[发明专利]一种用于环境水收集的核壳结构PAA-PNIPAAm水凝胶材料制备方法

说明书

本发明公开了一种用于环境水收集的核壳结构PAA‑PNIPAAm水凝胶材料制备方法，该方法包括如下步骤：在低温条件下采用紫外光辐照法，先制备核层聚N‑异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)大孔径水凝胶，然后在PNIPAAm水凝胶表面包覆一层开孔结构的小孔径聚丙烯酸钠(PAA)水凝胶，最后在将聚多巴胺纳米粒子(PDA)涂覆于PAA水凝胶表面，并将其浸入LiCl溶液，得到一种核壳结构PDA@PAA‑PNIPAAm‑LiCl水凝胶环境水收集材料。本方法在现有制备技术上更加绿色环保，工艺简便易操作，解决了低湿环境下吸湿性能差，水收集效率低，水蒸发的问题，并且保证材料良好吸湿性的同时，具有优异的光热转化性和释水性，提高了水收集效率，因此该材料可以为干旱和内陆/偏远地区的清洁水生产提供了一个有前景的解决方案。

技术领域

本发明涉及多孔吸附剂材料以及环境与能源的技术领域，具体涉及一种用于环境水收集的核壳结构PAA-PNIPAAm水凝胶材料制备方法。

背景技术

目前，水资源短缺已经成为威胁、人类生命的最具挑战性的问题之一，据世界气象组织发布的最新报告，在过去的20年，地球的地下水水面以每年1厘米的速度下降，如果一直持续下去的话，预计到2050年时，全球缺水的人数预计将要达到50亿。这将对全球水安全造成重大影响，因此，针对这一严重问题，人们提出了一些有效的措施来捕获和利用地球上有限的淡水。比如海水淡化、大气集水和污水处理等。考虑到环境水是一个巨大的清洁水资源库，约占全球湖泊水量的10％，因此，大气集水引起了许多研究兴趣，并成为生产淡水正成为一种替代和有前途的方法之一。在这种情况下，基于表面水吸附的吸湿材料，如吸湿盐、分子筛、硅胶和聚合物干燥剂，可以作为较宽湿度范围内的吸湿剂。然而，设计用于捕湿的吸湿材料与水有很强的相互作用，这大大阻碍了水的释放，削弱了它们作为大气捕水器的使用机会。之后，研究者们逐渐将吸湿性能优异的金属-有机框架(MOF)和共价-有机框架(COF)等纳米多孔材料用于环境水收集，但由于其产率低、价格高，耗时长等不足限制了在环境水收集方面的应用。

例如中国专利CN113501995 A公开了“一种天然高分子基大气水收集材料及其制备方法”，通过以天然高分子作为基体，经过交联得到内部呈中空、表面有大量大孔和微孔的结构体大气水收集材料。其制备过程中所采用的天然高分子是一类具有多糖主链和亲水性侧链的天然高分子物质。例如中国专利CN113426416 A公开了“一种具有高效集水性能的MOFs材料、其制备方法及空气取水应用”，通过将具有亲水功能基团的四羧酸配体和锆盐称量放入反应釜，加入酸酐溶液，超声15分钟得到均匀的浑浊液，然后再加入有机酸超声均匀，反应釜置于110-130度烘箱反应至少24小时，再将得的沉淀用乙醇洗涤，在空气中干燥得到均相多孔环境水收集材料。

水凝胶是一种具有较强的亲水性和良好的三维多孔结构的材料，其在水吸收和运输方面表现出巨大的优势。同时，水凝胶可以降低水蒸发所需的蒸发焓，因此脱水所需的能量将低于以往的吸湿材料(沸石、硅胶、分子筛等)。此外，一些水凝胶还具有特殊的刺激响应性能，如聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)，可以进一步提高水凝胶的脱水能力。上述诸多优点保证了水凝胶能够连续将水输送到表面并快速蒸发，使水凝胶具有较高的保水性和良好的可循环性，成为一种很有前途的环境水收集材料。因此，本发明公开一种具有核壳结构的水凝胶环境水收集材料，该材料采用吸湿溶胀性能优异的聚丙烯酸钠(PAA)水凝胶作为壳层，进行夜间水分的吸收和传输。采用温敏性PNIPAAm作为核层将夜间收集的水分在光照下快速收集。此外，我们还以聚多巴胺纳米粒子(PDA)作为吸光材料，核壳结构水凝胶一旦暴露在自然阳光下，聚多巴胺纳米粒子吸收太阳光可以快速将水凝胶加热到LCST(低临界相变温度)以上。由于水凝胶相变会使其由亲水状态变为疏水状态，干净的液态水，作为液体和蒸汽被收集。这种孔径不一的核壳结构设计和相互协同作用不仅可以加快夜间湿气的收集，还可以在太阳光的照射下加快水分的收集。

发明内容

本发明目的是：一种用于环境水收集的核壳结构PAA-PNIPAAm水凝胶材料制备方法，采用紫外光辐照方法制备了具有核壳结构的水凝胶环境水收集材料，解决吸附材料低湿度环境中吸湿性能差，水蒸发，和收集效率低等问题。