基于MXene改性蜂巢织物的海水淡化蒸发器及其制备方法

基于mxene改性蜂巢织物的海水淡化蒸发器及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及海水淡化技术领域，尤其是基于mxene改性蜂巢织物的海水淡化蒸发器及其制备方法。


背景技术：

2.淡水资源短缺日益成为全球面临的严峻挑战，现在，世界上超过四分之一的人口生活在严重的缺水状态下，近一半的人口每年至少有一个月遭受严重的缺水。海水覆盖了地球70％的面积，从海水中低成本、可持续地纯化制备淡水是未来发展的必由之路，特别是沿海城市以及海岛城市对海水淡化的需求日益凸显。然而传统的反渗透、多级闪蒸、多效蒸馏和蒸汽压缩蒸馏等基于热能或过滤膜的海水淡化消耗大量电力，需要大型且复杂的集中式基础设施，这对于偏远及经济落后的地域而言不是可持续的途径。利用太阳光作为能源来驱动海水中的水蒸气蒸发，这是一种很有前途获得淡水的方法，可以在对环境影响最小的情况下缓解严重的缺水问题。
3.迄今为止，许多工作已经考虑开发具有合理结构设计的蒸发器，例如用于局部发热的等离子体金属颗粒，具有黑色表面的双层泡沫用于有效的光吸收和热管理，以及具有宽带光吸收性和亲水表面用于水分蒸发的碳质材料。然而，这些研究中很少在整体结构层面系统地考虑这些方面，以同时最大限度地将阳光转化为热量，最小化热损失，并促进水的运输和逸出。同时，在实际海水淡化过程中，水蒸发导致盐分积聚在蒸发器表面，不仅严重影响光热材料的光吸收面积，而且会堵塞蒸气逸出的通道。据此，研究者通过设计了具有毫米级的穿孔结构，诱导盐从蒸发表面通过毫米级的孔扩散到大量的水中；利用janus的独特结构使得盐离子停留在亲水层中，而没有在疏水层的蒸发器表面结晶；或构造基于纳米纤维的蒸发器，促使盐沿着纳米纤维之间的孔从蒸发界面传输到水中等方法解决表面盐分积累问题。然而，这些方法同时导致了快速对流带来的热量损失或不可避免地导致一部分光通过孔穿过蒸发器。此外，高度浓缩的盐无法回收，浪费了有价值的矿产资源。
4.因此，有必要开发一种海水蒸发装置，在光吸收、热管理、水传输、盐阻隔等方面发挥联合与协同作用，实现太阳能蒸发过程中连续产生蒸汽并实现盐的收获，同时不需要反复拆装光热转换材料，节省时间和体力，提高水蒸发速率，且光热转换材料低成本，绿色重复使用和可大规模应用。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术存在的不足，提供了基于mxene改性蜂巢织物的海水淡化蒸发器及其制备方法，具有高效的光热转换效率、稳定高效的水蒸发速率、有效的盐收集能力和可大规模应用等特点，在海水淡化领域有广泛的应用前景。
6.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，基于mxene改性蜂巢织物的海水淡化蒸发器，包括光热转换层，设于光热转换层下方的且与光热转化层接触的可浮于水面的隔热支撑层，还包括一贯穿隔热支撑层中心的且顶端紧密贴合光热转换层中心位置的
下端，底端插入水中的用于向光热转化层导水后在光热转换层周边形成盐汇集区的导水件。
7.上述的基于mxene改性蜂巢织物的海水淡化蒸发器，所述的光热转换层为mxene改性的蜂巢织物。
8.上述的基于mxene改性蜂巢织物的海水淡化蒸发器，所述支撑隔热层为聚苯乙烯泡沫，厚度为0.5
‑
3cm。
9.上述的基于mxene改性蜂巢织物的海水淡化蒸发器，所述导水件为棉纤维组成的圆柱形棉棒，直径为1
‑
5mm，长度为1
‑
5cm。
10.上述的基于mxene改性蜂巢织物的海水淡化蒸发器的制备方法，包括如下步骤：
11.(1)制备蜂巢织物：首先，织物结构设计图输入到织机的控制面板中；第二，将经纱线排列在织机上并按照工艺要求将整理好的经纱依次穿综、穿筘；第三，纬纱按工艺要求穿入经纱并开始进行编织过程；
12.(2)制备耐氧化的mxene溶液
13.将max相前驱体ti3c2t
x
粉末加入到hcl和lif的混合溶液中，在聚四氟乙烯烧杯中恒温搅拌反应，将反应溶液用去离子水多次离心至上清液的ph接近中性；然后将所得沉淀在去离子水中分散并超声，再次离心取上层上清液，即mxene溶液；将一定量的抗氧化剂加入到mxene溶液中充分搅拌溶解，得到具有耐氧化性的mxene溶液；抗氧化剂与mxene的重量比例为0.1:1到1:1；
14.(3)蜂巢织物的亲水改性和表面阳离子处理
15.利用氢氧化钠和碳酸钠水溶液对蜂巢织物进行预处理，去除织物表面的油渍和杂质，用蒸馏水清洗并干燥；然后利用表面等离子体设备对蜂巢织物进一步处理，进一步增加织物表面的活性基团；将多巴胺(da)和聚乙烯亚胺(pei)溶解在tris缓冲液中混合均匀，然后浸泡表面等离子体处理后的织物，通过去离子水反复清洗织物表面的聚多巴胺(pda)/聚乙烯亚胺沉淀物，干燥后得到pda/pei改性的表面呈阳离子特性的亲水织物；
16.(4)mxene改性蜂巢织物的制备
17.利用静电组装方法将mxene纳米片沉积在步骤(2)最终得到的织物表面，得到mxene改性的蜂巢织物；
18.(5)将mxene改性蜂巢织物紧密贴合在聚苯乙烯隔热泡沫上部，聚苯乙烯中间钻一个与导水件相同直径的孔洞，导水件从聚苯乙烯泡沫中间穿过，导水件底部插入水中，导水件上部与聚苯乙烯泡沫上表面平齐，位于蜂巢织物中心位置的下表面。
19.上述的基于mxene改性蜂巢织物的海水淡化蒸发器的制备方法，步骤(2)中所述的max的粒径为200
‑
600目，温度为25
‑
45℃，反应时间为12
‑
30h，离心速率为1500
‑
8500rpm，所得到的mxene溶液的浓度为0.5
‑
10mg/ml。
20.上述的基于mxene改性蜂巢织物的海水淡化蒸发器的制备方法，所述步骤(3)中氢氧化钠的浓度为5
‑
20g/l，碳酸钠的浓度为3
‑
10g/l，表面等离子体处理功率为300
‑
1000w，处理时间为0.5
‑
5min，da和pei的重量比为2:1到1:2，每种成分的浓度为0.5
‑
3mg/ml。
21.上述的基于mxene改性蜂巢织物的海水淡化蒸发器的制备方法，所述步骤(3)中的蜂巢织物的纱线为棉、麻、粘胶、羊毛、涤纶、锦纶、维纶、腈纶等纯纺纱或混纺纱，所述纱线的线密度为18
‑
30tex，所述蜂巢织物的巢孔横向尺寸为1
‑
5mm。
22.上述的基于mxene改性蜂巢织物的海水淡化蒸发器的制备方法，所述蜂巢织物的纱线为棉含量在50％以上的纱线。
23.上述的基于mxene改性蜂巢织物的海水淡化蒸发器的制备方法，步骤(4)中静电组装方法为涂层法、抽滤法、浸渍法和喷涂法，mxene含量占织物原重量的1
‑
20wt％。
24.本发明基于mxene改性蜂巢织物的海水淡化蒸发器及其制备方法的有益效果是，将毫米级蜂窝状孔壁结构的蜂巢织物与新型光热转换材料mxene结合，同时设计可实现盐收集的海水淡化装置。蜂巢织物具有凹形蜂窝状的阵列结构、粗糙的纤维表面和高孔隙率，为入射光创造出最大程度的多重散射，实现了宽光谱太阳光在蜂巢内部的捕获和吸收。蜂巢织物的表面积是平纹织物的2.05倍，有效提高了太阳光的吸收率。在1个太阳光的照射下，干燥的mxene改性蜂巢织物的表面温度可达86℃。将低导热率mxene改性蜂巢织物与小钻孔的聚苯乙烯泡沫联用，阻隔了太阳能吸收器与大量水体的直接接触，形成了有效的热集中结构，从而减少热传导和热对流的损失，实现了优良的热管理性能。通过在蒸发器中心构建一维的导水件，利用导水件强大的毛细泵效应将水传输到织物表面，从而解决了光热转化层与水直接接触造成的能量损失问题，同时一维导水通道使织物中的水分从中间导水位置扩散到四周。在太阳光的照射下，织物表面的温度升高，使得水分蒸发到大气中，同时棉棒导水件持续的向上供应水。由于水的蒸发速率低于传输速率，在蒸发的过程中，织物边缘的盐浓度高于中心的盐浓度，从而形成了盐浓度从织物中心向边缘增加的径向分布梯度，盐仅在织物蒸发器边缘结晶，而不是在蒸发器表面上结晶，从而阻止了织物表面的蒸气通道被盐阻塞，同时实现了盐的有效收集。在1个太阳光照射下，实现了水蒸发速率为1.62kg m
‑2h
‑1，蒸发效率约为91.6％，显示出高效率和出色的稳定性。即使盐溶液浓度高达21％，盐也是在边缘结晶，实现了水/溶质的完全分离和高效盐收集。同时，mxene复合的3d蜂巢织物具有很高的柔性、可折叠性、机械性能以及出色的形状适应性和可扩展性，可以轻松满足便携性运输和储存的户外用途要求。
附图说明
25.图1为本发明所使用蜂巢织物负载mxene前后实物照片和扫描电子显微镜(sem)图像；
26.图2为本发明蜂巢织物基光热转换层的浸润性测试图像；
27.图3为本发明蜂巢织物和平纹织物负载mxene前后的光吸收性能对比测试结果图；
28.图4为本发明负载mxene后蜂巢织物和平纹织物后光热转换性能对比测试结果图；
29.图5为本发明蜂巢织物基光热转换层在干湿态的热导率测试结果图；
30.图6为本发明mxene改性蜂巢织物海水淡化蒸发器的热定位测试结果图；
31.图7为本发明mxene改性蜂巢织物海水淡化蒸发器在不同光强下的蒸发速率对比和蒸发前后离子浓度测试结果图；
32.图8为本发明mxene改性蜂巢织物海水淡化蒸发器的盐边缘沉积示意图；
33.图9为本发明mxene改性蜂巢织物海水淡化蒸发器的户外蒸发性能测试结果图；
34.图10为本发明mxene改性蜂巢织物海水淡化蒸发器的内部结构示意图。
具体实施方式
35.下面结合附图及具体实施例对本发明做详细说明。
36.实施例1
37.基于mxene改性蜂巢织物的海水淡化蒸发器，包括光热转换层1，设于光热转换层1下方的且与光热转化层1接触的可浮于水面2的隔热支撑层3，还包括一贯穿隔热支撑层3中心的且顶端紧密贴合光热转换层1中心位置的下端，底端插入水中的用于向光热转化层1导水后在光热转换层1周边形成盐汇集区4的导水件5。
38.所述的光热转换层1为mxene改性的蜂巢织物。
39.所述支撑隔热层3为聚苯乙烯泡沫，厚度为0.5cm。
40.所述导水件5为棉纤维组成的圆柱形棉棒，直径为1
‑
5mm，长度为1
‑
5cm。
41.基于mxene改性蜂巢织物的海水淡化蒸发器的制备方法，包括如下步骤：
42.(1)制备蜂巢织物：首先，织物结构设计图输入到织机的控制面板中；第二，将经纱线排列在织机上并按照工艺要求将整理好的经纱依次穿综、穿筘；第三，纬纱按工艺要求穿入经纱并开始进行编织过程；
43.(2)制备耐氧化的mxene溶液
44.将max相前驱体ti3c2t
x
粉末加入到hcl和lif的混合溶液中，在聚四氟乙烯烧杯中恒温搅拌反应，将反应溶液用去离子水多次离心至上清液的ph接近中性；然后将所得沉淀在去离子水中分散并超声，再次离心取上层上清液，即mxene溶液；将一定量的抗氧化剂加入到mxene溶液中充分搅拌溶解，得到具有耐氧化性的mxene溶液；抗氧化剂与mxene的重量比例为0.1:1到1:1；
45.(3)蜂巢织物的亲水改性和表面阳离子处理
46.利用氢氧化钠和碳酸钠水溶液对蜂巢织物进行预处理，去除织物表面的油渍和杂质，用蒸馏水清洗并干燥；然后利用表面等离子体设备对蜂巢织物进一步处理，进一步增加织物表面的活性基团；将多巴胺(da)和聚乙烯亚胺(pei)溶解在tris缓冲液中混合均匀，然后浸泡表面等离子体处理后的织物，通过去离子水反复清洗织物表面的聚多巴胺(pda)/聚乙烯亚胺沉淀物，干燥后得到pda/pei改性的表面呈阳离子特性的亲水织物；
47.(4)mxene改性蜂巢织物的制备
48.利用静电组装方法将mxene纳米片沉积在步骤(2)最终得到的织物表面，得到mxene改性的蜂巢织物；
49.(5)将mxene改性蜂巢织物紧密贴合在聚苯乙烯隔热泡沫上部，聚苯乙烯中间钻一个与导水件相同直径的孔洞，导水件从聚苯乙烯泡沫中间穿过，导水件底部插入水中，导水件上部与聚苯乙烯泡沫上表面平齐，位于蜂巢织物中心位置的下表面。
50.步骤(2)中所述的max的粒径为200目，温度为25℃，反应时间为12h，离心速率为1500rpm，所得到的mxene溶液的浓度为0.5mg/ml。
51.所述步骤(3)中氢氧化钠的浓度为5g/l，碳酸钠的浓度为3g/l，表面等离子体处理功率为300w，处理时间为0.5min，da和pei的重量比为2:1到1:2，每种成分的浓度为0.5mg/ml。
52.所述步骤(3)中的蜂巢织物的纱线为棉、麻、粘胶、羊毛、涤纶、锦纶、维纶、腈纶等纯纺纱或混纺纱，所述纱线的线密度为18tex，所述蜂巢织物的巢孔横向尺寸为1mm。
53.步骤(4)中静电组装方法为涂层法、抽滤法、浸渍法和喷涂法，mxene含量占织物原重量的1wt％。
54.实施例2
55.本实施例与实施例1相同部分不再赘述，其不同之处在于：所述支撑隔热层3为聚苯乙烯泡沫，厚度为2cm。
56.步骤(2)中所述的max的粒径为300目，温度为30℃，反应时间为18h，离心速率为3000rpm，所得到的mxene溶液的浓度为5mg/ml。
57.所述步骤(3)中氢氧化钠的浓度为10g/l，碳酸钠的浓度为8g/l，表面等离子体处理功率为700w，处理时间为3min，da和pei的重量比为2:1到1:2，每种成分的浓度为2mg/ml。
58.所述步骤(3)中的蜂巢织物的纱线为棉、麻、粘胶、羊毛、涤纶、锦纶、维纶、腈纶等纯纺纱或混纺纱，所述纱线的线密度为20tex，所述蜂巢织物的巢孔横向尺寸为3mm。
59.步骤(4)中静电组装方法为涂层法、抽滤法、浸渍法和喷涂法，mxene含量占织物原重量的8wt％。
60.实施例3
61.本实施例与实施例1相同部分不再赘述，其不同之处在于：所述支撑隔热层3为聚苯乙烯泡沫，厚度为3cm。
62.步骤(2)中所述的max的粒径为600目，温度为45℃，反应时间为30h，离心速率为8500rpm，所得到的mxene溶液的浓度为10mg/ml。
63.所述步骤(3)中氢氧化钠的浓度为20g/l，碳酸钠的浓度为10g/l，表面等离子体处理功率为1000w，处理时间为5min，da和pei的重量比为2:1到1:2，每种成分的浓度为3mg/ml。
64.所述步骤(3)中的蜂巢织物的纱线为棉、麻、粘胶、羊毛、涤纶、锦纶、维纶、腈纶等纯纺纱或混纺纱，所述纱线的线密度为30tex，所述蜂巢织物的巢孔横向尺寸为5mm。
65.步骤(4)中静电组装方法为涂层法、抽滤法、浸渍法和喷涂法，mxene含量占织物原重量的20wt％。
66.实施例4
67.本实施例与实施例1相同部分不再赘述，其不同之处在于：
68.mxene改性蜂巢织物基光热转换层的制备
69.(1)制备蜂巢织物：首先，织物结构设计图输入到织机的控制面板中。第二，将经纱线排列在织机上并按照工艺要求将整理好的经纱依次穿综、穿筘。第三，纬纱按工艺要求穿入经纱并开始进行编织过程。其中，纱线为棉纱线，所述棉纱线为棉含量在50％以上的纱线，32支。
70.(2)制备高质量的mxene溶液：取max材料，加入到hcl和lif的混合溶液中，在聚四氟乙烯烧瓶中恒温搅拌一定时间。刻蚀结束后将混合液多次离心至上清液的ph接近中性；然后将所得沉淀在去离子水中分散并超声后再次离心取上层的分散液，即mxene溶液。取一定体积的溶液在聚丙烯滤纸上抽滤，真空干燥后测量所得膜的重量，测定所得mxene溶液的浓度。其中，max的粒径为200
‑
600目，恒温是40℃，搅拌一定时间是20
‑
26小时，所述离心是指3500rpm每次离心5min，ph接近中心为6
‑
7，所得到的mxene溶液的浓度为4
‑
6mg/ml。
71.(3)蜂巢织物的亲水改性和表面阳离子预处理：将步骤(1)制备的蜂巢织物浸渍于
多巴胺(da)和聚乙烯亚胺(pei)的tris缓冲溶液中，浸渍反应24h，从而在织物表面形成聚多巴胺(pda)和聚乙烯亚胺(pei)的薄层，然后用去离子水清洗织物表面的pda/pei沉淀物，干燥后得到具有亲水和表面呈阳离子特性的改性织物。其中，tris缓冲液的ph为8.5，质量分数为1mol/l，da和pei的浓度分别为2mg/ml，干燥温度为40℃
‑
60℃，干燥时间为2
‑
4h.
72.(4)向预处理蜂巢织物表面涂覆mxene纳米片：将步骤(3)所述阳离子改性后的织物浸入步骤(2)所述的mxene分散液中，震荡浸泡，取出后在真空烘箱中干燥。以这种方式重复涂覆过程，即得所述光热转换织物。其中，震荡浸泡时间为0.5
‑
1h，干燥温度为40
‑
60℃，干燥时间为5
‑
8h。
73.图1为蜂巢织物的实物图像和扫描电子显微镜(sem)图像。对比处理前后可以观察到mxene纳米片彼此紧密重叠并形成连续的褶皱包覆在纤维表面，增加的纤维表面粗糙度和蜂巢织物凹陷结构协同作用，提高了织物的光吸收效率。
74.实施例5
75.本实施例与实施例1相同部分不再赘述，其不同之处在于：
76.蜂巢织物基海水淡化蒸发器的制备及性能
77.将mxene改性蜂巢织物光热转换层放在带小钻孔的聚苯乙烯泡沫隔热装置上部，下部用棉纤维棒与水连接，棉纤维棒棒横截面积与隔热装置横截面积比为1：30
‑
1：40之间，形成太阳能驱动的mxene改性蜂巢织物基光热转换蒸发器，
78.浸润性测试
79.空气中对水的接触角测试：将制作好的mxene改性蜂巢织物水平放置在接触角测量仪器上，取5μl水进行测量。上述制作的mxene改性蜂巢织物基光热转换材料对水的接触角测试及润湿过程测试见图2。蒸发器对水表现为超亲水性，水滴在蒸发器表面的整个浸润过程仅为7秒。
80.光吸收性能测试
81.将mxene改性蜂巢织物基光热转换材料裁剪2cm*2cm尺寸，利用uv
‑
vis
‑
nir紫外光谱仪测试波长为280
‑
2500nm范围内的光吸收性能。测试结果如图3所示。湿态下mxene改性蜂巢织物(m
‑
h
‑
fabric)呈现最低的透射率(≈0％)和反射率(≈4％)，吸光率接近96％，表现出优异的光吸收性。
82.光热转换性能测试：
83.将mxene改性蜂巢织物基光热转换材料裁剪2cm*2cm尺寸，利用模拟太阳光源进行光照实验，用红外热成像仪实时监测蒸发表面温度变化。测试结果如图4所示，mxene改性蜂巢织物的稳态温度高达86℃，具有卓越的光热转换性能。
84.热导率测试
85.将mxene改性蜂巢织物基光热转换材料裁剪3cm*3cm尺寸，通过将mxene改性蜂巢织物夹在两个1毫米厚的载玻片之间来测量，形成“三明治”结构。“三明治”放置在热源(加热台)和冷源(冰水浴)之间，使用红外热像仪监测沿夹层结构横截面的温度分布。测试结果如图5所示：计算得干态下其导热系数为0.0423w m
‑1k
‑1，湿态下其导热系数为0.429w m
‑1k
‑1。
86.热定位性能测试
87.将mxene改性3d蜂巢织物基光热转换材料与聚苯乙烯泡沫隔热体以及棉纤维导水
件集成的蒸发器，放置于烧杯中，利用氙灯模拟太阳光源进行光照实验，用红外热成像仪实时监测蒸发表面温度变化。测试结果如图6所示：当1个太阳入射光照射到漂浮在水上的蜂巢织物表面时，从厚度方向的侧面温度分布可以看出，顶部表面的温度从23℃增加到41℃，相比较而言，散装水的温度在30分钟内仅升高0.3℃。
88.蒸发性能测试
89.将mxene改性蜂巢织物基光热转换材料与聚苯乙烯泡沫隔热体以及棉纤维导水件集成的蒸汽产生器，放置于装有海水的烧杯中，利用模拟太阳光源进行光照实验，用电子天平实时监测水体蒸发质量变化。测试结果如图7所示，太阳光照强度从1增加至10个太阳光，在1，2、3、4、5、7、10个太阳下的蒸发速率分别为1.62，2.78、4.01、5.47、6.21、9.67、11.99kg m
‑2h
‑1。蒸发前后离子浓度检测表明，蒸发后的离子浓度远低于世界卫生组织(who)和美国环境保护署(epa)饮用水标准。
90.盐收集蒸发性能测试：
91.将mxene改性蜂巢织物基光热转换材料与聚苯乙烯泡沫隔热体以及棉纤维导水件集成的蒸汽产生器，放置于装有盐水的烧杯中，利用模拟太阳光源进行光照实验，在溶液盐浓度为21％，1个太阳光照射15小时后，盐积累情况如图8所示，白色盐晶体在织物的边缘积累，形成明显的盐环。上述盐粒只要轻轻敲打就可以从蒸发器上脱落下来，这就意味着在高浓度盐水的净化过程中，水和溶质的可以实现完全分离。
92.户外蒸发性能测试
93.在自然太阳光下，使用自制的蒸发器进行了室外水蒸发实验。用透明的亚克力板制作了一个斜屋顶的模型屋(30mm*30mm*20mm)，以实现水的蒸发和收集。测试结果如图9所示，蒸发器的水蒸发率明显与太阳光通量成正比，在太阳辐照强度达到峰值时，最大水蒸发率增加到0.99kg m
‑2h
‑1。从8:00
‑
17:00，我们的蒸发器产生的蒸汽高达6.9kg m
‑2，足以满足三个人的日常饮水消耗。
94.当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不局限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。