[发明专利]一种基于天然植物杆的太阳能海水淡化材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于天然植物杆的太阳能海水淡化材料及其制备方法和应用，通过以天然植物杆作为改性基体，使用两性离子水凝胶层和光热转化层对天然植物杆进行修饰制得改性植物杆髓心(如改性向日葵杆髓心)。向日葵杆髓心是具有梯度结构的多孔结构，以及具有极低的导热率(向日葵杆导热率为0.04W/m/K，而木材导热率为0.2W/m/K)，可以高效利用热量进行水蒸发。以降低导热率，即限制散装水的热量散失，充分利用光热转换后的热量进行水蒸发以提高效率。且向日葵杆髓心的内表面特殊结构提供了特殊的水通道，加速了水的蒸发，从而显著提高了水的蒸发效率，并赋予材料优异的抗菌和抗霉变性能，以提升材料的耐久性及使用寿命。

技术领域

本发明属于海水淡化技术领域，尤其涉及一种基于天然植物杆的太阳能海水淡化材料及其制备方法和应用。

背景技术

淡水资源的短缺是我们现代人类社会发展中最大的担忧之一。多种海水淡化技术，例如反向渗透和多效蒸馏技术在数十年来增加了清洁水的供应。但是，由于高能耗的限制和对复杂基础架构的需求，许多国家和地区仍然无法负担使用这些新技术的费用。利用清洁的太阳能以及广阔的海洋作为水资源，太阳能海水淡化技术被认为是最有前景的应用。

木头作为天然植物由于具有特殊的水通道结构和三维多孔性以及良好的生物相容性可以作为新型的太阳能海水淡化材料，此外，三维网络多孔水凝胶中的层间水的特殊存在可以降低水的蒸发晗从而可以提升海水淡化的蒸发效率，这类材料也得到了广泛的关注。然而，基于上述材料的太阳能海水淡化仍存在以下技术缺陷：

1.木材以及水凝胶材料的导热率相对比较高，在太阳能海水淡化蒸发过程中热量的散失极大的降低了蒸发效率。

2.在高盐度环境中，蒸发过程盐的析出堵塞多孔结构极大的降低蒸发效率。

3.长期耐久性使用，水凝胶和木材都易被海洋生物污损导致其使用寿命极大的降低，并且对蒸发的水质也会带来细菌等污染。

发明内容

为了改善上述技术问题，本发明提供一种改性天然植物髓心，包括天然植物髓心、与天然植物髓心形成互穿网络的拓扑结构的两性离子水凝胶和负载于所述天然植物髓心一端的光热转化层。

根据本发明的实施方案，所述天然植物髓心可以为向日葵秆髓心、玉米秆髓心或高粱秆髓心，优选为向日葵杆髓心。

本发明的向日葵秆髓心、高粱秆髓心和玉米秆髓心是一类具有良好力学性能的低密度天然泡沫体，具有出色的隔热能力。

根据本发明的实施方案，所述天然植物髓心指的是除去天然植物的外壁之后，剩余的内部体。例如，向日葵杆髓心指剥去向日葵杆的外壁后，剩余的内部体即为其髓心。

根据本发明的实施方案，所述向日葵秆髓心在髓心横截面的结构显示为从中心到边缘呈现梯度多孔结构。具体地，所述向日葵杆髓心的结构如下：向日葵杆髓心的中心为规则的六边形状蜂窝结构，依次向外边缘孔径变大并且呈现拉长的近似长方形结构，整体呈辐射状有序排布，在向日葵杆髓心的纵截面方向上存在两种结构，沿着茎的纤维方向是呈现纵向排列的导管，导管两侧则是以拉长或者压扁的六边形为主，沿茎的轴向重叠成列排布。优选地，所述向日葵杆髓心具有基本上如图1所示的形貌。

根据本发明的实施方案，所述两性离子水凝胶与天然植物髓心之间还存在离子相互作用。

根据本发明的实施方案，所述两性离子水凝胶由两性离子化合物单体浸泡聚合得到，利用两性离子水凝胶的互穿网络结构与天然植物髓心复合。优选地，所述两性离子化合物单体可以选自N,N-二甲基(甲基丙烯酰氧乙基)、铵基丙磺酸内盐(DMAPS)、甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱(SBMAA)、羧基甜菜碱甲基丙烯酸甲酯(CBMAA)和磷酸胆碱(PCMA)中的一种、两种或更多种。

根据本发明的实施方案，所述光热转化层含有光热转化材料。例如，所述光热转化材料可以选自聚吡咯、炭黑、碳纳米管、活性炭、氧化石墨烯和聚苯胺中的一种、两种或更多种。