[发明专利]一种气凝胶、制备方法及其用作太阳能蒸发器的应用

说明书

一种气凝胶、制备方法及其用作太阳能蒸发器的应用，所述气凝胶由水供给层和光吸收层构成，其中，所述水供给层的制备过程主要包括：配置溶液，径向冷冻，低温紫外辐射交联，冷冻干燥和预处理。所述光吸收层的制备过程主要包括：配置溶液，无序冷冻，低温紫外辐射交联，冷冻干燥，将气凝胶完全浸没于配置好的碳纳米管分散液，冷冻干燥。此外，在使用气凝胶用作太阳能蒸发器时，处于下层的所述水供给层为处于上层的所述光吸收层提供水，处于上层的所述光吸收层吸收太阳能转化为热能蒸发水份，使得水从水供给层传输到光吸收层。

技术领域

本发明属于流体控制、太阳能海水淡化和污水处理领域，尤其涉及一种气凝胶、制备方 法及其用作太阳能蒸发器的应用。

背景技术

水既是生命的物质基础又是重要的战略资源，由于全球范围的气候变暖、环境污染、人 口增长、工业化和城市化进程加快等原因造成的水资源问题已经成为国际社会共同关注的焦 点问题。因水资源而引起的冲突和战争，已在亚洲、非洲和中东等水资源短缺的地区愈演愈 烈。我国是水资源紧缺的国家，人均水资源占有量只有2100立方米，仅为世界人均水平的 28％。据联合国估计，约占世界人口总数40％的80个国家和地区约15亿人口淡水不足，其中 26个国家约3亿人极度缺水。更可怕的是，预计到2025年，世界上将会有30亿人面临缺水， 40个国家和地区淡水严重不足。与此同时，地球的储水量是很丰富的，共有14.5亿立方千 米之多。人类真正能够利用的淡水资源是江河湖泊和地下水中的一部分，约占地球总水量的 0.26％。

海水淡化和污水处理是目前最重要、最有效的解决淡水资源短缺问题的途径之一。目前 常规的海水淡化主要有多级蒸馏、多级闪蒸、压汽蒸馏、反渗透膜法、电渗析法、离子交换 法和冷冻法等，这些方法都会带来大量化石燃料的消耗，加重能源危机，同时也会带来更加 严重的环境污染。常规的污水处理主要有重力分离法、离心分离法、筛滤截留法、膜分离技 术、生物氧化塘法、厌氧生物处理法，生物接触氧化法，这些方法有的会带来额外的化石能 源消耗，有的处理得到水质有限。

太阳能是一种可再生的清洁能源，取之不竭，用之不尽，因此利用太阳能，通过光-热转 化，进行太阳能驱动的水蒸发，是实现海水淡化、污水处理，从而得到清洁水的有效途径之 一。科研人员在这方面做了大量的尝试，也取得了不错的成果，目前常用的光-热转化材料主 要包括如：浆金属纳米颗粒、半导体材料、碳基纳米材料等。但是如何实现增强光吸收、局 域聚热、水供应和蒸汽逸散等方面的设计优化仍是一个难题，现在有的太阳能驱动水蒸发产 生清洁水的速率、利用太阳能的效率仍十分有限，这些方面严重制约了太阳能蒸发器的发展。

因此，基于针对下层水供给层的径向分级多孔结构聚丙烯酰胺气凝胶的长程定向运输水 性能以及上层光吸收层的聚丙烯酰胺-碳纳米管复合气凝胶的优异的光热转化性能，提出了一 种制备简单、成本低廉、绿色环保、无能耗，供给水速率快，蒸发速率高、能量效率大的基 于运输水和大面积蒸发水的太阳能蒸发器。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种气凝胶、制备方法及其用作太阳能蒸发器的 应用。

本发明的目的一方面是通过以下技术方案实现的：

一种气凝胶的制备方法，所述气凝胶由水供给层和光吸收层构成，所述水供给层的制备 原料包括聚合反应单体、化学交联剂和光引发剂，所述水供给层由以下步骤制备：

步骤(1)，在分散介质中加入所述制备原料，在避光条件下搅拌均匀直至所述制备原料 完全溶解，得到透明的丙烯酰胺前驱液，其中，所述分散介质为水，所述聚合反应单体为丙 烯酰胺，所述化学交联剂为亚甲基双丙烯酰胺，所述光引发剂为偶氮二异丁脒盐酸盐；

步骤(2)，将所述步骤(1)得到透明的丙烯酰胺前驱液注入具有径向温度梯度的高长径 比的径向冷冻装置进行径向冷冻形成冰晶，冰晶沿温度梯度方向生长，且冰晶生长过程会将 溶液中的溶质挤出得到未交联的溶质孔壁，待所述透明的丙烯酰胺前驱液完全冰冻后，得到 径向冰晶结构的冷冻样，并将冷冻样脱模并置于低温环境；