一种高效的大气水蒸气吸附复合材料的制备方法

1.本发明属于大气水蒸气吸附复合材料制备技术领域，特别涉及制备具有高效水蒸气收集材料领域的制备方法。


背景技术：

2.从空气中获得干净的水资源是解决干旱半干旱地区缺水问题的一种重要方法。提高材料从空气中水收集效率仍然是一个需要克服的巨大挑战。
3.在此，在自然生物的启发下，本发明将高储水性能海绵骨架和两亲性凝胶结合，构建海绵-凝胶层结构，是一种能够快速高效蒸汽液化吸附，高储水能力的大气集水复合材料。在6-8个小时内可以实现吸附平衡，在湿度90％的条件下可以达到3.98g/g的吸附量、60％和40％条件下分别达到2.264g/g，1.356g/g的吸附量。现基于以上优异性能，该大气水蒸气吸附复合材料可以进行大规模推广。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种可大规模制造的高效快速从大气中吸附水蒸气的复合材料制备方法。
5.实现本发明目的的技术方案是：一种高效的大气水蒸气吸附复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括步骤如下：
6.a.将dmaps单体溶于去离子获得单体水溶液，单体与去离子水的配比为3：10，随后在水溶液中加入体积为5cm
×
5cm
×
1cm的三聚氰胺海绵混合，让海绵完全浸泡于单体溶液中，并在超声下处理10min；
7.b.在dmaps单体溶液与三聚氰胺海绵的混合溶液中加入bis后超声10min，混合溶液与bis的配比为100：3，随后再加入temed做为活化剂，混合溶液与temed的配比为100:2，加入temedh后超声处理10min进行脱气处理；
8.c.最后在混合溶液中加入引发剂kps，kps与混合溶液的比例为3；1000，随后将混合溶液在烘箱中60
°
反应6小时，得到聚合物pdmaps凝胶层-海绵复合材料；
9.d.将凝胶层-海绵复合材料浸入吸湿盐溶液中12小时，吸湿盐溶液的配制方式为将吸湿盐与去离子水1；10混合并均匀搅拌后超声5min，浸泡充分后将材料取出，放入80
°
的烤箱中干燥，得到了凝胶层-海绵awh复合材料。
10.进一步地，dmaps单体具体指[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基-(3-磺丙基)氢氧化铵(95％)，三聚氰胺海绵的重量约为1g，单位克重1.8g/m3，三聚氰胺在使用前需要使用浓度为99％的乙醇清洗3遍并烘干。
[0011]
进一步地，bis具体是指n，n
′‑
亚甲基双丙烯酰胺(99％)，temed具体是指n，n，n
′
，n
′‑
四甲基乙二胺(99％)。
[0012]
进一步地，kps具体是指化学试剂过硫酸钾(99％)，同时，样品在60
°
烘箱中聚合时使用密封容器储存样品，所使用烘箱为普通的通气鼓风烘箱。
[0013]
进一步地，吸湿盐具体是指氯化锂(licl，99％)、氯化钙(cacl2，99％)和硝酸锂(lino3，99％)。
[0014]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0015]
1.使用3d打印技术优化了集雾器设计。
[0016]
2.模块化设计赋予了系统极大的可扩展性。
[0017]
3.可批量设计，成本低。
[0018]
4.集雾效率高。
附图说明
[0019]
图1：水凝胶层-海绵awh复合合成示意图。
[0020]
图2：(a)凝胶层-海绵吸湿示意图，(b)含有licl(灰色迹线、绿色轨迹)和pdmaps凝胶(紫色迹线)的海绵的ft-ir光谱，(c)凝胶层-海绵光学照片及微观形貌；(d)切面形貌。
[0021]
图3：(a)凝胶在各种盐溶液中的溶胀，(b)搭载不同吸湿盐在不同湿度下的吸水能力对比，(c)凝胶层在吸湿盐水溶液中的膨胀，(d)凝胶层-海绵在空气中吸附水分子示意图，凝胶层-海绵awh材料搭载不同吸湿盐在90％(e)、60％(h)、40％(g)的条件下吸水能力对比，(f)凝胶层-海绵awh材料大气水收集后的光学图片。
[0022]
图4：(a)在25℃下的吸附曲线，(b)静态吸附-解吸曲线，(c)在不同光照强度下红外热像图，(d)凝胶层-海绵吸附解析十次前后的tga曲线对比，凝胶层-海绵搭载不同吸湿盐的吸附-解吸循环测试(e)lino3(f)licl(g)cacl2，(h)在不同光照强度下随时间增加表面温度变化对比。
具体实施方式
[0023]
本发明下面将通过具体的实例进行更详细的描述，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。
[0024]
实施例1
[0025]
1、一种高效的大气水蒸气吸附复合材料的制备方法，其步骤如下：
[0026]
a.将dmaps单体溶于去离子获得单体水溶液，单体的质量分数为0.5wt％、1wt％、3wt％、5wt％.随后在水溶液中加入体积为5cm
×
5cm
×
1cm的三聚氰胺海绵混合，让海绵完全浸泡于单体溶液中，并在超声下处理10min。
[0027]
b.在dmaps单体溶液与三聚氰胺海绵的混合溶液中加入bis后超声10min，混合溶液中bis的质量分数为0.3wt％。随后再加入temed做为活化剂，混合溶液与temed的质量分数为0.2wt％，加入temedh后超声处理10min进行脱气处理。
[0028]
c.最后在混合溶液中加入引发剂kps，kps的质量分数为3wt％。将混合物在烘箱中60
°
反应6小时，得到聚合物(pdmaps)凝胶层-海绵复合材料。
[0029]
d.为了将吸湿盐嵌入海绵上的凝胶结构中，将凝胶层-海绵复合材料浸入吸湿盐溶液中12小时，吸湿盐溶液的配制方式为将吸湿盐与去离子水1；10混合并均匀搅拌后超声5min。浸泡充分后将材料取出，放入80
°
的烤箱中干燥。得到了凝胶层-海绵awh复合材料。
[0030]
e.通过调整dmaps单体的进料质量比，制备了具有不同状态的pdmaps水凝胶。如图支持信息图1所示，结果表面选择3wt％的dmaps单体制备的水凝胶成型效果最佳(图2)。值
得指出的是，当比例小于3wt％时，由于单体质量比不足低，固体水凝胶无法形成，最终搭载于海绵骨架上时过于薄而容易掉落，无法成为搭载吸湿盐的有效载体.而当单体量达到(超过)5％时则会导致聚合物过多或完全充满多孔海绵，影响最终ahw复合材料的水储存能力。
[0031]
实施例2
[0032]
a.将dmaps单体溶于去离子获得单体水溶液，单体的质量分数为3wt％，随后在水溶液中加入体积为5cm
×
5cm
×
1cm的三聚氰胺海绵混合，让海绵完全浸泡于单体溶液中，并在超声下处理10min。
[0033]
b.在dmaps单体溶液与三聚氰胺海绵的混合溶液中加入bis后超声10min，混合溶液中bis的质量分数为0.3wt％。随后再加入temed做为活化剂，混合溶液与temed的质量分数为0.2wt％，加入temedh后超声处理10min进行脱气处理。
[0034]
c.最后在混合溶液中加入引发剂kps，kps的质量分数为3wt％。将混合物在烘箱中60
°
反应6小时，得到聚合物(pdmaps)凝胶层-海绵复合材料。
[0035]
d.为了将吸湿盐嵌入海绵上的凝胶结构中，将凝胶层-海绵复合材料浸入不同的吸湿盐(氯化锂、硝酸锂、氯化钙)溶液中12小时，吸湿盐溶液的配制方式为将吸湿盐与去离子水1；10混合并均匀搅拌后超声5min。浸泡充分后将材料取出，放入80
°
的烤箱中干燥。得到了凝胶层-海绵awh复合材料。
[0036]
e.如图3a所示，将pdmaps水凝胶浸入水中后，由于自缔合过程驱动的交联超致密构象的产生，水凝胶变白并变得不透明。然而，当将不透明的pdmaps水凝胶浸入licl水溶液中时，pdmaps凝胶逐渐变透明，产生更明显的透光，说明cl-和li+有助于打破pdmaps聚合物中阳离子和阴离子基团之间的相互作用，产生非缔合的、膨胀的、均匀分布的水凝胶(图3c)，说明除了licl盐溶液外，pdmaps同样能够兼容更多的盐溶液(例如cacl2、lino3)，将水凝胶浸入其余的两种盐溶液，结果发现仍出现透明的、膨胀的水凝胶，在浓度为0.1g ml-1
的吸湿盐水溶液中浸泡，溶胀率在11.89-12.85g/g(图3a)。awh复合材料在6h内搭载氯化锂的材料显示出约3.98g/g的超快超高吸附量(图3e)。在rh＝60％、40％的条件下，凝胶层-海绵awh复合材料分别在8h内体现出了2.264g/g、1.356g/g的高效吸附能力(图3h、3g)，这一结果表明，与大多数水凝胶基awh材料相比，凝胶层-海绵awh复合材料在低湿度的环境下具有更高更快的的水吸附能力，且能够兼容多种搭载cl-，li
+
离子的吸湿盐。
[0037]
实施例3
[0038]
a.将dmaps单体溶于去离子获得单体水溶液，单体的质量分数为3wt％.随后在水溶液中加入体积为5cm
×
5cm
×
1cm的三聚氰胺海绵混合，让海绵完全浸泡于单体溶液中，并在超声下处理10min。
[0039]
b.在dmaps单体溶液与三聚氰胺海绵的混合溶液中加入bis后超声10min，混合溶液中bis的质量分数为0.3wt％。随后再加入temed做为活化剂，混合溶液与temed的质量分数为0.2wt％，加入temedh后超声处理10min进行脱气处理。
[0040]
c.最后在混合溶液中加入引发剂kps，kps的质量分数为3wt％。将混合物在烘箱中60
°
反应6小时，得到聚合物(pdmaps)凝胶层-海绵复合材料。
[0041]
d.为了将吸湿盐嵌入海绵上的凝胶结构中，将凝胶层-海绵复合材料浸入吸湿盐(氯化锂)溶液中12小时，吸湿盐溶液的配制方式为将吸湿盐与去离子水1；10混合并均匀搅拌后超声5min。浸泡充分后将材料取出，放入80
°
的烤箱中干燥。得到了凝胶层-海绵awh复
合材料。
[0042]
e.对搭载吸湿盐的凝胶层-海绵awh复合材料进行10次的吸附和解吸测试以评估材料的循环稳定性。吸附在25℃，60％rh下进行6小时，解吸在80℃，～0％rh下进行4小时，如图(图4e、f、g)所示，凝胶层-海绵awh复合材料在10次循环后仍保持其高吸水-解吸能力，表明其具有高循环稳定性。在热重分析结果表明，当温度小于100
°
时，随着温度升高，结构中的被收集水快速蒸发，质量急剧下降，当温度大于110℃时，凝胶层-海绵awh复合材料中的剩余结晶水可以完全释放(图4d)。因为在实际应用中，太阳能驱动的解吸过程的温度通常低于110℃，这种结晶水将被捕获，但其不参与水蒸气吸附和解吸过程.加入10次吸附-解析循环后的样品作为对比(橙色痕迹)，两种tga痕迹几乎相同，蓝色的痕迹仅显示残留物的重量比略有增加(＜3.4wt％)。这一结果表明，在awh过程中，大部分licl保留在凝胶层-海绵awh复合材料中，从而确保了其高耐久性和稳定的awh性能。使用不同光强的模拟太阳模拟器研究了凝胶层-海绵awh复合材料的光热特性。将干燥的样品放置于模拟太阳光下的聚苯乙烯泡沫板上，并在室温下进行测试。如图4c所示，在600、800、1000和1200w m-2的光照强度下，在没有添加光热材料的凝胶层-海绵awh复合材料的平衡态表面温度可分别在40分钟内达到～51.2、65.1、70.4和75.1℃。这可能是由于三聚氰胺海绵良好的保温性能所导致的。光照下的高温使得利用太阳能从凝胶层-海绵awh复合材料中释放水成为可能。
[0043]
总结：受蒂兰属空气植物水分捕获储存过程的启发，本发明将高储水性能海绵骨架和两亲性凝胶结合，构建海绵-凝胶层结构，是一种能够快速高效蒸汽液化吸附，高储水能力的大气集水复合材料.该复合材料中凝胶的盐析效应能够其他相同条件下促进搭载吸湿盐对水蒸气的吸附，海绵结构对凝胶收集的水转移和储存，从而达到高效快速的大气集水.所获得的大气集水复合材料，在低湿度环境(rh＝40％)下6-8小时内实现了1.41g/g的快速高效大气集水表现.能够成为缓解许多欠发达地区、干旱地区和岛屿淡水短缺的一个有前途的解决方案。因此，该方法可以进行大规模推广。
[0044]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但是应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。

技术特征：
1.一种高效的大气水蒸气吸附复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括步骤如下：a.将dmaps单体溶于去离子获得单体水溶液，单体与去离子水的配比为3：10，随后在水溶液中加入体积为5cm
×
5cm
×
1cm的三聚氰胺海绵混合，让海绵完全浸泡于单体溶液中，并在超声下处理10min；b.在dmaps单体溶液与三聚氰胺海绵的混合溶液中加入bis后超声10min，混合溶液与bis的配比为100：3，随后再加入temed做为活化剂，混合溶液与temed的配比为100:2，加入temedh后超声处理10min进行脱气处理；c.最后在混合溶液中加入引发剂kps，kps与混合溶液的比例为3；1000，随后将混合溶液在烘箱中60
°
反应6小时，得到聚合物pdmaps凝胶层-海绵复合材料；d.将凝胶层-海绵复合材料浸入吸湿盐溶液中12小时，吸湿盐溶液的配制方式为将吸湿盐与去离子水1；10混合并均匀搅拌后超声5min，浸泡充分后将材料取出，放入80
°
的烤箱中干燥，得到了凝胶层-海绵awh复合材料。2.如权利要求1所述的一种高效的大气水蒸气吸附复合材料的制备方法，其特征在于：dmaps单体具体指[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基-(3-磺丙基)氢氧化铵(95％)，三聚氰胺海绵的重量约为1g，单位克重1.8g/m3，三聚氰胺在使用前需要使用浓度为99％的乙醇清洗3遍并烘干。3.如权利要求1所述的一种高效的大气水蒸气吸附复合材料的制备方法，其特征在于：bis具体是指n，n
′‑
亚甲基双丙烯酰胺(99％)，temed具体是指n，n，n
′
，n
′‑
四甲基乙二胺(99％)。4.如权利要求1所述的一种高效的大气水蒸气吸附复合材料的制备方法，其特征在于：kps具体是指化学试剂过硫酸钾(99％)，同时，样品在60
°
烘箱中聚合时使用密封容器储存样品，所使用烘箱为普通的通气鼓风烘箱。5.如权利要求1所述的一种高效的大气水蒸气吸附复合材料的制备方法，其特征在于：吸湿盐具体是指氯化锂(licl，99％)、氯化钙(cacl2，99％)和硝酸锂(lino3，99％)。

技术总结
本发明提供一种高效的大气水蒸气吸附复合材料的制备方法。受蒂兰属空气植物水分捕获储存过程的启发，本发明将高储水性能海绵骨架和两亲性凝胶结合，构建海绵-凝胶层结构，是一种能够快速高效蒸汽液化吸附，高储水能力的大气集水复合材料。该复合材料中凝胶的盐析效应能够其他相同条件下促进搭载吸湿盐对水蒸气的吸附，海绵结构对凝胶收集的水转移和储存，从而达到高效快速的大气集水。所获得的大气集水复合材料，在低湿度环境(RH＝40％)下6-8小时内实现了1.41g/g的快速高效大气集水表现。能够成为缓解许多欠发达地区、干旱地区和岛屿淡水短缺的一个有前途的解决方案。因此，该方法可以进行大规模推广。法可以进行大规模推广。法可以进行大规模推广。


技术研发人员：郭志光 傅烨 艾书伦 辛燕 杨付超 郑自建
受保护的技术使用者：湖北大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/8/13