PAM-PDA-PEG 改性气凝胶的光热转换性能研究

孙志强, 周建华,2, 苗 蕾,2

(1.桂林电子科技大学 材料科学与工程学院,广西 桂林 541004;2.桂林电子科技大学 广西信息材料重点实验室,广西 桂林 541004)

人类社会的快速发展导致了地球资源的快速消耗以及环境污染日益加剧,其中水资源短缺及水污染现象尤为严重,影响着人们的生存和可持续性健康发展。传统的处理方法包括物理吸附、电化学沉积、膜分离等,具有设备安装和运行成本高、能耗高以及易产生二次污染等问题,限制了这些技术的大规模使用,也难以满足持续性发展的要求。而以太阳能蒸汽技术为基础,通过太阳能光热转换材料吸收太阳能加热液态水,使之快速蒸发,并通过冷凝装置获得干净的淡水,实现海水淡化、污水处理[1-4]。太阳能蒸汽技术对材料和设备都没有太高的要求,相比于传统的海水淡化和水处理技术,成本低廉,而且不需要消耗化石能源、化学药品,对环境友好,已成为最具发展潜力的海水淡化和水处理技术之一[5-8]。但在材料合成和应用层面存在制备工艺复杂和稳定性差的问题,限制了系统的长期高效运行[9-12]。因此,研究具有高性能、稳定的太阳能蒸发器具有十分重要的意义。

相对于水凝胶而言,气凝胶具有高孔隙率和低热导率的优点,从而能够实现高效稳定的太阳能水蒸发。但在实际应用中气凝胶出现机械性能差、亲水性不佳的缺点,限制了其大规模使用[13-14]。因此,本研究利用聚乙二醇和聚多巴胺对聚丙烯酰胺进行改性,提高机械性能的同时还增强了亲水性[15-18]。经过冷冻干燥法制备的改性气凝胶具有良好的通道,可以在蒸发时将水稳定输送到蒸发界面。此外,大量亲水基团的加入使得改性气凝胶具有良好的水化能力,这是形成中间水的基础。由于中间水在蒸发时所需要的能量更低,所以能够有效提高蒸发速率[19-20]。

1 材料制备和表征测试

1.1 PAM-PDA-PEG改性气凝胶的制备

PDA的制备:取0.2 g盐酸多巴胺和0.12 g三(羟甲基)氨基甲烷加入到100 mL去离子水中,并用NaOH 调 节p H 至8.5,然 后 搅 拌24 h 得 到PDA。

PAM-PDA-PEG(PG-PAM)改性气凝胶的制备:取10 mL 制备的PDA 溶液并向其中加入0.2 m L PEG,搅拌10 min后再向其中加入0.1 mL多壁碳纳米管分散液。然后依次加入2 g丙烯酰胺、0.2 g N,N'-亚甲基-双丙烯酰胺、0.2 g 亚硫酸氢钠和0.02 g过硫酸铵,搅拌1 min后倒入模具。最后将模具放入冷冻干燥机中,在-40℃下冷冻2 h再真空干燥20 h,得到PAM-PDA-PEG改性气凝胶。

1.2 PAM-PDA-PEG改性气凝胶的表征

PAM-PDA-PEG的表面形貌通过SEM 进行观察,利用FTIR分析了PAM-PDA-PEG的化学组成,其吸光性能由UV-Vis-NIR测试,通过水接触者表征了PAM-PDA-PEG的亲水性,利用电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)测量蒸发液的离子浓度,通过Raman分析了气凝胶内部水的组成。

1.3 太阳能光热转换性能测试

将容器放在电子天平上,容器内盛有水,上方被聚乙烯泡沫覆盖。聚乙烯泡沫中间有一小孔,气凝胶上端插入空中,下端接触到水。然后使用氙灯照射模拟太阳光,电子天平另一端连接电脑,容器的质量变化通过电子天平输出到电脑上。实验温度被控制在25℃±1℃,湿度为50%±2%。

2 结果分析与讨论

2.1 SEM

图1为PAM-PDA-PEG 改性气凝胶的SEM 图片。从图中可以看出气凝胶内部具有良好的孔洞结构,可以保证水在气凝胶内部稳定的输送。PEG 的加入使得单体丙烯酰胺可以很好地分散在溶液内,经过低温冷冻时,单体聚合形成的网格状将逐渐形成的冰晶包围在其中,接着真空干燥时,冰晶升华,从而在聚合物中留下均匀的孔洞结构。

图1 PAM-PDA-PEG的SEM 图

2.2 FTIR和UV-vis-NIR

图2为两种气凝胶的红外光谱图。由于聚丙烯酰胺上含有大量的氨基和羰基,所以从图2中可以看出,在3 190 cm-1处是N—H 的拉伸振动峰,在1 678 cm-1的峰是由C=O 的拉伸振动引起的。由于PDA的加入不仅加强了氨基峰,还带来了许多的羟基基团,PAM-PDA-PEG 上3 415 cm-1的峰便是由O—H的拉伸振动引起。大量亲水基团的引入不仅提升了改性气凝胶的亲水性,也能促进中间水的生成。

图2 PAM-PDA-PEG的FTIR光谱

图3是2种气凝胶的紫外吸收光谱,它是通过计算得到,式中:A为吸光率;R为反射率;T为透过率[21-22]。由于PAM 的透过率比较高,所以导致了其实际吸光率比较低。而PAM-PDA-PEG的透过率接近于零,并且多壁碳纳米管的加入使得其吸光率有效提升到了95%。

图3 PAM-PDA-PEG的UV-vis-NIR吸收光谱

2.3 水接触角

图4是两种不同样品的水接触角图片,样品的亲水性可以通过水接触角更直观的展现出来。如图4(a)所示,PAM 的接触角为36.33°,说明PAM 本身亲水性良好。而大量亲水基团的加入进一步改善了样品的亲水性,如图4(b)所示,PAM-PDA-PEG 的接触角为12.59°,说明其毛细作用得到加强,更加有利于水分的输送。

图4 不同样品的接触角图片

2.4 Raman

图5是PG-PAM 的蒸发焓分析。通过拉曼光谱分析了PAM-PDA-PEG内水分的组成,如图5(a)所示,在3 123 cm-1和3 258 cm-1处的两个峰是自由水的O—H 伸缩峰,而3 412 cm-1和3 601 cm-1处的O—H 伸缩峰代表的是具有弱氢键的中间水。通过对中间水和自由水的峰面积积分对比,得到PAMPDA-PEG中的中间水与自由水之比为1.37。进一步根据公式

计算了不同样品的蒸发焓,式中:Eequ为样品的等效蒸发焓;Uin为相同输入功率;E0为水的蒸发焓;m0为水的质量变化;mg为装置的质量变化[23]。如图5(b)所示,PAM 的蒸发焓为1 806 J·g-1,而PAMPDA-PEG内由于含有许多的中间水,降低了蒸发所需要的能量,所以它的蒸发焓为1 508 J·g-1,远远低于水的蒸发焓2 460 J·g-1,因此相同条件下更有利于提高蒸发速率。

图5 蒸发焓分析

2.5 蒸发性能测试

图6是样品的水蒸发性能研究。不同样品的蒸发性能如图6(a)所示,在1 kW·m-2光照强度下,可以根据曲线斜率计算出PAM 的蒸发速率为1.51 kg·m-2·h-1。由于PAM-PDA-PEG 的亲水性和吸光率都比PAM 高,且还含有许多中间水,所以PAMPDA-PEG的蒸发速率达到了2.40 kg·m-2·h-1,是纯水蒸发速率(0.48 kg·m-2·h-1)的5倍。进一步的测量了PAM-PDA-PEG在不同的光照强度下的蒸发速率,如图6(b)所示,即便是在0.5 k W·m-2光照强度下,蒸发速率仍然有1.68 kg·m-2·h-1。随着光照强度的增强,蒸发速率也随之提升。当光照强度为3 kW·m-2时,蒸发速率达到了5.41 kg·m-2·h-1。

图6 水蒸发性能研究

2.6 脱盐分析

图7是PAM-PDA-PEG的脱盐性能研究。如图7(a)所示,PAM-PDA-PEG 在不同浓度盐水测试下的蒸发速率也有所不同。当盐水浓度为3.5%时,蒸发速率为2.22 kg·m-2·h-1。由于拥有良好的水输送通道将水运输到蒸发表面,所以即便是在20%的高浓度盐水测试下,PAM-PDA-PEG 的蒸发速率仍然达到1.92 kg·m-2·h-1。进一步使用浓度为1 000 mg/L的不同离子溶液进行蒸发实验,测量了PAMPDA-PEG蒸发后的水质,结果如图7(b)所示,所有离子都去除了99%以上,其中钙离子浓度低于最低检测值,水的质量明显优于世界卫生组织的安全饮用水标准。

图7 PAM-PDA-PEG的脱盐性能研究

2.7 应用研究

PAM-PDA-PEG的实际应用能力对其大规模拓展至关重要,图8为PAM-PDA-PEG 的应用研究。通过对模拟有机污染物的去除来证明PAM-PDAPEG的净化能力,如图8(a)所示,甲基橙和罗丹明B水溶液(50 mg/L)的吸收峰比较明显。接着用两种水溶液进行蒸发实验,将蒸发后的冷凝液通过UVvis-NIR进行检测。结果显示两种污水净化后的吸光度接近于零,表明水中的污染物得到有效去除。此外还通过户外实验验证了PAM-PDA-PEG的实际水蒸发能力。如图8(b)所示,气凝胶在户外实际蒸发速率受光照强度变化的影响产生波动,蒸发速率随着光照强度的增加而提升,最高实际蒸发速率达到1.69 kg·m-2·h-1。经计算,户外实验一天平均的蒸发速率为1.09 kg·m-2·h-1。这说明PAM-PDAPEG在户外拥有良好的蒸发性能。

图8 PAM-PDA-PEG的应用研究

3 结束语

以聚丙烯酰胺基底,通过冷冻干燥法制备了PAM-PDA-PEG改性气凝胶,其具有良好的亲水性和吸光性,规则的多孔结构保证了水分的稳定输送。此外,PAM-PDA-PEG内还含有大量的中间水,有效地降低了蒸发所需要的能量,因此它的蒸发焓为1 508 J·g-1。蒸发性能测试结果表明,PAM-PDAPEG的蒸发速率达到了2.40 kg·m-2·h-1,并且在不同光照强度和盐浓度下都具有稳定的蒸发速率。通过对蒸发后的冷凝液检测,证明了PAM-PDAPEG可以有效降低水中的离子浓度和去除污染物。最后将PAM-PDA-PEG放至户外实验验证其实际的应用能力,受光照强度的影响蒸发速率和实验值相比有一定的差距,蒸发器在复杂环境中的稳定性需要进一步提升。