[發(fā)明專利]一種三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的石墨烯基水凝膠的制備方法及其光熱脫鹽水處理應用

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• 申請日: 2020-03-16
• 公開（公告）號: CN111346576A
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發(fā)明（設計）人: 王威;劉東青;張敬敬;許穎;宋澄杰;左金龍
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業(yè)大學
• 主分類號: B01J13/00
• 分類號: B01J13/00;C02F1/04;C02F103/08
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

一種三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的石墨烯基水凝膠的制備方法及其光熱脫鹽水處理應用，屬于淡水純化、海水淡化及高鹽濃水脫鹽深度處理技術領域。所述方法為：將濃度為10mg/mL的氧化石墨烯溶液超聲分散于去離子水中，配置分散均勻且無絮狀的氧化石墨烯溶液；向超聲分散均勻的氧化石墨烯溶液中加入三(羥甲基)氨基甲烷鹽酸鹽，攪拌溶解，三(羥甲基)氨基甲烷鹽酸鹽保持溶液pH顯弱酸性；加入鹽酸多巴胺，攪拌溶解；將上述混合均勻的溶液于高溫下進行水熱反應，再經(jīng)后處理得到聚多巴胺功能化的石墨烯基水凝膠。本發(fā)明通過一步法制備的石墨烯基水凝膠，制備方法簡單、原材料來源廣泛、易于操作、成本低、周期短、能耗低以及可重復性高。

技術領域

本發(fā)明屬于淡水純化、海水淡化及高鹽濃水脫鹽深度處理技術領域，具體涉及一種三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的石墨烯基水凝膠的制備方法及其光熱脫鹽水處理應用。

背景技術

隨著社會的不斷發(fā)展、人口的迅速增長以及環(huán)境的日益惡化，許多地區(qū)面臨著淡水資源匱乏的問題。由于海水資源約占全球水資源的97％，故海水淡化是解決淡水資源短缺的一種高效且前景可觀的途徑。目前海水淡化技術主要有低溫多效、多級閃蒸、太陽能蒸餾、反滲透、微超濾、電滲析等，利用太陽能蒸餾技術進行海水淡化不僅可以提供淡水還能節(jié)省能耗、降低成本、無濾膜污染現(xiàn)象。提高光熱蒸餾效率，是推動太陽能蒸餾技術發(fā)展的關鍵。工業(yè)廢水的深度處理產(chǎn)生了大量的高鹽濃水，由于其含鹽量高，普通的生物法和膜工藝進行脫鹽處理時難度較大，實際應用中通常采用蒸發(fā)塘對其脫鹽結(jié)晶，但受自然蒸發(fā)效率低等因素限制，延長了處理周期，通過借助高效的光熱轉(zhuǎn)化材料可有效提高淡水純化以及高鹽濃水的脫鹽處理的蒸發(fā)效率。

石墨烯是一種由sp2雜化的碳原子以六邊形為基本結(jié)構(gòu)單元，陣列形成二維蜂窩狀的碳質(zhì)新材料，具有比表面積大、導熱性好、硬度大、電子遷移率高和化學穩(wěn)定性強等特性。因此，其在各個領域都有較大的應用前景，被科研者廣泛研究。氧化石墨烯通常是由石墨經(jīng)化學氧化、超聲剝離制備獲得。在水處理領域的應用中，氧化石墨烯擁有大量的羥基、羧基、環(huán)氧基等含氧基團，是一種親水性物質(zhì)，且其與許多溶劑有著較好的相容性和分散性。含氧活性基團的引入，使氧化石墨烯材料在可見和近紅外區(qū)域具有突出的光響應性，其復合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的光吸收性能，可作為一種光熱材料應用于水處理。

水凝膠是一種獨特的聚合物材料，以水為分散介質(zhì)，受水分子膨脹而形成的三維交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。石墨烯基水凝膠獨特的三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，降低了凝膠中水分子的蒸發(fā)潛熱，從而提高了水的蒸發(fā)效率。在水凝膠網(wǎng)絡中主要存在三種形態(tài)的水分子，即結(jié)合態(tài)、中間態(tài)和自由態(tài)。其中結(jié)合態(tài)水是水分子通過氫鍵、范德華力等作用與聚合物網(wǎng)絡結(jié)合，自由態(tài)水則是水分子之間通過氫鍵連接，兩者都具有較高的表面張力，而中間態(tài)水則處于結(jié)合態(tài)和自由態(tài)中間的一種形態(tài)，其分子間氫鍵被破壞，表面張力減弱。在蒸發(fā)過程中，受光能激發(fā)，中間態(tài)水分子被活化，擺脫凝膠分子網(wǎng)絡的束縛，在低能量狀態(tài)下，從三維體系中脫離出來，從而提高水的蒸發(fā)效率。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的光熱轉(zhuǎn)換材料光熱蒸餾效率不高的問題，提供一種三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的石墨烯基水凝膠的制備方法及其光熱脫鹽水處理應用。該方法在弱酸性條件下，將氧化石墨烯與多巴胺均勻分散混合，并將混合液于高溫水熱反應9～24h制得。本發(fā)明以多巴胺為還原劑，通過一步法制備聚多巴胺表面功能化修飾的石墨烯基水凝膠。合成過程中，多巴胺自發(fā)聚合形成聚多巴胺長鏈，而氧化石墨烯納米片層組裝成具有大量相互連接孔隙的三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，并作為支撐平臺來錨定功能分子。在弱酸條件下，多巴胺的還原性減弱，從而使形成的石墨烯基水凝膠具有更有序的三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術方案如下：

一種三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的石墨烯基水凝膠的制備方法，所述方法步驟如下：

步驟一：將濃度為10mg/mL的氧化石墨烯溶液超聲分散于去離子水中，配置分散均勻且無絮狀的氧化石墨烯溶液；