凝胶(CNFA)。

进一步的，步骤1中，所述的PAN的重均分子量为149000～151000，PAN的DMF溶液中，PAN的浓度为10～15wt.％。

进一步的，步骤1中，静电纺丝的电压为18～21kV，进液速度为1.5～3ml/h，针头和接收器间的距离为12cm，纺丝时间为12h。

进一步的，步骤2中，所述的SA溶液浓度为0.5wt.％～1wt.％，PAN与SA的质量比为1:1，搅拌速度为30000～32000rpm。

进一步的，步骤2中，搅拌时间为10～15min。

进一步的，步骤3中，圆柱形模具的底面直径为3cm，高度为2～10cm，优选为10cm。

进一步的，步骤4中，升温速率为5℃/min，氮气流速为0.1～0.2L/min。

本发明提供上述制备方法制得的复合碳气凝胶。

进一步的，本发明提供上述复合碳气凝胶在太阳能界面蒸发海水淡化中的应用。

本发明通过在海藻酸钠气凝胶中引入聚丙烯腈短纳米纤维，经过碳化制得了双碳源的PAN/SA基复合碳气凝胶。PAN纳米纤维的引入一方面避免了煅烧过程碳骨架的塌陷，另一方面增大了气凝胶的比表面积，进而增大了蒸发面积提高了蒸发速率。在碳化过程中PAN中的N原子与SA中的O原子与碳骨架掺杂，赋予了复合碳气凝胶超亲水性，多孔结构通过毛细作用使水自下而上地不断运输，既能提供界面蒸发所需水分，又能避免盐沉积。另外，当太阳光只照射到顶面时，侧面由于水的自然蒸发导致温度低于环境温度，因此能够额外从环境吸收热量从而增加蒸发速率。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明制得的复合碳气凝胶可作为用于太阳能界面蒸发海水淡化的材料，通过侧壁从环境中吸热从而提高蒸发速率。

(2)本发明制得的复合碳气凝胶光吸收率达到97％，具有很强的亲水性，水能在22s内爬升到4cm的高度。

(3)本发明的海水淡化蒸发装置具有良好的阻盐效果，并在长期的海水淡化中保持出高效的蒸发效率与优异的耐盐性。

附图说明

图1为CNFA的制备流程图；

图2为实施例1制备的CNFA的扫描电镜图；

图3为实施例1制备的CNFA的接触角图；

图4实施例1制备的CNFA的运水速率图；

图5为实施例1、实施例2以及对比例1制备的气凝胶的光吸收率图；

图6为实施例1和对比例1制备的气凝胶在一个标准光照强度下的升温曲线图；

图7为本发明的海水淡化蒸发装置实物图；

图8为实施例1～7以及对比例1制备的气凝胶在一个标准光照强度下的蒸发速率图；

图9实施例1用于海水淡化后收集到的淡水中Na

图10为实施例1用于不同浓度NaCl溶液蒸发时的蒸发速率。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详述。

实施例1

(1)将7g PAN加入到50ml的DMF溶剂中，在60℃下磁力搅拌10h，得到用于静电纺丝的均匀溶液。施加电压和进样速度分别设置为18kV和2mL/h，针头和收集器之间的距离控制在12cm。静电纺丝12小时后，得到PAN纳米纤维膜。

将1g PAN纳米纤维膜加入到200ml 0.5wt.％的SA水溶液中，在高速分散机中以32000rpm搅拌10min，将得到的分散液倒入直径为3cm、高为10cm的圆柱形模具中，在-20℃下冷冻12h，随后冷冻干燥48h，得到复合气凝胶NFA。

将得到的NFA在500℃氮气氛围下煅烧2h，升温速率为5℃/min，氮气流速为0.15L/min。得到直径为1.5～1.6cm，高为5～5.5cm的复合碳气凝胶(CNFA)。

制备过程如图1所示，制得的复合碳气凝胶的扫描电镜图如图2所示。PAN纳米纤维包覆在SA纳米片状结构上，起增强作用，使NFA在碳化后保持原有的形状。

(2)接触角测试：

利用JC2000D3接触角测量仪测试复合碳气凝胶的接触角，将5μL去离子水滴在复合碳气凝胶表面，测试结果见图3。水滴在10ms内完全浸入复合碳气凝胶。说明复合碳气凝胶具有超亲水性能。

(3)水输运能力测试：

将复合碳气凝胶浸入水中，记录水运输到1cm、2cm、3cm、4cm高度所需的时间。测试结果见图4。水在5s就能上升到2cm的高度，随后也仅需22s就能上升到4cm。说明复合碳气凝胶具有快速的水输运能力。

(4)光吸收率测试：

利用UV/VIS/NIR光谱仪测试复合碳气凝胶在280-2500nm的光吸收率，测试结果见图5；复合碳气凝胶的光吸收率高达97％。

(5)光热转换能力测试：

将复合碳气凝胶放置于一个太阳光强度的模拟光源下，氙灯的光照强度为1kW m

(6)海水淡化性能测试：

使用太阳光模拟氙灯作为光源，模拟海水为3g/100mL的海盐水溶液，使用复合碳气凝胶，构建海水淡化蒸发装置：以EPE泡沫作为支撑材料，将复合碳气凝胶卡在泡沫中心的孔中，调节复合碳气凝胶露出水面的高度为4cm，以烧杯作为海水容器，装置示意图如图7所示。调整太阳光模拟氙灯的光照强度为1kWm

其中m为蒸发水的质量，S为光照面积，t为蒸发时间。

检测淡化后获得的水中Na

将复合碳气凝胶应用于不同浓度NaCl溶液，测试材料在高盐度海水中的蒸发性能，测试结果见图10。复合碳气凝胶在不同浓度的NaCl溶液中蒸发速率保持稳定。说明复合碳气凝胶能够处理高浓度的盐水，且具有长期的使用稳定性。

实施例2

(1)将7g PAN加入到50ml的DMF溶剂中，在60℃下磁力搅拌10h，得到用于静电纺丝的均匀溶液。施加电压和进样速度分别设置为18kV和2mL/h，针头和收集器之间的距离控制在12cm。静电纺丝12小时后，得到PAN纳米纤维膜。

将1g PAN纳米纤维膜加入到200ml 1wt.％的SA水溶液中，在高速分散机中以32000rpm搅拌10min，将得到的分散液倒入直径为3cm，高为10cm的圆柱形模具中，在-20℃下冷冻12h，随后冷冻干燥48h，得到复合气凝胶NFA。

将得到的NFA在500℃氮气氛围下煅烧2h，升温速率为5℃/min，氮气流速为0.15L/min。得到直径为1.5～1.6cm，高为5～5.5cm的复合碳气凝胶。

(2)海水淡化性能测试：

使用太阳光模拟氙灯作为光源，模拟海水为3g/100mL的海盐水溶液使用复合碳气凝胶，构建海水淡化蒸发装置：以EPE泡沫作为支撑材料，将复合碳气凝胶卡在泡沫中心的孔中，调节复合碳气凝胶露出水面的高度为4cm,以烧杯作为海水容器，装置示意图如图7所示。调整太阳光模拟氙灯的光照强度为1kWm

实施例3

(1)将7g PAN加入到50ml的DMF溶剂中，在60℃下磁力搅拌10h，得到用于静电纺丝的均匀溶液。施加电压和进样速度分别设置为18kV和2mL/h，针头和收集器之间的距离控制在12cm。静电纺丝12小时后，得到PAN纳米纤维膜。

将1g PAN纳米纤维膜加入到200ml 0.5wt.％的SA水溶液中，在高速分散机中以32000rpm搅拌10min，将得到的分散液倒入直径为3cm，高为8cm的圆柱形模具中，在-20℃下冷冻12h，随后冷冻干燥48h，得到复合气凝胶NFA。

将得到的NFA在500℃氮气氛围下煅烧2h，升温速率为5℃/min，氮气流速为0.15L/min。得到直径为1.5～1.6cm，高为4～4.5cm的复合碳气凝胶。

(2)海水淡化性能测试：

使用太阳光模拟氙灯作为光源，模拟海水为3g/100mL的海盐水溶液使用复合碳气凝胶，构建海水淡化蒸发装置：以EPE泡沫作为支撑材料，将复合碳气凝胶卡在泡沫中心的孔中，调节复合碳气凝胶露出水面的高度为3cm,以烧杯作为海水容器，装置示意图如图7所示。调整太阳光模拟氙灯的光照强度为1kWm

实施例4

(1)将7g PAN加入到50ml的DMF溶剂中，在60℃下磁力搅拌10h，得到用于静电纺丝的均匀溶液。施加电压和进样速度分别设置为18kV和2mL/h，针头和收集器之间的距离控制在12cm。静电纺丝12小时后，得到PAN纳米纤维膜。

将1g PAN纳米纤维膜加入到200ml 0.5wt.％的SA水溶液中，在高速分散机中以32000rpm搅拌10min，将得到的分散液倒入直径为3cm，高为6cm的圆柱形模具中，在-20℃下冷冻12h，随后冷冻干燥48h，得到复合气凝胶NFA。

将得到的NFA在500℃氮气氛围下煅烧2h，升温速率为5℃/min，氮气流速为0.15L/min。得到直径为1.5～1.6cm，高为3～3.5cm的复合碳气凝胶。

(2)海水淡化性能测试：

使用太阳光模拟氙灯作为光源，模拟海水为3g/100mL的海盐水溶液使用复合碳气凝胶，构建海水淡化蒸发装置：以EPE泡沫作为支撑材料，将复合碳气凝胶卡在泡沫中心的孔中，调节复合碳气凝胶露出水面的高度为2cm,以烧杯作为海水容器，装置示意图如图7所示。调整太阳光模拟氙灯的光照强度为1kWm

实施例5

(1)将7g PAN加入到50ml的DMF溶剂中，在60℃下磁力搅拌10h，得到用于静电纺丝的均匀溶液。施加电压和进样速度分别设置为18kV和2mL/h，针头和收集器之间的距离控制在12cm。静电纺丝12小时后，得到PAN纳米纤维膜。

将1g PAN纳米纤维膜加入到200ml 0.5wt.％的SA水溶液中，在高速分散机中以32000rpm搅拌10min，将得到的分散液倒入直径为3cm，高为4cm的圆柱形模具中，在-20℃下冷冻12h，随后冷冻干燥48h，得到复合气凝胶NFA。

将得到的NFA在500℃氮气氛围下煅烧2h，升温速率为5℃/min，氮气流速为0.15L/min。得到直径为1.5～1.6cm，高为2～2.5cm的复合碳气凝胶。

(2)海水淡化性能测试：

使用太阳光模拟氙灯作为光源，模拟海水为3g/100mL的海盐水溶液使用复合碳气凝胶，构建海水淡化蒸发装置：以EPE泡沫作为支撑材料，将复合碳气凝胶卡在泡沫中心的孔中，调节复合碳气凝胶露出水面的高度为1cm,以烧杯作为海水容器，装置示意图如图7所示。调整太阳光模拟氙灯的光照强度为1kWm

实施例6

(1)将7g PAN加入到50ml的DMF溶剂中，在60℃下磁力搅拌10h，得到用于静电纺丝的均匀溶液。施加电压和进样速度分别设置为18kV和2mL/h，针头和收集器之间的距离控制在12cm。静电纺丝12小时后，得到PAN纳米纤维膜。

将1g PAN纳米纤维膜加入到200ml 0.5wt.％的SA水溶液中，在高速分散机中以32000rpm搅拌10min，将得到的分散液倒入直径为3cm，高为2cm的圆柱形模具中，在-20℃下冷冻12h，随后冷冻干燥48h，得到复合气凝胶NFA。

将得到的NFA在500℃氮气氛围下煅烧2h，升温速率为5℃/min，氮气流速为0.15L/min。得到直径为1.5～1.6cm，高为1～1.5cm的复合碳气凝胶。

(2)海水淡化性能测试：

使用太阳光模拟氙灯作为光源，模拟海水为3g/100mL的海盐水溶液使用复合碳气凝胶，构建海水淡化蒸发装置：以EPE泡沫作为支撑材料，将复合碳气凝胶卡在泡沫中心的孔中，调节复合碳气凝胶顶部与水面齐平,以烧杯作为海水容器，装置示意图如图7所示。调整太阳光模拟氙灯的光照强度为1kWm

实施例7

(1)将7g PAN加入到50ml的DMF溶剂中，在60℃下磁力搅拌10h，得到用于静电纺丝的均匀溶液。施加电压和进样速度分别设置为18kV和2mL/h，针头和收集器之间的距离控制在12cm。静电纺丝12小时后，得到PAN纳米纤维膜。

将1g PAN纳米纤维膜加入到200ml 0.5wt.％的SA水溶液中，在高速分散机中以32000rpm搅拌10min，将得到的分散液倒入直径为3cm，高为10cm的圆柱形模具中，在-20℃下冷冻12h，随后冷冻干燥48h，得到复合气凝胶NFA。

将得到的NFA在700℃氮气氛围下煅烧2h，升温速率为5℃/min，氮气流速为0.15L/min。得到直径为1.5～1.6cm，高为5～5.5cm的复合碳气凝胶。

(2)光吸收率测试：

利用UV/VIS/NIR光谱仪测试复合碳气凝胶在280-2500nm的光吸收率，测试结果见图4；复合碳气凝胶的光吸收率可以达到97％。

(3)海水淡化性能测试：

使用太阳光模拟氙灯作为光源，模拟海水为3g/100mL的海盐水溶液使用复合碳气凝胶，构建海水淡化蒸发装置：以EPE泡沫作为支撑材料，将复合碳气凝胶卡在泡沫中心的孔中，调节复合碳气凝胶露出水面的高度为4cm,以烧杯作为海水容器，装置示意图如图7所示。调整太阳光模拟氙灯的光照强度为1kWm

对比例1

用于太阳能界面蒸发的复合气凝胶的制备方法，包括：

(1)将7g PAN加入到50ml的DMF溶剂中，在60℃下磁力搅拌10h，得到用于静电纺丝的均匀溶液。施加电压和进样速度分别设置为18kV和2mL/h，针头和收集器之间的距离控制在12cm。静电纺丝12小时后，得到PAN纳米纤维膜。

将1g PAN纳米纤维膜加入到200ml 0.5wt.％的SA水溶液中，在高速分散机中以32000rpm搅拌10min，将得到的分散液倒入直径为3cm，高为2cm的圆柱形模具中，在-20℃下冷冻12h，随后冷冻干燥48h，得到复合气凝胶NFA。

将得到的NFA在200℃氮气氛围下煅烧2h，升温速率为5℃/min，氮气流速为0.15L/min。得到直径为1.5～1.6cm，高为0.8～1.2cm的复合气凝胶。

(2)光吸收率测试：

利用UV/VIS/NIR光谱仪测试复合气凝胶在280-2500nm的光吸收率，测试结果见图4；复合气凝胶在近红外区的吸收率在50％以下，吸光性能较差。

(3)光热转换能力测试：

将复合气凝胶放置于一个太阳光强度的模拟光源下，氙灯的光照强度为1kW m

(4)海水淡化性能测试：

使用太阳光模拟氙灯作为光源，模拟海水为3g/100mL的海盐水溶液使用复合气凝胶，构建海水淡化蒸发装置：以EPE泡沫作为支撑材料，将复合气凝胶卡在泡沫中心的洞中，调节复合气凝胶顶部与水面齐平,以烧杯作为海水容器，装置示意图如图7所示。调整太阳光模拟氙灯的光照强度为1kWm

对比例2

(1)将7g PAN加入到50ml的DMF溶剂中，在60℃下磁力搅拌10h，得到用于静电纺丝的均匀溶液。施加电压和进样速度分别设置为18kV和2mL/h，针头和收集器之间的距离控制在12cm。静电纺丝12小时后，得到PAN纳米纤维膜。

将1g PAN纳米纤维膜加入到200ml去离子水中，在高速分散机中以32000rpm搅拌10min，将得到的分散液倒入直径为3cm，高为2cm的圆柱形模具中，在-20℃下冷冻12h，随后冷冻干燥48h。无法得到成型的气凝胶。

对比例3

(1将0.5wt.％的SA水溶液倒入直径为3cm，高为2cm的圆柱形模具中，在-20℃下冷冻12h，随后冷冻干燥48h，得到SA气凝胶。

将得到的SA气凝胶在500℃氮气氛围下煅烧2h，升温速率为5℃/min，氮气流速为0.15L/min。得到碳渣，无法得到完整的碳气凝胶。

对比例4

(1)将7g PAN加入到50ml的DMF溶剂中，在60℃下磁力搅拌10h，得到用于静电纺丝的均匀溶液。施加电压和进样速度分别设置为18kV和2mL/h，针头和收集器之间的距离控制在12cm。静电纺丝12小时后，得到PAN纳米纤维膜。

将1g PAN纳米纤维膜加入到200ml 2wt.％的SA水溶液中，在高速分散机中以32000rpm搅拌10min。由于粘度过大，PAN纳米纤维无法被打散，团聚在一起，无法形成较好的气凝胶。