[发明专利]一种酸雾吸收-水释放的智能太阳能水凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种酸雾吸收‑水释放的智能太阳能水凝胶及其制备方法和应用，其制备方法包括：以N‑异丙基丙烯酰胺单体和甲基丙烯酸N,N‑二甲基氨基乙酯单体为原料，以N,N‑亚甲基双丙烯酰胺为交联剂、过硫酸铵为引发剂，经自由基聚合合成P(NIPAAm‑co‑DMAEMA)多孔网络水凝胶。本发明制备的P(NIPAAm‑co‑DMAEMA)水凝胶表现出超强的酸雾吸收性能(～6.5g/g)，高密度储水、超快释水性能(～90％)和高循环稳定性能(～25个循环)。

技术领域

本发明属于仿生太阳能水凝胶蒸发器雾气收集领域，具体涉及一种酸雾吸收-水释放的智能太阳能水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

水是生命之源，世界万物的生存都离不开水。由于气候变化、全球人口增长、持续的水污染及水资源管理的不善，已经造成了水资源的严重短缺，并且未来这种趋势将在世界许多地区变得日益严重。如果不采取节水措施，未来全球淡水需求量持续增长，将给淡水供应带来极大压力。因此，从空气中寻求高效的水收集技术引起了众多科学家的巨大研究兴趣。

在自然界中，水蒸气的输送在水循环中起着重要的作用，将不考虑地理和水文条件限制的大气水转化为有效可直接利用的水资源成为一种有效途径。因此，大气水收集(AWH)成为集中生产水的一项有希望的战略，克服农村地区长途运输或提供饮用水的挑战。幸运地，有关研究已经证实了利用独特的大气集水材料可直接从低湿度空气中收集水的可行性。研究者研发了多孔金属有机框架(MOF)的装置，能够从相对湿度低至20％的干燥空气中提取水蒸气，并通过自然阳光释放水蒸气。然而，在实际应用中，MOF吸湿材料需要超过10小时才能达到其水蒸气饱和，在正常的阳光下，需要几个小时才能释放水来收集冷凝水，每天只能完成一次吸附/解吸循环。同时，由于合成过程复杂且形貌不可控，这也将增加捕获雾气的成本。这些限制导致该技术无法应用于大规模生产。因此，我们需要开发一种高效吸收雾气，且能源消耗低，快速吸附/解吸，技术简便、快捷且循环稳定的吸水-释水材料。

通过调节和控制智能高分子材料与水分子之间的相互作用，引入了三维多孔高吸湿性水凝胶，以实现在高相对湿度条件下的集水和在低能量输入下的水分释放。然而，由于全球空气污染，直接水冷凝水往往从湿气不可避免地被杂质污染，如微生物、细颗粒物(PM)和有毒气体，如硫氧化物(SOx)。同时，随着工业的发展，由于产生酸雨而使空气表现出酸性特征，这再次对以最小的能量从空气污染中收集清洁水提出了巨大的全新挑战。这就要求理想的水分收集材料必须具有出色的酸雾收集能力和低能量的快速释水能力，以实现将收集的酸性雾转化为纯净水的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明受到自然界中具有高效水传输特性的荷叶秸秆的启发，提出通过仿生结构设计，制备得到具有特殊浸润性的多孔水凝胶材料。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种酸雾吸收-水释放的智能太阳能水凝胶的制备方法，以N-异丙基丙烯酰胺单体(NIPAM)和甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯单体(DMAEMA)为原料，以N,N-亚甲基双丙烯酰胺(Bis)为交联剂、过硫酸铵(Aps)为引发剂，经自由基聚合合成P(NIPAAm-co-DMAEMA)多孔网络水凝胶。

本发明采用的单体在引发剂跟交联剂的共同作用下，经过自由基热聚合的方式形成无规共聚的三维网络结构。在这个三维网络结构中，PNIPAAm和PDMAEMA聚合物分子链段相连接，作为基体，Bis作为凝胶网络的交联点。在自由基聚合交联过程中获得的线性共聚物为形成多孔结构提供了优良的网络骨架，PDMAEMA聚合物链在酸性状态下容易质子化，官能团中的氨基容易从溶液中得到氢离子，氨基得到氢离子后亲水性增强，从而使水凝胶更加膨胀。在经过酸雾收集后，酸雾暂时储存在P(NIPAAm-co-DMAEMA)凝胶体系中。当通过加热使PNIPAAm水凝胶的温度超过其最低临界温度(约32℃)时，热响应亲水性切换会迅速释放水。

进一步的，在上述一种酸雾吸收-水释放的智能太阳能水凝胶的制备方法中，包括以下步骤：