一种含活化水层的双层水凝胶膜蒸发器

：
1.本发明涉及一种提供活化水的双层光热水凝胶膜蒸发器的制备及其在海水淡化和污水处理方面的应用，属于聚合物功能膜领域。


背景技术：

2.安全纯净的水对维持人类生存至关重要。但是，由于气候变化和水污染等问题，导致许多地区水资源短缺，生命健康受到威胁，成为当前全球性挑战。海水淡化和污水提纯技术成为解决这一问题的可行性手段。但是，传统的多效蒸馏和蒸汽压缩等技术需配置大型设备，其价格昂贵、耗能高且造成环境污染，很多贫困地区难以实施。太阳能水蒸发器利用太阳能清洁、环境影响小、取之不尽用之不竭等优点，通过光热转换，实现水蒸发，获得安全纯净的水资源。该方法具有高效、设备简单、易于获得等优势，有望为缺水地区提供高质量水资源。
3.具有快速水传质能力的膜是决定太阳能蒸发器效率的关键因素之一。近年来，通过调控膜的亲水性、构建水传质通道、微结构增大膜比表面积等方法用于提高膜蒸发器的产水能力。然而，由于水分子之间高密度的氢键作用，其蒸发焓较高，导致其水挥发存在理论极限值，限制了膜蒸发器利用太阳能产水的效率
4.水凝胶中存在大量的亲水基团，与水分子具有氢键或静电作用，削弱了水分子之间的氢键作用，可大幅降低水的蒸发焓，突破太阳能水蒸发的理论速率。在水凝胶膜中，存在三种水，即结合水(与聚合物链段具有氢键或静电作用水分子)、自由水(与水本体性质相同)及中间态水(介于结合水和自由水之间，其水分子间氢键作用减弱)，其中中间态水对降低水蒸发焓起关键作用。因此，研究者提出改变水凝胶膜中官能团种类，增加中间态水的含量和比例，提高水凝膜蒸发器的产水效率(zhou,x.et.al.,sci.adv.2019,5(6):eaaw5484.)。还有研究者通过调控水凝胶膜孔径，同时增加中间态水的比例和水分子在膜内传质速率，提升纯水的产水效率(guo,y.et.al.,angew.chem.int.ed.2021,61(3):e202114074.)。尽管上述方法可突破太阳能水蒸发的理论速率，但是其制备过程复杂，如涉及冷冻干燥、复杂合成或者微结构制备，难以放大生成。此外，水凝胶膜中需要掺杂疏水的光热转换材料，降低了水凝胶膜的亲水性，减少了中间态水比例，限制了水蒸发速率的进一步提升。
5.针对上述问题，本研究设计构建了含有活性水(中间态水)存储层的双层水凝胶膜用于高效太阳能水蒸发，实现海水淡化及污水提纯。采用快速绿色的光学交联技术制备下层水凝胶膜，利用其强亲水性产生高比例中间态水，为上层水蒸气的低能耗生成提供活性水分子(低蒸发焓)。通过光学交联耦合原位聚合技术在下层水凝胶膜表面构建具有光热转换及快速水传质功能的上层水凝胶膜，为低蒸发焓水蒸气的产生提供能量和传质路径。该双层水凝胶膜蒸发器制备条件温和、操作简单且具有柔性特性，对于解决水资源短缺难题具有重要的科学价值和应用前景。


技术实现要素：

6.本发明的目的是制备一种简单高效且具有普适性的双层水凝胶膜蒸发器，提高其太阳能蒸发产水效率。通过构建具有高亲水性的下层水凝胶膜作为活性水分子生成和储存层，及高光热转换效率的上层水凝胶膜作为水蒸气分子的产生和传质层，实现双层水凝胶膜的制备，用于高效太阳能水净化。该方法制备的双层水凝胶膜蒸发器具有良好的海水淡化和污水处理效率。
7.双层水凝胶膜蒸发器的制备包括以下几个步骤：
8.(1)将丙烯酰胺(am)和丙烯酸(aa)粉末溶解在去离子水中，搅拌至充分溶解，得到单体溶液待用；将交联剂1和光引发剂加至上述所得溶液中继续搅拌至完全溶解；取上述搅拌均匀的溶液置于模具中，通过紫外引发聚合，获得paa-am双网络水凝胶膜；
9.(2)将壳聚糖(cs)或海藻酸钠(alginate)或聚乙烯醇(pva)溶解在溶剂中，搅拌至充分溶解，得到聚合物溶液待用；将交联剂2加至上述所得溶液中继续搅拌至完全溶解；取上述搅拌均匀的溶液置于模具中静止，获得cs或alginate或pva水凝胶膜；
10.(3)将氧化性引发剂溶解在去离子水中，搅拌至充分溶解，待用；将步骤(1)所得paa-am或步骤(2)所得的cs或alginate或pva水凝胶膜浸泡在所得氧化性引发剂溶液中得到浸泡凝胶膜；将吡咯单体(py)溶于有机溶剂中，搅拌至均匀溶解得到吡咯单体溶液，称取交联剂3添加至上述吡咯单体溶液中搅拌均匀至完全溶解，得到交联单体混合溶液；
11.将上述交联单体混合溶液滴加到上述浸泡后的浸泡凝胶膜上至浸泡凝胶膜完全变黑，作为对应的上层水凝胶膜；
12.(4)将步骤(1)制得的paa-am双网络水凝胶膜作为下层水凝胶膜和步骤(3)的上层水凝胶膜压合到一起，获得双层水凝胶膜；
13.(5)将步骤(4)得到的双层水凝胶膜浸泡在酸性如盐酸溶液中，水凝胶孔径减小，使得中间水含量减少，水蒸发速率降低；将步骤(4)得到的水凝胶膜双层水凝胶膜浸泡在碱性如氢氧化钠溶液中，水凝胶孔径增大，使得中间水含量增大，水蒸发速率提高；采用上述酸碱溶液浸泡的形式调控水蒸发速率。
14.本发明步骤(1)单体溶液中去离子水含量为溶液质量分数的50-80％，交联剂1和引发剂浓度分别为am和aa质量之和质量分数的0.1-1.0％和0.1-0.2％；光聚时使用紫外光，光功率密度为100-535mw cm-2
，时间为30-500s；am和aa质量之比为(3-10)：1，交联剂1包括但不限于n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)，光引发剂包括但不限于2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)；
15.步骤(2)中聚合物溶液中溶剂为溶液质量分数的50-80％；聚合物溶液2为氯化钙或者戊二醛，质量分数为溶液的0.1-1.0％；溶剂为去离子水或醋酸溶液或盐酸溶液；醋酸溶液或盐酸溶液质量分数为溶液的1-5％；
16.步骤(3)氧化性引发剂为过硫酸铵(aps)，质量为溶液质量分数的10-50％；
17.步骤(3)吡咯单体质量为吡咯单体溶液质量分数的10-30％；交联剂3为植酸，质量为吡咯单体溶液质量分数的20-50％；
18.优选步骤(5)中酸性溶液的最小ph值为1，碱性溶液最大ph值为11，即步骤(4)得到的双层水凝胶膜可以在ph为1-11的不同酸碱性溶液中浸泡改变水蒸发速率。
19.本发明的技术原理：
20.本发明通过光学交联耦合原位聚合技术构建具有双层水凝胶膜蒸发器。利用下层水凝胶膜中含有大量的亲水官能团，削弱水凝胶膜中水分子间氢键作用，提高中间态水的比例，降低其蒸发焓，为上层水凝胶膜中水蒸气的产生持续提供活性水分子。通过上层水凝胶中的光热转换材料为活性水高效转化为水蒸气分子提供能量，而水凝胶膜孔道结构为水分子构建快速传质通道，实现水的高效净化。此外，通过ph调控下层水凝胶膜中聚合物链与水的氢键作用，可进一步优化中间态水的比例，提高产水效率。
附图说明
21.图1为ppy@paa-am水凝胶电镜图；
22.图2为paa-am水凝胶电镜图；
23.图3为双层水凝胶与单层水凝胶水蒸发速率对比图；
24.图4为碱处理后的paa-am水凝胶电镜图；
25.图5为实际海水和蒸发收集到的水中离子浓度对比图。
具体实施方式
26.下面结合具体实例对本发明作详细的说明，但本发明并不限于以下实例。
27.实施例1
28.(1)将丙烯酰胺单体(am)和丙烯酸(aa)单体粉末按照3：1溶解在去离子水中，通过磁力搅拌器搅拌至充分溶解，待用；去离子水含量为溶液质量分数的70％；称取交联剂n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)和光引发剂2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)加至步骤(1)中搅拌均匀的溶液中继续搅拌至完全溶解(室温，≤25℃)；交联剂n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)的用量为am和aa质量之和的0.2％，光引发剂2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)的用量为am和aa质量之和的0.15％；通过移液枪移取上述搅拌均匀的溶液至模具中(可根据需求选取不同模具)，在365nm波长下(光功率密度：535mw cm-2
)聚合300s，得到paa-am双网络水凝胶膜；
29.(2)将引发剂过硫酸铵(aps)溶解在去离子水中，通过磁力搅拌器搅拌至充分溶解；将步骤(1)所得paa-am水凝胶膜浸泡在所得氧化性引发剂溶液中；过硫酸铵质量为溶液质量分数的30％；
30.(3)将吡咯单体(py)溶于异丙醇中，通过磁力搅拌器搅拌至均匀溶解。称取交联剂植酸(pa)添加至上述吡咯单体溶液中搅拌均匀至完全溶解，待用；交联剂植酸(pa)的用量为溶液质量分数的24％；
31.(4)向步骤(2)浸泡后的水凝胶膜滴加步骤(3)中搅拌均匀的溶液至水凝胶膜完全变黑，得到上层水凝胶膜；
32.(5)将丙烯酰胺单体(am)和丙烯酸(aa)单体粉末按照3：1溶解在去离子水中，通过磁力搅拌器搅拌至充分溶解，待用；去离子水含量为溶液质量分数的70％；称取交联剂n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)和光引发剂2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)加至步骤(1)中搅拌均匀的溶液中继续搅拌至完全溶解(室温，≤25℃)；交联剂n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)的用量为am和aa质量之和的0.3％，光引发剂2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)的用量为am和aa质量之和的0.15％；通过移液枪移取上述搅拌
均匀的溶液至模具中(可根据需求选取不同模具)，在365nm波长下(光功率密度：535mw cm-2
)聚合300s，得到下层水凝胶膜；
33.(6)将步骤(4)制得的水凝胶膜和步骤(5)制得的水凝胶膜压合到一起，获得双层水凝胶膜。
34.(7)将步骤(6)得到的水凝胶膜浸泡ph＝7的去离子水中；
35.上述制备的上层水凝胶膜电镜图如图1；上述制备的下层水凝胶膜电镜图如图2。将上述制备的双层水凝胶膜用于一个太阳光下纯水蒸发性能的测试，其性能如下：如图3所示，无双层水凝胶膜的情况下，水蒸发速率为0.54kg m-2
h-1
；仅有下层水凝胶膜的情况下，水蒸发速率为1.34kg m-2
h-1
；仅有上层水凝胶膜的情况下，水蒸发速率为1.72kg m-2
h-1
；有双层水凝胶膜的情况下，水蒸发速率为2.45kg m-2
h-1
。
36.实施例2
37.(1)将丙烯酰胺单体(am)和丙烯酸(aa)单体粉末按照3：1溶解在去离子水中，通过磁力搅拌器搅拌至充分溶解，待用；去离子水含量为溶液质量分数的70％；称取交联剂n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)和光引发剂2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)加至步骤(1)中搅拌均匀的溶液中继续搅拌至完全溶解(室温，≤25℃)；交联剂n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)的用量为am和aa质量之和的0.2％，光引发剂2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)的用量为am和aa质量之和的0.15％；通过移液枪移取上述搅拌均匀的溶液至模具中(可根据需求选取不同模具)，在365nm波长下(光功率密度：535mw cm-2
)聚合300s，得到paa-am双网络水凝胶膜；
38.(2)将引发剂过硫酸铵(aps)溶解在去离子水中，通过磁力搅拌器搅拌至充分溶解；将步骤(1)所得paa-am水凝胶膜浸泡在所得氧化性引发剂溶液中；过硫酸铵质量为溶液质量分数的30％；
39.(3)将吡咯单体(py)溶于异丙醇中，通过磁力搅拌器搅拌至均匀溶解。称取交联剂植酸(pa)添加至上述吡咯单体溶液中搅拌均匀至完全溶解，待用；交联剂植酸(pa)的用量为溶液质量分数的24％；
40.(4)向步骤(2)浸泡后的水凝胶膜滴加步骤(3)中搅拌均匀的溶液至水凝胶膜完全变黑，得到上层水凝胶膜；
41.(5)将丙烯酰胺单体(am)和丙烯酸(aa)单体粉末按照3：1溶解在去离子水中，通过磁力搅拌器搅拌至充分溶解，待用；去离子水含量为溶液质量分数的70％；称取交联剂n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)和光引发剂2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)加至步骤(1)中搅拌均匀的溶液中继续搅拌至完全溶解(室温，≤25℃)；交联剂n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)的用量为am和aa质量之和的0.3％，光引发剂2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)的用量为am和aa质量之和的0.15％；通过移液枪移取上述搅拌均匀的溶液至模具中(可根据需求选取不同模具)，在365nm波长下(光功率密度：535mw cm-2
)聚合300s，得到下层水凝胶膜；
42.(6)将步骤(4)制得的水凝胶膜和步骤(5)制得的水凝胶膜压合到一起，获得双层水凝胶膜。
43.(7)将步骤(6)得到的水凝胶膜浸泡ph＝5的盐酸溶液中；
44.将上述制备的双层水凝胶膜用于一个太阳光下纯水蒸发性能的测试，其性能如
下：
45.水蒸发速率降低到2.33kg m-2
h-1
；
46.实施例3
47.(1)将丙烯酰胺单体(am)和丙烯酸(aa)单体粉末按照3：1溶解在去离子水中，通过磁力搅拌器搅拌至充分溶解，待用；去离子水含量为溶液质量分数的70％；称取交联剂n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)和光引发剂2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)加至步骤(1)中搅拌均匀的溶液中继续搅拌至完全溶解(室温，≤25℃)；交联剂n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)的用量为am和aa质量之和的0.2％，光引发剂2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)的用量为am和aa质量之和的0.15％；通过移液枪移取上述搅拌均匀的溶液至模具中(可根据需求选取不同模具)，在365nm波长下(光功率密度：535mw cm-2
)聚合300s，得到paa-am双网络水凝胶膜；
48.(2)将引发剂过硫酸铵(aps)溶解在去离子水中，通过磁力搅拌器搅拌至充分溶解；将步骤(1)所得paa-am水凝胶膜浸泡在所得氧化性引发剂溶液中；过硫酸铵质量为溶液质量分数的30％；
49.(3)将吡咯单体(py)溶于异丙醇中，通过磁力搅拌器搅拌至均匀溶解。称取交联剂植酸(pa)添加至上述吡咯单体溶液中搅拌均匀至完全溶解，待用；交联剂植酸(pa)的用量为溶液质量分数的24％；
50.(4)向步骤(2)浸泡后的水凝胶膜滴加步骤(3)中搅拌均匀的溶液至水凝胶膜完全变黑，得到上层水凝胶膜；
51.(5)将丙烯酰胺单体(am)和丙烯酸(aa)单体粉末按照3：1溶解在去离子水中，通过磁力搅拌器搅拌至充分溶解，待用；去离子水含量为溶液质量分数的70％；称取交联剂n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)和光引发剂2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)加至步骤(1)中搅拌均匀的溶液中继续搅拌至完全溶解(室温，≤25℃)；交联剂n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)的用量为am和aa质量之和的0.3％，光引发剂2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)的用量为am和aa质量之和的0.15％；通过移液枪移取上述搅拌均匀的溶液至模具中(可根据需求选取不同模具)，在365nm波长下(光功率密度：535mw cm-2
)聚合300s，得到下层水凝胶膜；
52.(6)将步骤(4)制得的水凝胶膜和步骤(5)制得的水凝胶膜压合到一起，获得双层水凝胶膜。
53.(7)将步骤(6)得到的水凝胶膜浸泡ph＝9的氢氧化钠溶液中；
54.上述制备的paa-am双网络水凝胶膜电镜图如图4。
55.将上述制备的双层水凝胶膜用于一个太阳光下纯水蒸发性能的测试，其性能如下：水蒸发速率提高到2.79kg m-2
h-1
；如图5所示，对海水中常见离子有很好的去除效果。
56.实施例4
57.(1)将丙烯酰胺单体(am)和丙烯酸(aa)单体粉末按照3：1溶解在去离子水中，通过磁力搅拌器搅拌至充分溶解，待用；去离子水含量为溶液质量分数的70％；称取交联剂n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)和光引发剂2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)加至步骤(1)中搅拌均匀的溶液中继续搅拌至完全溶解(室温，≤25℃)；交联剂n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)的用量为am和aa质量之和的0.2％，光引发剂2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧
基)-2-甲基苯丙酮(i2959)的用量为am和aa质量之和的0.15％；通过移液枪移取上述搅拌均匀的溶液至模具中(可根据需求选取不同模具)，在365nm波长下(光功率密度：535mw cm-2
)聚合300s，得到paa-am双网络水凝胶膜；
58.(2)将引发剂过硫酸铵(aps)溶解在去离子水中，通过磁力搅拌器搅拌至充分溶解；将步骤(1)所得paa-am水凝胶膜浸泡在所得氧化性引发剂溶液中；过硫酸铵质量为溶液质量分数的30％；
59.(3)将吡咯单体(py)溶于异丙醇中，通过磁力搅拌器搅拌至均匀溶解。称取交联剂植酸(pa)添加至上述吡咯单体溶液中搅拌均匀至完全溶解，待用；交联剂植酸(pa)的用量为溶液质量分数的24％；
60.(4)向步骤(2)浸泡后的水凝胶膜滴加步骤(3)中搅拌均匀的溶液至水凝胶膜完全变黑，得到上层水凝胶膜；
61.(5)将丙烯酰胺单体(am)和丙烯酸(aa)单体粉末按照3：1溶解在去离子水中，通过磁力搅拌器搅拌至充分溶解，待用；去离子水含量为溶液质量分数的70％；称取交联剂n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)和光引发剂2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)加至步骤(1)中搅拌均匀的溶液中继续搅拌至完全溶解(室温，≤25℃)；交联剂n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)的用量为am和aa质量之和的0.2％，光引发剂2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)的用量为am和aa质量之和的0.15％；通过移液枪移取上述搅拌均匀的溶液至模具中(可根据需求选取不同模具)，在365nm波长下(光功率密度：535mw cm-2
)聚合300s，得到下层水凝胶膜；
62.(6)将步骤(4)制得的水凝胶膜和步骤(5)制得的水凝胶膜压合到一起，获得双层水凝胶膜。
63.(7)将步骤(6)得到的水凝胶膜浸泡ph＝7的去离子水中；
64.将上述制备的双层水凝胶膜用于一个太阳光下纯水蒸发性能的测试，其性能如下：水蒸发速率为2.36kg m-2
h-1
；
65.实施例5
66.(1)将壳聚糖(cs)溶解在醋酸质量分数为2％的醋酸溶液中，搅拌至充分溶解，得到壳聚糖溶液待用；醋酸溶液质量为总溶液质量的80％；将交联剂戊二醛加至上述所得溶液中继续搅拌至完全溶解，戊二醛质量为溶液质量的0.2％；取上述搅拌均匀的溶液置于模具中静止，获得cs水凝胶膜；
67.(2)将引发剂过硫酸铵(aps)溶解在去离子水中，通过磁力搅拌器搅拌至充分溶解，过硫酸铵质量为溶液质量分数的30％；将步骤(1)所得的cs水凝胶膜浸泡在所得氧化性引发剂溶液中；
68.(3)将吡咯单体(py)溶于异丙醇中，通过磁力搅拌器搅拌至均匀溶解。称取交联剂植酸(pa)添加至上述吡咯单体溶液中搅拌均匀至完全溶解，待用；交联剂植酸(pa)的用量为溶液质量分数的24％；
69.(4)向步骤(2)浸泡后的cs水凝胶膜上滴加步骤(3)中搅拌均匀的溶液至水凝胶膜完全变黑，得到上层水凝胶膜；
70.(5)将丙烯酰胺单体(am)和丙烯酸(aa)单体粉末按照3：1溶解在去离子水中，通过磁力搅拌器搅拌至充分溶解，待用；去离子水含量为溶液质量分数的70％；称取交联剂n,n’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)和光引发剂2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)加至步骤(1)中搅拌均匀的溶液中继续搅拌至完全溶解(室温，≤25℃)；交联剂n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)的用量为am和aa质量之和的0.3％，光引发剂2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)的用量为am和aa质量之和的0.15％；通过移液枪移取上述搅拌均匀的溶液至模具中(可根据需求选取不同模具)，在365nm波长下(光功率密度：535mw cm-2
)聚合300s，得到下层水凝胶膜；
71.(6)将步骤(4)制得的水凝胶膜和步骤(5)制得的水凝胶膜压合到一起，获得双层水凝胶膜。
72.(7)将步骤(6)得到的水凝胶膜浸泡ph＝7的去离子水中；
73.将上述制备的双层水凝胶膜用于一个太阳光下纯水蒸发性能的测试，其性能如下：仅有上层水凝胶膜的情况下，水蒸发速率为2.08kgm-2
h-1
；有双层水凝胶膜的情况下，水蒸发速率为2.33kgm-2
h-1
。
74.实施例6
75.(1)将海藻酸钠(alginate)溶解在去离子水中，搅拌至充分溶解，得到海藻酸钠溶液待用；去离子水溶液质量为总溶液质量的80％；将交联剂戊二醛加至上述所得溶液中继续搅拌至完全溶解，氯化钙质量为溶液质量的0.2％；取上述搅拌均匀的溶液置于模具中静止，获得alginate水凝胶膜；
76.(2)将引发剂过硫酸铵(aps)溶解在去离子水中，通过磁力搅拌器搅拌至充分溶解，过硫酸铵质量为溶液质量分数的30％；将步骤(1)所得的alginate水凝胶膜浸泡在所得氧化性引发剂溶液中；
77.(3)将吡咯单体(py)溶于异丙醇中，通过磁力搅拌器搅拌至均匀溶解。称取交联剂植酸(pa)添加至上述吡咯单体溶液中搅拌均匀至完全溶解，待用；交联剂植酸(pa)的用量为溶液质量分数的24％；
78.(4)向步骤(2)浸泡后的alginate水凝胶膜上滴加步骤(3)中搅拌均匀的溶液至水凝胶膜完全变黑，得到上层水凝胶膜；
79.(5)将丙烯酰胺单体(am)和丙烯酸(aa)单体粉末按照3：1溶解在去离子水中，通过磁力搅拌器搅拌至充分溶解，待用；去离子水含量为溶液质量分数的70％；称取交联剂n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)和光引发剂2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)加至步骤(1)中搅拌均匀的溶液中继续搅拌至完全溶解(室温，≤25℃)；交联剂n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)的用量为am和aa质量之和的0.3％，光引发剂2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)的用量为am和aa质量之和的0.15％；通过移液枪移取上述搅拌均匀的溶液至模具中(可根据需求选取不同模具)，在365nm波长下(光功率密度：535mw cm-2
)聚合300s，得到下层水凝胶膜；
80.(6)将步骤(4)制得的水凝胶膜和步骤(5)制得的水凝胶膜压合到一起，获得双层水凝胶膜。
81.(7)将步骤(6)得到的水凝胶膜浸泡ph＝7的去离子水中；
82.将上述制备的双层水凝胶膜用于一个太阳光下纯水蒸发性能的测试，其性能如下：仅有上层水凝胶膜的情况下，水蒸发速率为1.98kgm-2
h-1
；有双层水凝胶膜的情况下，水蒸发速率为2.24kgm-2
h-1
。
83.实施例7
84.(1)将聚乙烯醇(pva)溶解在质量分数为2％的盐酸溶液中，搅拌至充分溶解，得到聚乙烯醇溶液待用；盐酸溶液质量为总溶液质量的80％；将交联剂戊二醛加至上述所得溶液中继续搅拌至完全溶解，戊二醛质量为溶液质量的0.2％；取上述搅拌均匀的溶液置于模具中静止，获得pva水凝胶膜；
85.(2)将引发剂过硫酸铵(aps)溶解在去离子水中，通过磁力搅拌器搅拌至充分溶解，过硫酸铵质量为溶液质量分数的30％；将步骤(1)所得的(2)将引发剂过硫酸铵(aps)溶解在去离子水中，通过磁力搅拌器搅拌至充分溶解，过硫酸铵质量为溶液质量分数的30％；将步骤(1)所得的alginate水凝胶膜浸泡在所得氧化性引发剂溶液中；
86.(3)将吡咯单体(py)溶于异丙醇中，通过磁力搅拌器搅拌至均匀溶解。称取交联剂植酸(pa)添加至上述吡咯单体溶液中搅拌均匀至完全溶解，待用；交联剂植酸(pa)的用量为溶液质量分数的24％；
87.(4)向步骤(2)浸泡后的alginate水凝胶膜上滴加步骤(3)中搅拌均匀的溶液至水凝胶膜完全变黑，得到上层水凝胶膜；
88.(5)将丙烯酰胺单体(am)和丙烯酸(aa)单体粉末按照3：1溶解在去离子水中，通过磁力搅拌器搅拌至充分溶解，待用；去离子水含量为溶液质量分数的70％；称取交联剂n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)和光引发剂2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)加至步骤(1)中搅拌均匀的溶液中继续搅拌至完全溶解(室温，≤25℃)；交联剂n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)的用量为am和aa质量之和的0.3％，光引发剂2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)的用量为am和aa质量之和的0.15％；通过移液枪移取上述搅拌均匀的溶液至模具中(可根据需求选取不同模具)，在365nm波长下(光功率密度：535mw cm-2
)聚合300s，得到下层水凝胶膜；
89.(6)将步骤(4)制得的水凝胶膜和步骤(5)制得的水凝胶膜压合到一起，获得双层水凝胶膜。
90.(7)将步骤(6)得到的水凝胶膜浸泡ph＝7的去离子水中；
91.水凝胶膜浸泡在所得氧化性引发剂溶液中；
92.(3)将吡咯单体(py)溶于异丙醇中，通过磁力搅拌器搅拌至均匀溶解。称取交联剂植酸(pa)添加至上述吡咯单体溶液中搅拌均匀至完全溶解，待用；交联剂植酸(pa)的用量为溶液质量分数的24％；
93.(4)向步骤(2)浸泡后的pva水凝胶膜上滴加步骤(3)中搅拌均匀的溶液至水凝胶膜完全变黑，得到上层水凝胶膜；
94.(5)将丙烯酰胺单体(am)和丙烯酸(aa)单体粉末按照3：1溶解在去离子水中，通过磁力搅拌器搅拌至充分溶解，待用；去离子水含量为溶液质量分数的70％；称取交联剂n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)和光引发剂2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)加至步骤(1)中搅拌均匀的溶液中继续搅拌至完全溶解(室温，≤25℃)；交联剂n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)的用量为am和aa质量之和的0.3％，光引发剂2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)的用量为am和aa质量之和的0.15％；通过移液枪移取上述搅拌均匀的溶液至模具中(可根据需求选取不同模具)，在365nm波长下(光功率密度：535mw cm-2
)聚合300s，得到下层水凝胶膜；
95.(6)将步骤(4)制得的水凝胶膜和步骤(5)制得的水凝胶膜压合到一起，获得双层水凝胶膜。
96.(7)将步骤(6)得到的水凝胶膜浸泡ph＝7的去离子水中；
97.将上述制备的双层水凝胶膜用于一个太阳光下纯水蒸发性能的测试，其性能如下：仅有上层水凝胶膜的情况下，水蒸发速率为2.04kgm-2
h-1
；有双层水凝胶膜的情况下，水蒸发速率为2.54kgm-2
h-1
。

技术特征：
1.一种含活化水层的双层水凝胶膜蒸发器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将丙烯酰胺(am)和丙烯酸(aa)粉末溶解在去离子水中，搅拌至充分溶解，得到单体溶液待用；将交联剂1和光引发剂加至上述所得溶液中继续搅拌至完全溶解；取上述搅拌均匀的溶液置于模具中，通过紫外引发聚合，获得paa-am双网络水凝胶膜；(2)将壳聚糖(cs)或海藻酸钠(alginate)或聚乙烯醇(pva)溶解在溶剂中，搅拌至充分溶解，得到聚合物溶液待用；将交联剂2加至上述所得溶液中继续搅拌至完全溶解；取上述搅拌均匀的溶液置于模具中静止，获得cs或alginate或pva水凝胶膜；(3)将氧化性引发剂溶解在去离子水中，搅拌至充分溶解，待用；将步骤(1)所得paa-am或步骤(2)所得的cs或alginate或pva水凝胶膜浸泡在所得氧化性引发剂溶液中得到浸泡凝胶膜；将吡咯单体(py)溶于有机溶剂中，搅拌至均匀溶解得到吡咯单体溶液，称取交联剂3添加至上述吡咯单体溶液中搅拌均匀至完全溶解，得到交联单体混合溶液；将上述交联单体混合溶液滴加到上述浸泡后的浸泡凝胶膜上至浸泡凝胶膜完全变黑，作为对应的上层水凝胶膜；(4)将步骤(1)制得的paa-am双网络水凝胶膜作为下层水凝胶膜和步骤(3)的上层水凝胶膜压合到一起，获得双层水凝胶膜；(5)将步骤(4)得到的双层水凝胶膜浸泡在酸性如盐酸溶液中，水凝胶孔径减小，使得中间水含量减少，水蒸发速率降低；将步骤(4)得到的水凝胶膜双层水凝胶膜浸泡在碱性如氢氧化钠溶液中，水凝胶孔径增大，使得中间水含量增大，水蒸发速率提高；采用上述酸碱溶液浸泡的形式调控水蒸发速率。2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)单体溶液中去离子水含量为溶液质量分数的50-80％，交联剂1和引发剂浓度分别为am和aa质量之和质量分数的0.1-1.0％和0.1-0.2％；光聚时使用紫外光，光功率密度为100-535mw cm-2
，时间为30-500s；am和aa质量之比为(3-10)：1，交联剂1包括但不限于n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)，光引发剂包括但不限于2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(i2959)。3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中聚合物溶液中溶剂为溶液质量分数的50-80％；聚合物溶液2为氯化钙或者戊二醛，质量分数为溶液的0.1-1.0％；溶剂为去离子水或醋酸溶液或盐酸溶液；醋酸溶液或盐酸溶液质量分数为溶液的1-5％。4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)氧化性引发剂为过硫酸铵(aps)，质量为溶液质量分数的10-50％。5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)吡咯单体质量为吡咯单体溶液质量分数的10-30％；交联剂3为植酸，质量为吡咯单体溶液质量分数的20-50％。6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中酸性溶液的最小ph值为1，碱性溶液最大ph值为11，即步骤(4)得到的双层水凝胶膜可以在ph为1-11的不同酸碱性溶液中浸泡改变水蒸发速率。7.按照权利要求1-6任一项所述的方法制备得到的含活化水层的双层水凝胶膜蒸发器。8.按照权利要求1-6任一项所述的方法制备得到的含活化水层的双层水凝胶膜蒸发器的应用，用于海水淡化和污水处理。

技术总结
一种含活化水层的双层水凝胶膜蒸发器，属于聚合物功能膜领域，通过光学交联耦合原位聚合技术构建具有双层水凝胶膜蒸发器。利用下层水凝胶膜中含有大量的亲水官能团，削弱水凝胶膜中水分子间氢键作用，提高中间态水的比例，降低其蒸发焓，为上层水凝胶膜中水蒸气的产生持续提供活性水分子。通过上层水凝胶中的光热转换材料为活性水高效转化为水蒸气分子提供能量，而水凝胶膜孔道结构为水分子构建快速传质通道，实现水的高效净化。实现水的高效净化。


技术研发人员：林欢 杨雪彤 张佳辰 安全福
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2023.08.11
技术公布日：2023/10/20