一种用于吸附式大气集水的复合吸湿材料及其制备方法和应用

本发明属于吸附式大气集水（awh）领域，具体涉及一种用于吸附式大气集水的复合吸湿材料。

背景技术：

1、实现大气集水的三大策略是从雾中直接集水、制冷机驱动的露水收集和使用吸附剂的吸附式集水。其中，雾水收集技术对于相对湿度（rh）要求较高，而露水收集技术在干旱气候条件下，要将环境温度的空气冷却到露点温度，需要消耗巨大的能源。近年来，太阳能驱动的吸附式大气集水技术因其经济、可持续而备受关注，为干旱地区的淡水短缺提供了一种经济高效的解决方案。

2、水凝胶具有吸收和储存其重量数倍的水的能力，而且水凝胶可以降低水的蒸发焓，具有非常高效的太阳能驱动水蒸发，但传统基于水凝胶的吸附式大气集水存在吸湿效率十分低下的问题，这是由于从水凝胶表面到其核心的吸水过程发生的非常缓慢。在水凝胶中掺入吸湿盐可以改善其吸湿效率，但吸湿盐与水凝胶通常是不相容的，吸湿盐容易在水凝胶表面聚集形成钝化层阻碍水的渗透。

技术实现思路

1、基于现有水凝胶-吸湿盐复合吸湿材料的不足，本发明提供一种改进的用于吸附式大气集水的复合吸湿材料，改进后的复合吸湿材料能显著提高吸湿效率。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种用于吸附式大气集水的复合吸湿材料，所述复合吸湿材料具有由海绵、聚乙烯吡咯烷酮和水凝胶形成的三维互穿网络的多孔结构，以及嵌入在所述三维互穿网络的多孔结构中的吸湿无机盐。

4、优选地，聚乙烯吡咯烷酮与水凝胶的质量比为1:2~1:12。

5、更优选地，聚乙烯吡咯烷酮与水凝胶的质量比为1:9~1:12。

6、优选地，水凝胶与海绵的质量体积比为0.1:1~0.5:1 g/cm3。

7、更优选地，水凝胶与海绵的质量体积比为0.15:1~0.25:1 g/cm3。

8、优选地，所述海绵为三聚氰胺海绵、聚氨酯海绵或聚乙烯醇海绵。

9、优选地，所述水凝胶为聚氨基酸-聚丙烯酸水凝胶。

10、优选地，所述聚氨基酸-聚丙烯酸水凝胶为聚天冬氨酸-聚丙烯酸水凝胶。

11、优选地，所述吸湿无机盐为licl、cacl2、li2so4、cucl2和mgso4中至少一种。

12、优选地，吸湿无机盐与水凝胶的质量比为1:2~1:6。

13、更优选地，吸湿无机盐与水凝胶的质量比为1:3。

14、上述复合吸湿材料的制备方法，包括：

15、（1）将吸湿无机盐、水凝胶单体、聚乙烯吡咯烷酮、交联剂和引发剂溶于水中，得到混合液；

16、（2）将海绵浸入混合液中，海绵在充分吸收混合液后，加热聚合反应，得到所述的复合吸湿材料。

17、优选地，所述水凝胶单体由聚氨基酸大分子单体和丙烯酸组成。

18、更优选地，聚氨基酸大分子单体为聚天冬氨酸。

19、更优选地，丙烯酸单体中和至中和度为60~70%后加入。

20、优选地，聚氨基酸大分子单体和丙烯酸的质量比为1:2~8。

21、更优选地，聚氨基酸大分子单体和丙烯酸的质量比为1:5

22、更优选地，聚乙烯吡咯烷酮与丙烯酸的用量比为1:2~1:10。

23、最优选地，聚乙烯吡咯烷酮与丙烯酸的用量比为1:8~10。

24、优选地，所述交联剂为n,n-亚甲基双丙烯酰胺，用量为水凝胶单体质量的0.1~0.5%。

25、优选地，所述引发剂为过硫酸钾，用量为水凝胶单体质量的1~5%。

26、优选地，聚合反应的温度为50~70℃，时间为0.5~3小时。

27、优选地，混合液中可加入0.5~2vt%的黑色染料。黑色染料可选用墨汁。

28、加入的黑色染料如墨汁在复合吸湿材料光照解吸水分时用于吸光，以期提高复合吸湿材料内部的温度，提升解吸速率。

29、通过调节步骤（1）混合液中水凝胶单体的浓度可以调控步骤（2）海绵中水凝胶的量，混合液中水凝胶单体的浓度可控制在0.1:1~0.5:1 g/ml。

30、上述的复合吸湿材料在太阳能驱动的吸附式大气集水中的应用。

31、海绵是一种具有3d多孔网络结构的材料，其3d多孔网络不仅能增大与水凝胶的接触面积并锁住液体，还可以给湿空气提供高的通量，有利于水蒸汽的凝集和存储，也能为吸湿无机盐、水凝胶和聚乙烯吡咯烷酮提供负载固定的空间。

32、聚乙烯吡咯烷酮（pvp）是一种两亲性和线型非离子聚合物，可以与各种树脂和电解质相容，具有一定的吸湿性。pvp极易溶于水，使得其吸水后虽能发生溶胀但不会形成凝胶，从而在三维互穿网络结构中能起到水分子快速传送的通道作用，使水分子能通过pvp分子链快速从水凝胶表面传送到内部核心。

33、与现有水凝胶-吸湿盐复合吸湿材料相比，本发明对该复合吸湿材料的结构进行改进，在结构中引入海绵和聚乙烯吡咯烷酮，使水凝胶、聚乙烯吡咯烷酮及海绵骨架相互交织形成三维互穿的网络结构，吸湿无机盐则嵌入到三维互穿的网络结构中，在该结构中，水凝胶和吸湿无机盐作为吸湿主体，海绵主要作为提供多孔结构的骨架提高水凝胶与空气的接触表面，聚乙烯吡咯烷酮主要作为快速传递水分子的链路将水凝胶表层的水分快速扩散进入内层，从而显著提高复合吸湿材料在大气集水中的吸湿效率，具有成本低廉、制备过程简单、性能优异的特点。

技术特征：

1.一种用于吸附式大气集水的复合吸湿材料，所述复合吸湿材料具有由海绵、聚乙烯吡咯烷酮和水凝胶形成的三维互穿网络的多孔结构，以及嵌入在所述三维互穿网络的多孔结构中的吸湿无机盐；

2.根据权利要求1所述的复合吸湿材料，其特征在于：所述海绵为三聚氰胺海绵、聚氨酯海绵或聚乙烯醇海绵。

3.根据权利要求1所述的复合吸湿材料，其特征在于：所述水凝胶为聚氨基酸-聚丙烯酸水凝胶。

4.根据权利要求3所述的复合吸湿材料，其特征在于：所述聚氨基酸-聚丙烯酸水凝胶为聚天冬氨酸-聚丙烯酸水凝胶。

5.根据权利要求1所述的复合吸湿材料，其特征在于：所述吸湿无机盐为licl、cacl2、li2so4、cucl2和mgso4中至少一种；

6.权利要求1-5所述的复合吸湿材料的制备方法，包括：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述水凝胶单体由聚氨基酸大分子单体和丙烯酸组成；

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述交联剂为n,n-亚甲基双丙烯酰胺，优选地，交联剂用量为水凝胶单体质量的0.1~0.5%；

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：聚合反应的温度为50~70℃，时间为0.5~3小时。

10.权利要求1-5所述的复合吸湿材料在太阳能驱动的吸附式大气集水中的应用。

技术总结
本发明公开了一种用于吸附式大气集水的复合吸湿材料，所述复合吸湿材料具有由海绵、聚乙烯吡咯烷酮和水凝胶形成的三维互穿网络的多孔结构，以及嵌入在所述三维互穿网络的多孔结构中的吸湿无机盐。与现有水凝胶‑吸湿盐复合吸湿材料相比，本发明的复合吸湿材料利用海绵作为多孔骨架提高水凝胶与空气的接触表面，利用聚乙烯吡咯烷酮作为水分子传递链路将水凝胶表层的水快速扩散进入内层，从而显著提高复合吸湿材料大气集水的吸湿效率。

技术研发人员：马国富,桑武堂,王向兵,刘蓓,崔淑珍,彭辉
受保护的技术使用者：西北师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12