本申请属于太阳能水蒸发材料，尤其涉及一种用于实现高太阳能水蒸发速率的改性水凝胶及其制备方法和应用。
背景技术：
1、太阳能水蒸发净水具有低碳环保、成本低廉等优势，已然成为净水领域中的研究热点。然而，受限于光照强度、温度和湿度等环境因素的制约，使得太阳能水蒸发凝胶体的蒸发速率和效率不能满足实际生产需求。因此，开发制备高蒸发速率和高能量利用效率的太阳能水蒸发凝胶体迫在眉睫。
2、目前，太阳能水蒸发凝胶体主要为水凝胶，而改性其蒸发速率和能量利用效率的主要方法有：(1)在太阳能水蒸发凝胶体中共混光热粒子以增强光热转化效率；(2)在太阳能水蒸发凝胶体中设计定向孔道以促进水分子的定向运输；(3)对太阳能水蒸发凝胶进行表面改性以破坏水的氢键网络，实现水的低能蒸发。
3、但是，上述制备方法在实际应用存在如下缺点：一是在太阳能水蒸发凝胶体中共混光热粒子会在实际生产过程中产生局部高温，使得太阳能水蒸发凝胶体快速老化，水蒸发速率和纯化程度快速降低；二是在太阳能水蒸发凝胶体中设计定向孔道需要依赖水在液氮辅助下快速形成柱状冰晶，由于冰晶形成的条件非常苛刻且耗能大，导致实际生产的重复性较差，难以扩大生产规模；三是表面改性主要为化学刻蚀改性，其存在改性步骤冗长，后处理复杂、改性空间精确度不高等问题的同时，改性用化学试剂可能会残留在太阳能水蒸发凝胶体内部并伴随水蒸发过程挥发，不符合环保生产的要求。
技术实现思路
1、本申请通过公开一种用于实现高太阳能水蒸发速率的改性水凝胶及其制备方法和应用，有效解决现有太阳能水蒸发凝胶体制备方法存在的上述技术问题。
2、为了实现上述目的，本申请的第一方面提供了一种用于实现高太阳能水蒸发速率的改性水凝胶的制备方法。本申请的制备方法包括：
3、制备带电荷的纳米粒子；
4、使所述带电荷的纳米粒子在直流电场作用下接枝于太阳能水蒸发凝胶体表面，即得高太阳能水蒸发速率的改性水凝胶。
5、在一些实施方案中，使所述带电荷的纳米粒子在直流电场作用下接枝于太阳能水蒸发凝胶体表面包括：
6、在两电极隔膜电解池体系中，以所述太阳能水蒸发凝胶体为隔膜，加入带电荷的纳米粒子以及盐溶液，进行直流电场接枝处理；
7、所述进行直流电场接枝处理的电场强度优选为5～30v/cm，时间优选为0.5～2h；
8、以及所述盐溶液优选包括钠盐溶液、钾盐溶液。
9、在一些实施方案中，所述带电荷的纳米粒子包括壳层为聚电解质的核-壳胶束、壳层为聚电解质的核-壳复合微凝胶、壳层为聚电解质的核-壳复合金属或无机纳米粒子中的一种。
10、在一些实施方案中，所述聚电解质包括聚丙烯酸和完全季铵化的聚(4-乙烯基吡啶)。
11、在一些实施方案中，所述壳层为聚电解质的核-壳胶束包括完全季铵化的聚苯乙烯-b-聚(4-乙烯基吡啶)核-壳胶束、完全季铵化的聚丙烯酸六氟丁酯-b-聚(4-乙烯基吡啶)核-壳胶束、聚苯乙烯-b-聚丙烯酸核-壳胶束、聚丙烯酸六氟丁酯-b-聚丙烯酸核-壳胶束；
12、其中，所述聚苯乙烯嵌段或所述聚丙烯酸六氟丁酯嵌段中优选还掺杂有光热粒子。
13、在一些实施方案中，所述完全季铵化的聚苯乙烯-b-聚(4-乙烯基吡啶)核-壳胶束的制备方法包括：
14、提供聚苯乙烯-b-聚(4-乙烯基吡啶)嵌段共聚物的核-壳胶束；
15、使所述聚苯乙烯-b-聚(4-乙烯基吡啶)嵌段共聚物核-壳胶束与季铵化试剂在n,n-二甲基甲酰胺和甲醇的共溶剂中发生完全季铵化反应，然后将反应产物在去离子水中透析，并收集完全季铵化的聚苯乙烯-b-聚(4-乙烯基吡啶)嵌段共聚物核-壳胶束在水中的分散液；
16、其中，所述季铵化试剂优选包括卤代芳烃或c个数为1-5的卤代烷烃；
17、所述聚苯乙烯-b-聚(4-乙烯基吡啶)核-壳胶束与季铵化试剂发生完全季铵化反应时，季铵化试剂与聚苯乙烯-b-聚(4-乙烯基吡啶)嵌段共聚物中的吡啶基团的摩尔比优选大于10:1。
18、在一些实施方案中，所述卤代芳烃包括苄基溴、对甲基溴苄；所述c个数为1-5的卤代烷烃包括碘甲烷、碘乙烷、1-碘丙烷、1-碘丁烷、1-碘戊烷、溴甲烷、溴乙烷。
19、在一些实施方案中，所述壳层为聚电解质的核-壳复合微凝胶包括完全季铵化的聚(4-乙烯基吡啶)-b-聚(n-异丙基丙烯酰胺)微凝胶、聚丙烯酸-b-聚(n-异丙基丙烯酰胺)微凝胶。
20、在一些实施方案中，所述壳层为聚电解质的核-壳复合金属或无机纳米粒子包括表面接枝有完全季铵化的聚(4-乙烯基吡啶)或聚丙烯酸的金纳米粒子、五氧化三钛纳米粒子。
21、在一些实施方案中，所述太阳能水蒸发凝胶体包括聚合物水凝胶和超分子水凝胶；
22、其中，所述聚合物水凝胶优选包括聚乙烯醇水凝胶、聚丙烯酰胺水凝胶、聚(2-羟乙基甲基丙烯酸酯)水凝胶、聚丙烯酰胺/琼脂糖双网络水凝胶、聚丙烯酰胺/海藻酸钙双网络水凝胶、聚乙二醇水凝胶，并且所述水凝胶中优选还掺杂有光热粒子；
23、所述超分子水凝胶优选包括环糊精水凝胶、聚(甲基丙烯酰胺-co-甲基丙烯酸)水凝胶。
24、在一些实施方案中，所述光热粒子包括五氧化三钛纳米粒子、三氧化二钛纳米粒子、金纳米粒子、石墨烯和导电炭黑。
25、本申请的第二方面提供了一种高太阳能水蒸发速率的改性水凝胶，该高太阳能水蒸发速率的改性水凝胶通过本申请第一方面所述制备方法制备成。
26、本申请的第三方面提供了一种太阳能水蒸发器，该太阳能水蒸发器包括太阳能水蒸发器本体以及设置于所述太阳能水蒸发器本体出口的太阳能水蒸发组件，其中，所述太阳能水蒸发组件通过本申请高太阳能水蒸发速率的改性水凝胶制备成。
27、与现有技术相比，本申请的优点或有益效果至少包括：
28、本申请提供的制备方法通过使带电荷的纳米粒子在直流电场作用下接枝于太阳能水蒸发凝胶体表面，一方面能够在不改变太阳能水蒸发凝胶体网络结构的基础上大幅降低其表面的化学势，使得水从太阳能水蒸发凝胶体内部向其表面运输转移的速度明显加快，实现了水蒸发速率的提高；另一方面，太阳能水蒸发凝胶体表面接枝带电荷的纳米粒子会使其表面变得粗糙，从而减少光反射并有效增大蒸发面积，使得光照利用率提高，实现水蒸发速率的提高；第三方面，带电荷的纳米粒子之间产生的静电作用可以削弱太阳能水蒸发凝胶体表面水层的氢键网络，有利于促进水的蒸发。
1.一种用于实现高太阳能水蒸发速率的改性水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，使所述带电荷的纳米粒子在直流电场作用下接枝于太阳能水蒸发凝胶体表面包括：
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述带电荷的纳米粒子包括壳层为聚电解质的核-壳胶束、壳层为聚电解质的核-壳复合微凝胶、壳层为聚电解质的核-壳复合金属或无机纳米粒子中的一种。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述聚电解质包括聚丙烯酸和完全季铵化的聚(4-乙烯基吡啶)。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述壳层为聚电解质的核-壳胶束包括完全季铵化的聚苯乙烯-b-聚(4-乙烯基吡啶)核-壳胶束、完全季铵化的聚丙烯酸六氟丁酯-b-聚(4-乙烯基吡啶)核-壳胶束、聚苯乙烯-b-聚丙烯酸核-壳胶束、聚丙烯酸六氟丁酯-b-聚丙烯酸核-壳胶束；
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述完全季铵化的聚苯乙烯-b-聚(4-乙烯基吡啶)核-壳胶束的制备方法包括：
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述壳层为聚电解质的核-壳复合微凝胶包括完全季铵化的聚(4-乙烯基吡啶)-b-聚(n-异丙基丙烯酰胺)微凝胶、聚丙烯酸-b-聚(n-异丙基丙烯酰胺)微凝胶；
8.根据权利要求1～7任一所述的制备方法，其特征在于，所述太阳能水蒸发凝胶体包括聚合物水凝胶和超分子水凝胶；
9.一种高太阳能水蒸发速率的改性水凝胶，其特征在于，根据权利要求1～8任一项所述制备方法制备成。
10.一种太阳能水蒸发器，包括太阳能水蒸发器本体以及设置于所述太阳能水蒸发器本体出口的太阳能水蒸发组件，其特征在于，所述太阳能水蒸发组件通过权利要求9所述的高太阳能水蒸发速率的改性水凝胶制备成。
