纤维素 | 聚乙烯醇-纳米纤维素晶体复合水凝胶界面蒸发器及其制备方法和应用

文摘 2024-12-09 10:35 山西

一、引言

在全球淡水资源短缺与能源危机加剧的严峻态势下，开发高效、环保的淡水生产技术迫在眉睫。太阳能界面蒸发技术作为一种极具潜力的解决方案备受瞩目，而界面蒸发器材料的创新是提升其性能的核心要素。纳米纤维素凭借独特的理化性质，在该领域展现出巨大的应用价值，尤其是在构建高性能的聚乙烯醇复合水凝胶界面蒸发器方面发挥关键作用，为解决水资源难题带来新曙光。

二、纳米纤维素在界面蒸发中的核心优势

（一）丰富的羟基赋予强氢键作用

纳米纤维素晶体（CNC）富含大量羟基，这一特性使其能够与众多分子形成稳定且多样的氢键网络。在复合水凝胶体系中，这些氢键强化了材料内部的相互作用。

一方面，它紧密连接纳米纤维素与聚乙烯醇（PVA）等聚合物分子链，有效提升复合水凝胶的机械稳定性，使其在长期复杂的蒸发环境中保持结构完整，避免因水流冲击、温度变化等因素导致的材料破损，保障蒸发器的使用寿命与可靠性。

另一方面，氢键作用优化了水凝胶的微观结构，为水分子的吸附、传输与脱附创造有利条件，恰似精心设计的微观输水管道网络，极大地增强了水凝胶对水分的操控能力，提升水分传输效率，为高效界面蒸发奠定坚实基础。

（二）优异的物理增强与流变调节效能

作为一种天然的纳米级增强剂，纳米纤维素可显著改善复合水凝胶的物理性能。

在机械性能提升上，CNC 均匀分散于水凝胶网络中，凭借其纳米尺度的刚性结构有效抵御外部应力，增强材料的抗压、抗拉伸强度，防止水凝胶在高含盐量海水或复杂成分废水的侵蚀下变形、坍塌，确保蒸发器稳定运行。

于流变学特性调节而言，纳米纤维素精准调控水凝胶的黏度与流动性，依据实际蒸发需求优化其流变行为。在蒸发器工作初始阶段，适度降低黏度助力水凝胶快速均匀吸水膨胀，充分浸润待处理水体；随着蒸发进程推进，巧妙增加黏度防止水分过快流失与盐分积累，维持稳定的蒸发速率，保障蒸发器在动态变化的工作环境中始终保持高效性能。

三、聚乙烯醇 - 纳米纤维素晶体复合水凝胶界面蒸发器特性

（一）卓越的多功能综合性能

1. 机械强度高

以 PVA 构建化学交联网络提供基础强度支撑，CNC 作为物理交联位点协同增强，二者紧密配合，赋予复合水凝胶出色的机械性能。能承受海水波动、水流冲刷及装置安装搬运等复杂工况考验，避免因机械损伤致使蒸发器失效，有力保障设备长期稳定运行。

2. 宽光谱吸收性能

通过引入还原氧化石墨烯（rGO）作为光吸收材料，复合水凝胶实现了在 250 - 2500nm 宽光谱范围内的高效吸收，平均光吸收率高达 95%以上。在全波段太阳光辐射下，rGO 像敏锐的能量捕捉天线，高效捕获光子能量并迅速转化为热能，为水分子蒸发提供充足动力，显著提升蒸发效率，无论在晴朗烈日或多云天气条件下，均能维持稳定高效的能量转换与蒸发性能。

3. 抗盐抗酸碱

在海水淡化与废水净化应用场景中，复合水凝胶展现强大的抗干扰能力。面对高浓度海水（如 3.5% - 20%含盐量），其结构稳定、性能可靠，有效阻止盐分侵蚀与结晶破坏，确保长期淡化效率；处理不同酸碱性质废水（pH 范围 2 - 12）时，凭借 PVA、CNC 及特定交联结构的协同缓冲保护机制，维持化学稳定性与功能完整性，保障净化效果持久稳定，极大拓宽了蒸发器的适用范围。

（二）高效稳定的蒸发性能

1. 海水淡化速度稳定

实验数据表明，在模拟太阳光强 1kW·m⁻²照射下，聚乙烯醇 - 纳米纤维素晶体复合水凝胶界面蒸发器对不同浓度海水均呈现稳定高效的淡化速率。如对 3.5%海水模拟溶液，淡化速率可达 1.62kg·m⁻²·h⁻¹以上，且连续运行，速率波动控制在 ±5% 以内。其高效源于复合水凝胶巧妙的微观结构优化：CNC 促进水分有序传输，PVA 维持网络稳定，rGO 强化能量供应，三者协同使水分子快速挣脱液态束缚转化为气态，实现高效淡化；稳定则归因于材料出色的抗盐性能与结构耐久性，有效抵御海水复杂成分干扰，确保长期稳定淡化产出优质淡水。

2. 废水净化高效持久

针对制浆废液等多种复杂废水，即便废液浓度提升数倍（如浓缩至原浓度 4 倍），蒸发器净化效率依旧卓越。BOD、COD 去除率高达 99.9%，持续运行多批次后净化效果无明显衰减。这得益于复合水凝胶的选择性吸附与光热驱动协同作用：其丰富的活性位点精准捕捉废水中有机污染物与杂质微粒，同时光热效应加速水分子蒸发逸出，实现水与污染物高效分离，且自身结构稳定、可重复使用，大幅降低废水处理成本与二次污染风险，为工业废水处理提供可靠绿色技术方案。

四、聚乙烯醇 - 纳米纤维素晶体复合水凝胶界面蒸发器制备方法

（一）水凝胶前驱体溶液制备

称取纳米微晶纤维素，配制成浓度为 0.15wt% - 0.5wt%的溶液，经室温、12000rpm 条件下乳化 30min 处理，确保 CNC 均匀分散。随后，将 PVA、乳化后的 CNC 溶液与适量去离子水、盐酸（如 1.2mol·L⁻¹）按特定比例置于玻璃瓶中，于 95℃油浴磁力搅拌 0.5h 直至 PVA 完全溶解，获得水凝胶前驱体溶液。此过程中，各原料比例与处理条件严格控制：PVA 浓度 8 - 12%（优选 10%）奠定机械强度基础，CNC 浓度优化影响复合效果与蒸发性能，盐酸催化 PVA 溶解并参与交联反应调节凝胶化程度，乳化处理与精确温度控制保障体系均匀性与反应一致性，为后续制备高品质复合水凝胶提供稳定均匀的反应前驱体。

（二）光吸收材料与交联处理

在前驱体溶液中加入质量分数 0.1 - 1%的 rGO，利用超声处理 0.5h 与磁力搅拌 10min 确保均匀分散，赋予复合水凝胶宽光谱吸收性能。接着加入交联剂（如戊二醛、硼酸、环氧氯丙烷或能与 PVA 配位络合的重金属盐），混合均匀形成稳定交联网络。交联剂选择与用量经严谨筛选优化：戊二醛以其高效交联活性在合适浓度下（如 250μL）形成适度交联度，平衡机械强度与柔韧性；硼酸、环氧氯丙烷等依特定需求微调网络结构与性能，重金属盐则为特殊应用场景提供定制化交联选择，精准调控凝胶化过程与产物性能，构建兼具稳固结构与多元功能的复合水凝胶体系。

（三）凝胶化与后处理成型

混合液于 60 - 80℃恒温凝胶化 2 - 3h，促使聚合物链充分交联形成三维网络结构水凝胶。之后经 -25℃冷冻 12h 与冷冻干燥 48h 处理，深度去除水分同时维持微观结构有序性，获得最终的聚乙烯醇 - 纳米纤维素晶体复合水凝胶界面蒸发器成品。凝胶化温度与时间精准调控至关重要：温度过高或时间过长易导致网络过度交联、结构收缩脆化，损害吸水与蒸发性能；反之则交联不足、结构松散，影响机械强度与稳定性。冷冻干燥过程在低温低压下平缓脱水，避免冰晶破坏凝胶微观架构，确保材料孔隙结构完整、性能优异，为蒸发器高效运行提供理想微观形态。

五、专利信息

-作者介绍-

2020年博士毕业，现就职于一所地方高校，主讲《物理化学》课程。

专注→低成本功能材料开发，包括碳材料，疏水/亲水材料，纤维素提取利用，聚氨酯材料的开发与应用，欢迎合作，资助，交流。

邮箱：xidsuo@126.com

爱折腾、爱学习、有一颗好奇的心，知上进，懂感恩的科学工作者。

愿望是拥有足够的科研经费按自己喜欢的方式折腾！

玩转物理化学

感谢关注！物理化学基本知识点，考研经验分享。分享个人从事的碳材料，疏水/亲水材料，纤维素提取利用，聚氨酯材料的开发与应用等领域知识/进展。

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