[发明专利]一种太阳光驱动水净化材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种太阳光驱动水净化材料及其制备方法与应用。所述太阳光驱动水净化材料包括亲水性材质的骨架结构，所述骨架结构上生长有聚N‑异丙基丙烯酰胺水凝胶；所述聚N‑异丙基丙烯酰胺水凝胶外包覆有具有分子或离子筛分效果的包覆膜。本发明通过在聚N‑异丙基丙烯酰胺水凝胶外围均匀包覆氧化石墨烯纳米膜能够赋予材料过滤离子和分子的能力，并且氧化石墨烯涂层在受到太阳光辐照时能够将入射光转换为热能，对内部的水凝胶进行加热，挤出水凝胶吸收的水分，同时蒸发所含有的水分，大大提高了材料的水处理效率。

技术领域

本发明涉及一种太阳光驱动水净化材料及其制备方法与应用，属于能材料领域。

背景技术

作为人口大国，我国人均淡水拥有量不足2300立方米，而且多数城市尤其是西北部城市仍处于缺水或者严重缺水的状态。如何从海水或者污染的水中获取清洁可饮用水日益成为科研工作者研究的重要课题，具有十分重要的学术价值和现实意义。水脱盐、脱有机物是一种十分重要的获取淡水的方式，目前主要采用海水的多级蒸发、蒸馏和反渗透技术等方式，但是这种脱盐或者脱除有机物的技术投资成本高，运营和维护都需要大量的投入，且使用过程中需要消耗大量的电能或者化石燃料。太阳能作为一种普遍存在的廉价、绿色的能源，并且干旱地区往往拥有更加丰富的太阳能资源。利用太阳能实现海水淡化或者脱除有机污染物，从而获取清洁可饮用水有着十分重要的可行性。

氧化石墨烯作为一种独特的二维材料，在二维结构表面有大量的无序的氧化区域和未氧化的sp²杂化的石墨烯单元，由于这种特殊的结构，在氧化石墨烯片层之间存在纳米级别的孔道，这些孔道结构允许水分子的快速通过，与此同时其直径远小于分子直径或者是离子的水合半径，通过沉积、过滤等方式，由氧化石墨烯制备而成的膜材料能够滤除溶液中90％以上的分子和离子。在保证分子和离子截留率的同时，氧化石墨烯膜又有着较大的水通量，此外，氧化石墨烯能够充分的吸收太阳光辐照，并将其转化为热能，局部温度可以达到80℃以上。基于氧化石墨烯或者还原氧化石墨烯太阳光加热蒸发水的工作也屡见报道。然而，当作为纳滤膜使用时，同样面临使用过程需要加压的问题，单独依靠重力实现过滤，效率依然很低。并且受到光热转换温度、热量利用率等因素的限制，光热蒸发水的效率往往较低，亟待寻求新的途径提高太阳光蒸发水的效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种太阳光驱动水净化材料及其制备方法与应用；本发明通过在聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶外围均匀包覆氧化石墨烯纳米膜能够赋予材料过滤离子和分子的能力，并且氧化石墨烯涂层在受到太阳光辐照时能够将入射光转换为热能，对内部的水凝胶进行加热，挤出水凝胶吸收的水分，同时蒸发所含有的水分，大大提高材料的水处理效率。

本发明太阳光驱动水净化材料包括超亲水性材质的骨架结构，在骨架结构上(原位)生长有聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶，在所述聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶的外围均匀地包覆对分子和离子具有高效截留性能和太阳光热转化性能的包覆膜。

所述的太阳光驱动水净化材料中，所述骨架结构的形状不限；

由于单一的聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶在脱水后恢复所需要的时间往往达到数十个小时，难以满足高效水处理的要求。而亲水性材质的骨架能够传递水分子到聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶内部，增加水凝胶与水的接触面积，并且可以阻止宏观水凝胶的体积踏缩，加速吸水过程，因此本发明通过加入亲水性材质的骨架可以大大提高吸水速度。

所述的太阳光驱动水净化材料中，所述亲水性材质可为聚氰胺、聚酰胺、聚碳酸酯或聚乙二醇，本发明对所述亲水性材质的分子量没有特殊要求。

所述的太阳光驱动水净化材料中，所述包覆膜具有光热转化能力。

所述的太阳光驱动水净化材料中，所述包覆膜可为氧化石墨烯膜、尼龙膜、纤维素膜或聚四氟乙烯膜等具有分子、离子和颗粒物过滤效果的膜。

本发明还进一步提供了所述太阳光驱动水净化材料的制备方法，包括如下步骤：