本發(fā)明屬于功能高分子材料，具體涉及一種生物質(zhì)基空氣集水凝膠及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、公開該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在增加對(duì)本發(fā)明的總體背景的理解，而不必然被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已經(jīng)成為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

2、地球淡水資源僅占總水量的2.5％，其中可直接利用的液態(tài)淡水不足0.36％，且受地理分布限制，約30％陸地面積為干旱區(qū)(年均濕度rh<20％)?，F(xiàn)有吸附型空氣集水技術(shù)的研發(fā)雖面向干旱地區(qū)，但仍面臨嚴(yán)重的瓶頸問題：其一，多數(shù)吸濕材料在低濕度下吸附/解吸動(dòng)力學(xué)緩慢(rh<30％時(shí)性能衰減>50％)，且循環(huán)中易因溶脹應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)解體；其二，主流間歇式吸附-解吸裝置因操作不連續(xù)性造成效率折損，而連續(xù)化集成設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造仍缺乏普適性方案，制約技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種生物質(zhì)基空氣集水凝膠及其制備方法，本發(fā)明通過集成羥丙基纖維素(hpc)、改性木質(zhì)素、海藻酸鈉形成三重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度光敏、溫敏雙重響應(yīng)的凝膠材料，在沒有光照時(shí)該凝膠低溫吸水，在有光照時(shí)該凝膠升溫脫水，兼具高效吸水和可控脫水的特性。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供了一種生物質(zhì)基空氣集水凝膠的制備方法，包括：

4、在無氧環(huán)境下，向木質(zhì)素羧酸鈉溶液中加入n-異丙基丙烯酰胺，再加入引發(fā)劑，升溫進(jìn)行接枝改性反應(yīng)，反應(yīng)完成后，收集反應(yīng)液，冷卻，稀釋，加入無水乙醇，攪拌至溶液渾濁，固液分離，收集沉淀，洗滌，得到nipaam-木質(zhì)素羧酸鈉；

5、將所述nipaam-木質(zhì)素羧酸鈉、羥丙基纖維素、海藻酸鈉和水混合均勻，倒入模具中，在表面噴灑鈣鹽溶液，進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)完成后，凍干，即得。

6、本發(fā)明通過集成羥丙基纖維素、nipaam-木質(zhì)素羧酸鈉、海藻酸鈉構(gòu)筑了三重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度溫敏性空氣集水凝膠材料。三重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保證了空氣集水凝膠的高強(qiáng)度和耐用性；羥丙基纖維素、nipaam-木質(zhì)素羧酸鈉、海藻酸鈉、氯化鈣均具屬于低毒或無毒特性，并表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸水性能，保證了制備得到的空氣集水凝膠材料具有很好的吸水能力，從而避免了氯化鋰等有毒性的吸濕性物質(zhì)在空氣集水凝膠中的使用；木質(zhì)素的使用賦予了空氣集水凝膠較好的光熱特性；羥丙基纖維素、nipaam的存在使空氣集水凝膠在沒有光照時(shí)低溫(<35℃)吸水，在有光照時(shí)升溫(>45℃)脫水，賦予了空氣集水凝膠可控脫水的特性。因此，本發(fā)明制備得到的空氣集水凝膠具有無毒性、高強(qiáng)度、高吸水性和可控脫水性，是一種優(yōu)良的空氣集水凝膠材料。

7、在一些實(shí)施方式中，以純化木質(zhì)素為原料制備木質(zhì)素羧酸鈉，所述純化木質(zhì)素的制備方法包括：

8、將硫酸鹽漿黑液用水稀釋，過濾，得初步純化后的黑液；將其攪拌分散，加入稀酸溶液使木質(zhì)素析出，洗滌純化，得到純化木質(zhì)素。

9、在一些實(shí)施方式中，所述硫酸鹽漿黑液稀釋后的濃度為5-10％(w/v)；

10、在一些實(shí)施方式中，加入稀酸溶液使黑液的ph值為3-4(木質(zhì)素等電點(diǎn)附近，此時(shí)沉淀量最大)。

11、在一些實(shí)施方式中，所述木質(zhì)素羧酸鈉的制備方法包括：加堿使所述純化木質(zhì)素成堿性，加入氯乙酸，并升溫進(jìn)行接枝反應(yīng)；反應(yīng)完成后，將反應(yīng)液冷卻、稀釋，調(diào)節(jié)ph值，加入無水乙醇，攪拌至溶液渾濁，固液分離，收集沉淀；洗滌沉淀物，得到木質(zhì)素羧酸鈉。

12、在一些實(shí)施方式中，加堿使所述純化木質(zhì)素的ph值為12～13；

13、在一些實(shí)施方式中，木質(zhì)素與氯乙酸的質(zhì)量比為1:2-1:4；

14、在一些實(shí)施方式中，所述接枝反應(yīng)的溫度為60-70℃，反應(yīng)時(shí)間為4-6小時(shí)；

15、在一些實(shí)施方式中，所述接枝反應(yīng)完成后，(使用稀酸)調(diào)節(jié)反應(yīng)液的ph值為3-4；反應(yīng)液與無水乙醇的體積比為1:0.5-1:2。

16、在一些實(shí)施方式中，所述木質(zhì)素羧酸鈉與n-異丙基丙烯酰胺的用量比為1:3-1:5；

17、在一些實(shí)施方式中，所述引發(fā)劑為過硫酸銨；

18、在一些實(shí)施方式中，所述引發(fā)劑用量為木質(zhì)素羧酸鈉與n-異丙基丙烯酰胺總質(zhì)量的0.5-2.5wt％。

19、在一些實(shí)施方式中，所述反應(yīng)液與無水乙醇的體積比為1:0.5-1:2。

20、在一些實(shí)施方式中，所述nipaam-木質(zhì)素羧酸鈉、羥丙基纖維素、海藻酸鈉的質(zhì)量比為4～9：1～3，2～6；

21、在一些實(shí)施方式中，所述鈣鹽溶液的濃度為3-6wt％。

22、更具體的，包括：

23、(1)將硫酸鹽漿黑液用去離子水稀釋，過濾得初步純化后的黑液。將其攪拌分散，并向其中逐滴加入一定量稀酸溶液使木質(zhì)素析出，洗滌純化得到純化木質(zhì)素。

24、(2)將所述純化木質(zhì)素用氫氧化鈉調(diào)至堿性，加入氯乙酸，并升溫進(jìn)行接枝反應(yīng)。反應(yīng)完成后，將反應(yīng)液冷卻、稀釋，調(diào)節(jié)ph值，加入無水乙醇，攪拌至溶液渾濁，離心沉淀。多次用乙醇水混合液離心洗滌沉淀物，得到純凈的木質(zhì)素羧酸鈉。

25、(3)將所述木質(zhì)素羧酸鈉稀釋后，升溫?cái)嚢柚镣耆芙狻Ｍㄈ氲獨(dú)鈩?chuàng)造無氧環(huán)境，隨后加入n-異丙基丙烯酰胺nipaam并攪拌至完全溶解。逐滴加入aps溶液活化反應(yīng)體系，升溫進(jìn)行接枝改性反應(yīng)。反應(yīng)完成后，將反應(yīng)液冷卻、稀釋，加入無水乙醇，攪拌至溶液渾濁，離心沉淀。多次用乙醇水混合液離心洗滌沉淀物，得到純凈的nipaam-木質(zhì)素羧酸鈉。

26、(4)將所述nipaam-木質(zhì)素羧酸鈉、羥丙基纖維素、海藻酸鈉充分混合后，倒入特定模具中成型，并在表面噴灑氯化鈣溶液，穩(wěn)定一段時(shí)間后，冷凍干燥成空氣集水凝膠材料。

27、本發(fā)明的第二個(gè)方面，提供了上述的方法制備的生物質(zhì)基空氣集水凝膠。

28、本發(fā)明的第三個(gè)方面，提供了上述的生物質(zhì)基空氣集水凝膠在制備集水器中的應(yīng)用。

29、本發(fā)明的有益效果

30、(1)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與機(jī)械性能提升：通過創(chuàng)新性地將羥丙基纖維素、nipaam-木質(zhì)素羧酸鈉和海藻酸鈉進(jìn)行集成，成功構(gòu)筑了三重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，顯著提升了空氣集水凝膠材料的機(jī)械強(qiáng)度和耐久性。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得材料在長期使用過程中能夠保持良好的結(jié)構(gòu)完整性。

31、(2)環(huán)境友好與安全性：本材料選用的主要組分，包括羥丙基纖維素、nipaam-木質(zhì)素羧酸鈉、海藻酸鈉以及氯化鈣，均具有低毒、無毒特性和較強(qiáng)的吸水性能，有效避免了傳統(tǒng)空氣集水材料中氯化鋰等有毒吸濕性物質(zhì)的使用，大幅提高了材料的環(huán)境友好性和使用安全性。

32、(3)光熱特性與智能調(diào)控：通過引入木質(zhì)素組分，賦予材料良好的光熱轉(zhuǎn)換特性。結(jié)合羥丙基纖維素和nipaam的溫度響應(yīng)特性，使材料能夠在無光照條件下(<35℃)高效吸水，而在光照條件下(>45℃)實(shí)現(xiàn)可控脫水，實(shí)現(xiàn)了集水過程的智能化調(diào)控。

33、(4)綜合性能優(yōu)異：本發(fā)明制備的空氣集水凝膠材料集無毒性、高強(qiáng)度、高吸水性和可控脫水性于一體，克服了傳統(tǒng)空氣集水材料在安全性、耐用性和可控性等方面的不足，是一種性能優(yōu)異的空氣集水凝膠材料。

34、通過上述創(chuàng)新設(shè)計(jì)，本發(fā)明不僅解決了傳統(tǒng)空氣集水材料存在的技術(shù)瓶頸，還為空氣集水領(lǐng)域提供了一種新型高效、安全可靠的材料解決方案，具有顯著的技術(shù)進(jìn)步和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。