[发明专利]一种天然高分子基大气水收集材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种天然高分子基大气水收集材料及其制备方法，该材料以天然高分子作为基体，经过交联得到内部呈中空、表面有大量大孔和微孔的结构体；所述天然高分子是一类具有多糖主链和亲水性侧链的天然高分子物质；所述大孔和微孔的尺寸在微纳米级范围。本发明以通过引入天然高分子，提高吸湿性材料的可加工性，获得高孔隙的微/纳米结构以促进水的扩散和运输，从而实现快速吸附/脱附。

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种天然高分子基高效大气水收集材料及其制备方法。

背景技术

淡水是人类社会赖以生存和发展的基本物质之一，随着世界人口的急剧增长和水污染问题的日益严重，淡水资源紧缺己成为全球性的危机。地球大气中存在着大量的水，其含量约占总淡水资源的10%。因此，可以从大气中捕捉水蒸气，并将其转换为可饮用的纯净水，这将有利于缓解日益严重的水资源短缺问题。理想的水蒸气收集器应具有高吸收率，快速吸附/脱附能力和长期循环稳定性。传统的干燥剂（例如硅胶、沸石、吸湿盐等）由于与水之间存在较高的亲和力而首先被用于水蒸气收集。但是，硅胶和沸石的保水性能相对较低，只有约0.3~0.5 g/g。此外，高的水亲合力使水的释放变得困难，进而导致脱附过程消耗大量能源。相对较低的吸湿能力和解附所需的较高能量使硅胶和沸石不能实现高效率的大气水收集。吸湿盐可以通过水合作用来收集水蒸气，但存在颗粒团聚和水合过程中颗粒表面形成钝化层的问题，这将会降低水蒸气的渗透性并使盐的吸湿能力下降。潮解性液体吸附剂在吸湿应用中的主要问题是解吸时的高能量消耗，因为在这个过程中需要对整个液体进行加热，而这种液体加热的方式会导致大量的热损失。与此同时，一些通过化学合成方法得到的气凝胶材料也被用于吸湿，但是这类材料通常需要较为复杂的制备步骤，而且成本相对较高，这在一定程度上也限制了它们的实际应用。

综上所述，目前传统无机干燥剂吸湿性能较低，而且较高的水亲和力使得水收集过程中需要消耗大量能源，这些因素导致其不能满足高效率的大气水收集要求，进而阻碍了在大气水收集方面的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种天然高分子基大气水收集材料，另一目的是提供该材料的制备方法，以弥补现有技术的不足。

天然高分子是以由重复单元连接成的线型长链为基本结构的高分子量化合物，这类材料通常具有来源广、循环可再生、成本低、质量轻、结构可调控和绿色环保的优点，可以用作吸湿性材料的基体。基于此，利用天然高分子制备具有高度可调控特性的新材料来实现有效的大气水收集和利用是十分有前景的。

为达到上述目的，本发明采取具体技术方案如下：

一种天然高分子基大气水收集材料，该材料以天然高分子作为基体，经过交联得到内部呈中空、表面有大量大孔和微孔的结构体；所述天然高分子是一类具有多糖主链和亲水性侧链的天然高分子物质；所述大孔和微孔的尺寸在微纳米级范围。

进一步的，所述天然高分子包括但不限于：黄原胶、刺槐豆胶、瓜尔胶、褐藻胶的一种或多种组合。

所述天然高分子基大气水收集材料的中空结构和其表面大量的大孔和微孔，显著提高了其比表面积，实现了表面积的最大化，明显增大了与湿气的接触面积，从而极大地提高了吸湿速率。与此同时，中空和多孔结构的存在十分有利于水蒸气在脱附过程中进行快速的扩散和溢出，从而实现快速的解吸。此外，结合光热转换材料，充分利用取之不尽的太阳能，通过光热蒸发的形式对吸收的水进行解吸。这种方式可以将收集到的太阳能可以集中在蒸发体上，大大减少了热传导带来的能量损失，从而显著提高了能量利用效率。所述天然高分子基大气水收集材料具有良好的热稳定性和机械稳定性。

所述天然高分子基大气水收集材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将天然高分子物质分散在水中加热，使其溶解，得到天然高分子溶液；然后，加入光热转换物质，通过搅拌和超声使其分散均匀得到混合悬浮液；

（2）将上述配制的混合悬浮液逐滴滴加到交联剂溶液中，发生交联反应，从而得到稳定的球形结构；