[发明专利]一种Janus海绵状水凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种Janus海绵状水凝胶及其制备方法和应用，该水凝胶采用原料包括聚乙烯醇、琼脂、疏水性纳米气相SiO₂aerogel和活性炭，经发泡和交联反应制备而成；其中，原料琼脂与聚乙烯醇的质量比为1：7.5～30，SA与聚乙烯醇的质量比为1:3.75～15。本发明公开的水凝胶具有高耐盐性和良好的力学性能，可用于持续长时间的脱盐并承受反复压缩；同时具有更低的蒸发焓，能有效提升太阳能蒸发器的蒸发速率、光热转换效率和使用寿命，可广泛用于海水淡化水处理及含盐废水处理领域。

技术领域

本发明涉及海水淡化及含盐废水处理技术领域，具体涉及一种Janus海绵状凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

面对全球淡水资源稀缺状况的加剧，海水淡化及含盐废水处理被认为是缓解淡水短缺问题最有效的途径之一。与传统的光蒸馏相比，太阳能驱动的界面蒸发技术可以显著减少热损失，获得高效的清洁水生产。

近年来，如何提高太阳能界面蒸发的蒸发速率成为了研究热点，出现了基于多孔水凝胶、气凝胶以及各类生物质等相关材料的太阳能蒸发器，如专利CN114891266B公开了一种太阳能海水淡化装置，该装置中设有包括依次层叠供水层和蒸发层的聚丙烯酰胺/石墨烯复合水凝胶，有利于水分快速传输与共计，并产生较高光热转换效率。

值得注意的是，海水淡化水及含盐废水处理过程中，持续长时间的脱盐通常伴随着蒸发器表面严重的盐结晶，特别是处理高盐度盐水时会显著降低蒸发速度，甚至导致蒸发器失效。然而，目前的研究大多局限于短时间内处理低盐度盐水，远远达不到长期蒸发系统和含盐废水的耐盐要求。此外，良好的机械性能也是实现太阳能蒸发器实际应用的关键点，而传统化学交联形成的水凝胶非常脆弱，力学性能较差，可压缩强度较低，制约了太阳能蒸发器的使用寿命。

本发明中用PVA作为物质聚乙烯醇的简写，用AG作为物质琼脂的简写、用SA作为物质疏水性纳米气相SiO₂ aerogel的简写，用AC作为物质活性炭的简写，用CPAS作为本发明公开的Janus海绵状水凝胶的简写，用SDS作为物质十二烷基硫酸钠的简写，SDBS作为物质十二烷基苯磺酸钠的简写，用APS作为物质过硫酸铵的简写，用HCl作为物质盐酸的简写，用KPS作为物质过硫酸钾的简写；本发明中水凝胶为概括性统称，可用于指代CPAS或其他与CPAS成分不同的水凝胶。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种Janus海绵状水凝胶(CPAS)及其制备方法和应用，该水凝胶具有良好机械稳定性和耐盐性，并能有效提升太阳能蒸发器的蒸发速率、光热转换效率和使用寿命，可广泛用于海水淡化水处理及含盐废水处理。

具体地，一方面，本发明提出的CPAS采用原料包括PVA、AG、SA和AC，经发泡和交联反应制备而成；其中，原料AG与PVA的质量比为1：7.5～30，原料SA与PVA的质量比为1:3.75～15。

本发明采用发泡和交联反应工艺制备的CPAS具有多孔海绵状结构，该结构不仅能引导水凝胶体内水分快速传输，还能防止盐分在表面积聚，支持连续稳定的太阳能蒸汽产生过程。

进一步，原料AG与PVA的质量比为1:7.5～10，优选为1:9～10。

本发明以天然丰富的生物质AG为原料用于制备CPAS，更丰富的亲水基团赋予CPAS更低的蒸发焓，提高蒸发速率；聚合物链AG丰富的羟基可与聚合物主链(PVA链)形成化学交联，从而构建高度稳定的水凝胶网络，通过与具有可伸缩气泡的多孔海绵状结构协同作用，使得CPAS具有更优异的机械性能，可承受反复压缩。

进一步，原料SA与PVA的质量比为1:3.75～5，优选为1:4～5。

本发明以SA为原料用于制备CPAS，在交联反应过程中，由于SA具有较低的密度和超疏水性，会自发地向水凝胶的上侧迁移和聚集，使得CPAS的上表面粗糙且疏水、下表面光滑且亲水，并进一步控制CPAS内部的水分布情况，提高了能量利用效率。