1、第49卷 第 2 期2023 年 2 月Vol.49 No.2Feb.,2023水处理技术水处理技术TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT生物质复合吸湿材料的制备及其空气捕水性能生物质复合吸湿材料的制备及其空气捕水性能芦坤娟1，2，张可喜1，2，曹阳1，2，刘钟馨1，2，黄玮1，2*（1.南海海洋资源利用国家重点实验室；2.海南省精细化工重点实验室：海南 海口 570228）摘摘 要要:以油菜花粉（PC）和天然轻木（W）为基底，通过原位聚合和浸渍法在分级空心结构花粉表面原位生长聚吡咯光吸收剂，并负载到LiCl填充的轻木表面，得到LiClPC-W-PPy复合吸湿材料，用于空气
2、捕水。通过SEM、FTIR和UV-vis-NIR对材料微观结构和光热性能进行表征和分析，对LiClPC-W-PPy进行吸附动力学和热力学研究，在户外验证了空气捕水的可行性。结果表明：LiClPC-W-PPy在25 和60%RH时吸湿量可达1.68 kg/m2，户外测试最大产水量可达4.94 kg/m2。此外，LiClPC-W-PPy在10次循环过程中吸脱附性能无明显变化，表明材料具有较好的稳定性。关键词关键词:空气捕水;中空结构;生物质;复合材料;光热材料开放科学开放科学（资源服务资源服务）标识码标识码（OSID）:中图分类号中图分类号:TB34 文献标识码文献标识码:A 文章编号文章编号:1
3、0003770(2023)02-0057-005全球人口不断增长和环境污染加剧导致淡水资源稀缺正在成为威胁人类生存的重大挑战1。迫切需要开发能够从各种水资源中获取清洁淡水的技术。据估计，大气中水约占地球淡水总量的10%，相当于地球上所有河流的六倍2，以水蒸气或水滴的形式存在，并通过全球水循环不断补充3。基于吸附式空气捕水（AWH）被认为是一种有望缓解淡水资源短缺的可行性替代方案，其基本过程包括利用吸湿材料从空气中获取水蒸气和通过太阳能光热转换释放淡水。虽然吸湿剂的再生也会消耗额外的能源，但其能源来源可来源太阳能或废热等低品位能源，因此可以在不受地理和水文限制的情况下实现可持续的供水，特别是对于
4、内陆地区和干旱沙漠地带。吸湿性无机盐，如LiCl和CaCl2，因其极高的水蒸气吸附能力已被广泛用作水蒸气吸附剂4，5。然而，吸湿性盐在吸湿过程中容易因液体流动而导致渗漏、腐蚀与性能衰退等问题。这推动了多孔复合吸湿材料的快速发展6-9，如：碳纳米球6、纳米纤维7、MOF8和COF9等。但材料制备过程工艺复杂、成本高、不可再生且对环境造成二次伤害等问题限制了该类材料发展。本研究提出直接采用微观结构精细、资源丰富、绿色可持续的天然生物质资源构建复合吸湿剂。选取具有三维分级多孔网络和微通道阵列的油菜花粉和轻木为原材料，从微观角度探究了天然油菜花粉的分级多孔中空结构，在花粉颗粒表面原位生长Cl掺杂的聚吡
5、咯光吸收剂（PC-PPy），通过聚海藻酸钠（SA）将PC-PPy固定在LiCl嵌入的木材上表面，制备LiClPC-W-PPy双层复合吸湿材料，并上下两面喷涂PDMS有效防止吸湿盐泄露。借助SEM、UV-vis-NIR和FT-IR等手段对复合吸湿材料的结构、形貌等性质进行表征和分析，并通过吸湿动力学和热力学探究其吸湿性能，并验证户外测试的可行性。吸湿材料表现出良好循环稳定性和高吸湿容量，为设计和制备 AWH材料提供新思路，以应对日益严重的淡水资源短缺问题。1 实验部分实验部分1.1实验材料实验材料环氧树脂（E-44）、二乙烯三胺（99.0%）、吡咯（AR）、过硫酸铵（95.8%）、氯化锂（99.
6、0%）、和海藻酸 钠（SA）；聚 二 甲 基 硅 氧 烷（PDMS）预 聚 物（SYLGARD 184A）和热固化剂（SYLGARD 184B）；盐酸（AR）、环己烷（97%）和无水乙醇；油菜花粉DOI:10.16796/ki.10003770.2023.02.011收稿日期：2022-03-30基金项目：海南省重点研发计划项目（ZDYF2022SHFZ053）；国家自然科学基金（51902074，52162012）作者简介：芦坤娟（1996），女，硕士研究生，研究方向为空气捕水；电子邮件：通讯作者：黄玮，博士，副研究员；电子邮件：57第 49 卷 第 2 期水处理技术水处理技术产自青海，轻木
7、为巴沙。实验全过程使用的去离子水（DI）由超纯水系统（CM-RO-C2）生产。上述所有试剂化学品均采用AR分析纯，无需进一步纯化。1.2天然油菜花粉细胞的预处理天然油菜花粉细胞的预处理在预处理过程中，首先将10 g天然油菜花粉加入到100 mL去离子水中，超声20 min，形成均匀混合物，搅拌过夜，过滤后采集样品。第二步，将样品用乙醇搅拌并洗涤过夜，重复此过程三次。然后将收集的样品加入100 mL的2 mol/L HCl溶液中，室温搅拌过夜，随后用大量蒸馏水洗涤至中性。最后通过过滤收集分级中空结构的花粉颗粒，并于60 干燥2 h得到预处理的多孔花粉颗粒。1.3PC-PPy光热材料制备光热材料制
8、备通过原位聚合的方法制备 PC-PPy 光热材料。将1 g预处理的花粉颗粒均匀分散在1.2 mol/L盐酸溶液中，随后在其中加入500 L吡咯单体并在室温下搅拌30 min，保证吡咯与花粉颗粒混合均匀。最后边搅拌边缓慢滴加 50 mL 浓度为 32.6 mg/mL 过硫酸铵溶液，在室温下连续搅拌4 h使其聚合完全，过滤、洗涤得到PC-PPy光热材料。1.4LiClPC-W-PPy吸湿材料的组装吸湿材料的组装购 买 后 的 巴 沙 轻 木 垂 直 生 长 方 向 切 割 成 4.54.50.5 cm3大小，放入超声波清洗器中去除木块上多余木屑，干燥后进行密封处理。将E-44型环氧树脂与二乙烯三胺
9、以质量比为10：1在25 下搅拌20 min、离心消泡，随后涂在轻木侧边并在室温下固化。在渗透LiCl之前，将密封的轻木在超声波清洁器中洗涤10 min。然后，将轻木浸泡在浓度为0.5 g/mL LiCl溶液过夜，在80 下干燥。为了防止在捕水过程中出现泄漏问题，在表面喷涂 PDMS 疏水涂层。将 PDMS 预聚物、正己烷和交联剂以质量比为 10：10：1在25 搅拌30 min制备喷涂液。使用喷枪将溶液喷洒在轻木上下两个表面，喷涂时间固定为10 s。最后，用1wt%的海藻酸钠聚合物将PC-PPy颗粒负载在木头一面形成隔断层和光热层，得到LiClPC-W-PPy吸湿复合材料。1.5材料表征材料
10、表征使用 SEM（Hitachi S-4800）对样品形貌和结构进 行 表 征。用 UV-vis-NIR 光 谱 仪（PerkinElmer，Lambda 750）记录材料的透射率和反射率光谱。使用 FT-IR（Tensor 27）在波长范围为 4 000600 cm-1的Tensor 27光谱仪以确定材料的官能团。样品表面温度由E6红外相机记录。采用cell-HXF300氙灯（cell-HXF300，CEAULIGHT）模拟太阳光。通过调节 设 备 的 输 出 功 率 来 改 变 光 强。同 时，使 用CELNP2000 功率计标定光强。采用 S20 环境检测仪测量户外测试时环境温湿度。1.
11、6吸湿材料吸脱附性能测试吸湿材料吸脱附性能测试在恒温恒湿箱（BSP-50CL，YI HENG）中对样品的吸湿能力和吸/解吸循环稳定性进行研究。吸湿性测试是在25 的温度范围内进行的，恒定湿度为40%、60%和 80%RH。测试前将样品在 80 的烘箱中干燥至恒重，然后置于恒温恒湿箱内测试。利用太阳模拟器进行太阳能驱动解吸实验，光强由太阳模拟器的功率、光学透镜和全光谱光学衰减器的距离控制。太阳辐射强度固定在 1 kW/m2。采用CEL-NP2000 光功率计对每次测试的光强进行校准。采用准确度为0.1 mg的电子天平（FA 2004）实时检测重量变化，计算吸脱附速率。在特定的温度和恒湿下样品进行
12、21 h吸湿实验，随后打开氙灯进行3 h脱附实验。2 结果与讨论结果与讨论2.1吸湿材料的表征吸湿材料的表征为了更好地了解 LiClPC-W-PPy在制备过程中其变化前后微观结构，使用SEM对制备样品的形貌和微观结构进行表征，结果如图1所示。由图1a可见，PC 颗粒呈直径约 10 m 的多孔球形中空结构。经过数十亿年的进化，花粉颗粒形成了比许多合成材料复杂得多的精细结构。生长PPy的PC表面变得粗糙，但由于PPy层生长均匀，骨架上的孔隙没有被堵塞且呈独立个体（图1b、图1c）。涂有PC-PPy层LiClPC-W-PPy的表面因为 PC 颗粒大小为微米级使表面凹凸不平，增加了表面粗糙度，为水蒸汽
13、提供更多的吸附位点，加快吸附速率。同时也在材料表面形成了较好的“光陷阱”，当光线照射到材料表面时，由于材料的层叠多孔和凹凸不平结构，光（a）PC；（b，c）不同倍率下PC-PPy；（d）PC-W-PPy的顶部光热层；（e）轻木；（f）LiClPC-W-PPy的管腔界面图1样品的SEMFig.1SEM image58芦坤娟等，生物质复合吸湿材料的制备及其空气捕水性能线在表面及内部多次反射后被吸收，大大减少了漫反射引起的光能耗散10。这一结果在后续光热转换部分可以得到印证。从图1e可见。裸轻木由十几微米管道参差不齐排列组成，管道璧上有凹凸不平的孔，为LiCl填充提供负载位点。图1f为PC-W-PP
14、y在LiCl中浸泡后木材管道内微观结构变化，由图1f可见，浸泡LiCl后，LiClPC-W-PPy管道壁上积累了的LiCl结晶，在空气捕水过程中起到吸水作用。为了进一步验证轻木表面喷涂后是否存在PDMS疏水层，使用FT-IR对制备的PC-W-PPy材料进行官能基团研究，测试结果如图2所示。PDMS薄膜中存在的主要特征键-CH3（2 961 cm-1）和Si-（CH3）2（787 cm-1）在PC-W-PPy中都可以检测得到11。同时W主要特征峰在PC-W-PPy谱图中都能找到一一对应。众所周知，木材中主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，其特征键包括 O-H（3 400 cm-1）、C-H（2
15、900、1 372 cm-1）、C-O（1 109 cm-1）、C-O-C（1 056 cm-1）、C=O（1 735 cm-1）和芳环（1 513 cm-1）12。在制备的PC-W-PPy中以上特征峰在谱图中有所体现且没有新特征峰的出现，表明PDMS与木材之间是物理吸附，未出现化学反应，同时从谱图中也能很好地证明PC-W-PPy上有PDMS存在。2.2LiClPC-W-PPy光热转换性能研究光热转换性能研究光热转换效率对于解吸过程也至关重要。测量了裸木和PC-W-PPy的UV-Vis-NIR光谱，以揭示它们的光吸收特性。测试波长范围是2502 500 nm，数据测试结果如图3所示。从图3中可
16、以观察到相比于轻木，涂覆PC-PPy光吸热材料的PC-W-PPy光吸收性能得到了大幅度的提高。PC-PPy作为夹层结构木材中的光热层，可吸收2502 500 nm波长范围内近90.5%的入射光，覆盖太阳光光谱的关键部分。相比之下，裸木对可见光和近红外区域的吸收相对较弱。通过测试材料升温研究光热转换性能，结果如图4所示。在1 sun（100 mW/m2）照射下，PC-W-PPy 的表面温度在 7 min 内从室温迅速升高到65。随后温度随着时间缓慢升至75，说明PC-W-PPy有较好的光热转换性能。比较 bare balsa wood 和 LiClPC-W-PPy 样品的蒸发性能，结果如图 5 和图 6。在 1 sun 照射下，PC-W-PPy 蒸发速率达到 0.59 kg/（m2 h），高于 W（0.39 kg/（m2 h），并从图5中可以看出，LiClPC-W-PPy 蒸发速率为直线，测试结果表明 LiClPC-W-PPy解吸速率高。木材的解吸速率以及光热效率与LiClPC-W-PPy光热蒸发器相比没有竞争力原因如下：1）蒸发界面发生在孔隙中，而不是在木材表面，导致蒸发面积减小；2）
