一种立体绒圈编织物及其制备方法与应用

本发明属于海水淡化，尤其涉及一种立体绒圈编织物及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着全球人口增长和环境污染的压力不断升级，水资源的短缺和污染已成为严重问题。而海水资源传统的解决方法如：膜蒸馏、反渗析、电渗析等已被应用于缓解淡水危机。然而，其巨大的能量消耗和复杂的设备限制了他们的应用。近年来，绿色、廉价、高效的界面光热水蒸发技术在海水淡化和净化方面进行了广泛研究。海水通过供水材料运输到蒸发器界面，光热转换材料将清洁免费的光能转换成热能集中用于海水淡化，过程中无需提供额外的能量供给。然而，光热水蒸发技术在高盐度海水中的可用性及长时间运转下海水淡化的稳定性是个棘手的问题。随着运行时间的增加，盐分在光热材料或者输水材料上的积累会削弱蒸发速率以及污染蒸发器。因此，提升拒盐耐用性和稳定性成为光热水蒸发系统的核心攻关难点。

2、目前，传统的海水淡化技术由于其复杂的结构、较高的能耗以及便携性差等因素，无法满足现代社会的要求。而光热界面水蒸发技术只利用太阳能作为清洁能源，将光能转换为热能为海水蒸发供能，不需要额外的消耗石油、天然气等不可再生能源。但是，大多数界面光热水蒸发器件无法在高浓度盐水中保持长期的运行稳定性，盐结晶会沉积在输水通道或凝结在蒸发器上影响系统整体的蒸发效率。拒盐方案可以分为外力驱动和自驱动两种。外力驱动拒盐方案例如水洗和定向盐排放需要人工消除或收集盐粒以保持清洁；而自驱动拒盐可以确保系统运转的稳定性和连续性。自驱动拒盐主要依靠亲水平流扩散实现的，而在高盐度海水淡化中，依靠材料亲水性的盐水平流扩散是有限的，因此进一步优化水分循环流通是保障光热水蒸发技术拒盐的关键技术。

3、发明专利cn 114314993 a公开了一种基于资源循环利用的海水淡化除盐设备的制作方法和应用。通过在海岸边设置坝体，并将海水淡化除盐用的加热箱设置在坝体的一侧，在坝体朝向海水的一侧设置挡板，通过海浪的冲击力能间歇性冲击挡板，通过挡板的往复运动则能带动加热箱内的抖动机构运动，从而达到除盐效果，但该方法除盐效率提高并不显著且系统结构过于复杂，成本过高。

4、发明专利cn 116949808 a公开了一种janus纳米纤维膜及其制备方法和应用。首先通过制备超疏水聚砜类纳米纤维膜，再进行超薄光热转换层，然后进行紫外光交联改性，最后制得基于聚砜类janus纳米纤维膜。这种同时具有亲水/疏水双层结构的光热吸收膜层虽在一定程度上可以缓解盐析效应，但其制作工艺复杂、难以高效的批量化生产及成本过高等限制了其在工业上的应用。

5、发明专利cn 113772771 a公开了一种管状流动无盐结晶光热海水淡化装置及其制备方法。该成果除了提供海水淡化装置外，还可利用其液面势能，通过引导液体的流动，经过光热层蒸发，在液体蒸发至饱满饱和浓度前就被排除，在光热转换层和输水层中达到杜绝盐结晶的目的，增强了装置的耐盐性。但该设备精密要求高、蒸发效率低、且无法规模化生产。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种立体绒圈编织物及其制备方法与应用，该具有水分诱导(高浓度海水的亲水平流-扩散、空气集水提供淡水循环)自发驱动盐稀释功能的立体绒圈编织物(ibff)以天丝等亲水性基材作为输水材料，首先在亲水性基材表面附着亲水性氯盐，使复合纱线具有环境水分捕获能力；随后在表面原位聚合拥有出色光热转换效率的聚合物进行加固。制备的复合纱线具有光热转换、水分供给、空气集水等性能。然后以具有出色机械性能的碳纤维等支撑纤维作为芯层纱线，为整个复合绒圈纱线提供力学支撑，并在外部包裹复合纱线以实现水循环和蒸发。

2、本发明的第一个目的是提供一种立体绒圈编织物的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、将亲水性基材浸渍于氯盐溶液中，经干燥得到改性亲水性基材；所述亲水性基材选自天丝、棉、醋酸纤维和羊毛中的一种或多种；

4、s2、将s1所述的改性亲水性基材浸渍于表面活性剂溶液中进行预处理，得到预处理亲水性基材；

5、s3、将s1所述的预处理亲水性基材浸渍于氧化剂溶液中10min-30min，然后加入单体进行原位聚合，经干燥得到复合纱线；所述单体选自吡咯、多巴胺和苯胺中的一种或多种；

6、s4、通过编织机将s3所述的复合纱线编织在支撑纤维上，得到复合绒圈纱线；其中，支撑纤维相互交错编织形成编织结构，每根复合纱线的一部分在支撑纤维编织作用力下被嵌入编织结构内部，另一部分则由于应力松弛而在编织结构外层堆积形成绒圈结构；所述支撑纤维选自碳纤维、聚苯二甲酰对苯二胺纤维、石墨纤维和碳化硅纤维中的一种或多种；

7、s5、通过编织机对s4所述的复合绒圈纱线进行编织，得到立体绒圈编织物。

8、优选地，在s1中，所述亲水性基材选自天丝，天丝纱线表现出紧凑的簇状结构，具有丰富的纤维裂纹和纤维间间隙，可以用于水循环。

9、在本发明的一个实施例中，在s1中，所述氯盐选自氯化锂、氯化钙和氯化钾中的一种或多种，亲水性氯盐可捕获雾水稀释盐分；优选为氯化锂；所述氯盐溶液的浓度为5wt％-10wt％，例如可以为5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％、10wt％。氯盐溶液的浓度越高吸湿效果越好，但是当氯盐溶液的浓度持续上升时，吸湿效果会达到饱和，过多的氯盐负载会堵塞纱线孔径。

10、在本发明的一个实施例中，在s1中，所述干燥是60-80℃烘干60-90min。

11、在本发明的一个实施例中，在s2中，所述表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠和/或十二烷基硫酸钠；所述表面活性剂溶液的浓度为0.5wt％-2wt％。

12、在本发明的一个实施例中，在s3中，所述氧化剂选自三氯化铁、过硫酸铵、过硫酸钠和过硫酸钾中的一种或多种；所述氧化剂溶液的浓度为0.12mol/l-0.24mol/l。

13、在本发明的一个实施例中，在s3中，所述单体的浓度为0.08mol/l-0.16mol/l，例如可以为0.08mol/l、0.09mol/l、0.10mol/l、0.11mol/l、0.12mol/l、0.13mol/l、0.14mol/l、0.15mol/l、0.16mol/l。单体溶液的浓度越高，光热效果越好。但是过多的单体会在聚合的时候出现团聚、堵塞或浪费等问题。

14、在本发明的一个实施例中，在s3中，所述干燥是60-80℃烘干60-90min。

15、在本发明的一个实施例中，在s4中，编织过程中支撑纤维的数量为12根-20根，例如可以为12根、13根、14根、15根、16根、17根、18根、19根、20根；复合纱线的数量为1根-10根，例如可以为1根、2根、3根、4根、5根、6根、7根、8根、9根、10根。

16、在本发明的一个实施例中，在s4中，所述复合绒圈纱线的绒圈密度为0.8g/cm3-1.6g/cm3，例如可以为0.8g/cm3、0.9g/cm3、1.0g/cm3、1.1g/cm3、1.2g/cm3、1.3g/cm3、1.4g/cm3、1.5g/cm3、1.6g/cm3；绒圈密度影响了供水纱线的数量和孔道的分布，密度越大供水基材含量越大，孔隙越丰富细密，水分传输供给变快。对于蒸发而言，则需要调控适量的供水以保证的能量利用效率。绒圈高度为1mm-5mm，例如可以为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm。绒圈高度增大了比表面积，提供了雾气捕获凝结的活性位点。由于绒圈分布的体积密度的限制，当绒圈高度达到峰值后，吸湿性能会达到饱和，若进一步提升绒圈高度则会导致器件机械稳定性变差。

17、在本发明的一个实施例中，在s4中的复合绒圈纱线的制备过程和在s5中的立体绒圈编织物的制备一体成型，编织过程中的喂入张力为10cn-50cn，编织速度为20r/min-40r/min，卷绕速度为1m/min-3m/min。

18、本发明的第二个目的是提供一种所述的方法制备的立体绒圈编织物。

19、本发明的第三个目的是提供一种所述的立体绒圈编织物在海水淡化中的应用。

20、本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：

21、(1)本发明所述的立体绒圈编织物在界面光热水蒸发系统中，可以将海水输送到具有光热转换效率的聚合物进行海水淡化。在一个太阳辐射(1sun)下，蒸发率高达3.11kg/(m2h)。具有空气集水能力的氯盐颗粒可在夜间实现雾气收集，用于消除白天光热蒸发产水时盐分在蒸发器上的沉积。在夜间环境水捕获过程中氯盐首先通过水离子氢键与环境水形成固体水合物，固体水合物经历相变以形成具有进一步吸湿性的固液相。随后，固液水合物完成相变并转变为饱和液体溶液。水滴的大小通过水分子间的相互作用而提高。输水通道微米大小的孔隙缩短了水的扩散路径并有利于快速的内部水循环。亲水性立体绒圈编织物(ibff)网络起到蓄水池的作用，吸收的水最终在重力作用下储存并将白天在蒸发系统中形成的盐结晶冲刷干净。在高盐度海水淡化过程中，ibff经过一夜的湿度引起的盐分稀释后，会变得清洁完好。在20wt％的盐水中进行周期循环淡化时，每天的淡水生产质量达到9kg/m2。

22、(2)本发明所述的立体绒圈编织物在界面光热水蒸发系统中，白天将大量海水供应给蒸发器表面，通过光热转换效应进行脱盐和净化。夜间海水淡化后积累的盐结晶通过亲水平流扩散和空气集水提供的湿气稀释，出色的供水通量(4.34kg/m2)和优化的孔隙通道分布确保了稳定高效的海水循环补给。夜间从空气中捕获的雾气收集量约为2.6kg/m2，额外的雾水补给可以缓解由于盐颗粒沉积堵塞通道和循环海水的浓度过高导致的局限性。经过彻夜自驱动的由海水循环和雾水补给诱导的盐分稀释和溶解后，立体绒圈编织物(ibff)蒸发器在第二天变得清洁完好，可直接用于次日日间的海水淡化，展现了其在高盐度海水淡化的出色稳定性、连续性和实用性。