本发明涉及光热材料，具体涉及一种3d打印仿生太阳能蒸发器及其制备方法与其在纳米塑料污水净化中的应用。
背景技术：
1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
2、塑料广泛应用于工业生产和人们的日常生活中。据统计，全球每年向海洋、河流和湖泊排放的塑料废物达到900万至2300万吨。水体中的塑料废物通过风化、生物降解、光降解、热降解分解成粒径较小(1～100nm)的纳米塑料。由于纳米塑料的的比表面积大、表面性质复杂、抗降解性好特性，使水体中的纳米塑料污染日益严重。
3、目前处理水体中纳米塑料的方法主要有吸附剂吸附和混凝沉淀等，其中，吸附法因其操作简单、成本低，被认为是最优发展前途的方法之一。然而吸附法中的吸附剂会随着吸附的进行而逐渐被堵塞，降低了净化速度。
4、太阳界面蒸发是一种新兴的水处理技术，其原理是通过光热效应使得水在多孔材料表面产生蒸发，从而实现水的净化。3d打印是一种典型的增材制造技术，通过调控3d打印模型及程序构建出任意结构的产品。目前尚未发现联合3d打印技术与太阳界面蒸发技术用于除水体中的纳米塑料的报道。
技术实现思路
1、为了克服上述问题，本发明提供了一种3d打印仿生太阳能蒸发器及其制备方法与应用。本发明通过3d打印制备出具有高粱秸秆形貌的3d打印仿生太阳能蒸发器基座，采用高粱秸秆碳化制备的碳粉修饰，构建了具有碳粉表面修饰的3d打印仿生太阳能蒸发器。在整个太阳光谱范围内具有良好的光吸收性能，且具有较高的蒸发速率和太阳能蒸汽转化效率，因此可以将其作为太阳能蒸发器。利用本发明提供的基于3d打印仿生太阳能蒸发器可以有效的去除水体中的纳米塑料，实现水体的净化。
2、为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
3、本发明的第一个方面，提供了一种3d打印仿生太阳能蒸发器的制备方法，包括：将丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇溶解于n-异丙基丙烯酰胺水溶液中，搅匀后得到a溶液；将光引发剂与有机溶剂搅匀后得到b溶液；将a溶液加入b溶液中混匀，得到3d打印墨水；
4、采用3d打印墨水进行3d打印，得到具有仿高粱维管束结构的基座；
5、将所述仿高粱维管束结构的基座浸入碳粉悬浊液中，取出、干燥，得到3d打印仿生太阳能蒸发器。
6、在一些实施方式中，n-异丙基丙烯酰胺水溶液的浓度为3～7mol·l-1；所述a溶液中，n-异丙基丙烯酰胺、丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇溶的摩尔比值为(3～7):(0.5～1):(0.001～0.01):(0.0001～0.002)；所述聚乙二醇二丙烯酸酯的平均分子量为200～600g·mol-1，优选为200g·mol-1；所述聚乙二醇的分子量为200～20000g·mol-1，优选10000g·mol-1。
7、在一些实施方式中，所述光引发剂为2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、1-羟基环己基苯基甲酮或2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮中的一种或多种；所述有机溶剂为丙酮、醋酸乙酯、异丙醇或甲醇中的一种或多种；所述光引发剂的浓度为0.1～0.6mol·l-1。
8、在一些实施方式中，所述b溶液与a溶液混合体积比为1：(5-10)。
9、在一些实施方式中，所述3d打印为先通过计算机设计建立仿高粱维管束结构的模型，然后在紫外光作用下固化。
10、在一些实施方式中，所述碳粉为将秸秆在n2在600～1200℃下碳化处理2～6h即得；所述秸秆为高粱秸秆、甘蔗秸秆或玉米秸秆中的一种或多种。
11、在一些实施方式中，所述碳粉悬浊液浓度为12-18wt％；所述浸入碳粉悬浊液的时间为0.5～1h；干燥的温度为5-～80℃，干燥的时间为0.5～1h。
12、本发明通过加入聚乙二醇作为亲水剂，有利于提高3d打印基座的亲水性及输水能力；将光引发剂溶解于有机溶剂中，再将a溶液加入b溶液中，从而提高光引发剂在3d打印墨水中的分散的均匀性。
13、本发明的第二个方面，提供了一种3d打印仿生太阳能蒸发器采用第一方面的制备方法制备，所述3d打印仿生太阳能蒸发器具有仿高粱维管束结构，所述3d打印仿生太阳能蒸发器的表面分布均匀碳粉，所述碳粉的含量为12～28wt％。
14、本发明提供的碳粉作为光热材料，在整个太阳光谱范围内具有良好的光吸收性能，能够将太阳能转化为热能用于光热蒸发，因此可以作为太阳能蒸发器。
15、本发明的第三个方面，提供第二方面所述的3d打印仿生太阳能蒸发器在水处理中的应用。
16、在一种或多种实施方式中，所述水处理包括海水蒸发和污水处理。
17、优选的，污水处理包括酸碱污水净化、有机染料污水净化以及纳米塑料污水净化。
18、本发明的有益效果在于：
19、(1)本发明通过n-异丙基丙烯酰胺、丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇在光引发剂和紫外光的作用下交联聚合构建了仿生太阳能蒸发器基座，本发明采用有机溶剂作为过渡溶剂，将光引发剂溶解于有机溶剂中，再将a溶液加入b溶液中，从而提高光引发剂在3d打印墨水中的分散的均匀性。该仿生太阳能蒸发器基座具有仿高粱维管束结构，具有丰富的孔隙，有利于水分的输送。
20、(2)本发明在仿生太阳能蒸发器基座的表面修饰碳粉，该碳粉具有优异的光热性能、良好的亲水性。本发明提供的3d打印仿生太阳能蒸发器在整个太阳光谱范围内具有良好的光吸收性能，能够将太阳能转化为热能用于光热蒸发。因此，可以将其作为太阳能蒸发器。同时良好的亲水性和丰富的孔隙可以加快对水分的吸附以及蒸发，使其具有较高的蒸发速率以及太阳能蒸汽转化效率；具体的，3d打印仿生太阳能蒸发器，在1个标准太阳辐照强度下蒸发速率可达3.443kg·m-2·h-1，太阳能蒸汽转化效率可达117.8％。
21、(3)在蒸发净化过程中，含纳米塑料的污水不断被输送到蒸发界面，由于碳粉具有优异的光热效应，在蒸发界面可以吸收太阳能并转化为热能，产生对流抬升，从而使水蒸气向上移动；然而，由于纳米塑料的密度远远大于空气密度，对流抬升无法将其向上抬升，纳米塑料会保留在污水中，从而实现了纳米塑料与清洁水蒸气的分离。
22、(4)本发明采用3d打印仿生太阳能蒸发器实现了含纳米塑料的污水中纳米塑料和水分直接进行分离，仅需太阳进行供能，无需其额外能量。净化方法简单易行、成本低、清洁高效，易于工业推广。
23、(5)本发明将纳米塑料的去除与太阳界面蒸发相结合，在缓解纳米塑料污染和水资源短缺方面具有很大的潜力。此外，本发明提供的纳米塑料去除的方法也将为纳米塑料去除技术的发展和太阳界面蒸发技术的应用开辟新的途径。
1.一种3d打印仿生太阳能蒸发器的制备方法，其特征在于，
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，n-异丙基丙烯酰胺水溶液的浓度为3.0～7.0mol·l-1；所述a溶液中，n-异丙基丙烯酰胺、丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇溶的摩尔比值为(3～7):(0.5～1):(0.001～0.01):(0.0001～0.002)；所述聚乙二醇二丙烯酸酯的平均分子量为200～600g·mol-1，优选为200g·mol-1；所述聚乙二醇的分子量为200～20000g·mol-1，优选10000g·mol-1。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述光引发剂为2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、1-羟基环己基苯基甲酮或2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮中的一种或多种；所述有机溶剂为丙酮、醋酸乙酯、异丙醇或甲醇中的一种或多种；所述光引发剂的浓度为0.1～0.6mol·l-1。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述b溶液与a溶液混合体积比为1：(5-10)。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述3d打印为先通过计算机设计建立仿高粱维管束结构的模型，然后在紫外光作用下固化。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳粉为将秸秆在n2在600～1200℃下碳化处理2～6h即得；所述秸秆为高粱秸秆、甘蔗秸秆或玉米秸秆中的一种或多种。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳粉悬浊液浓度为12-18wt％；所述浸入碳粉悬浊液的时间为0.5～1h；干燥的温度为50～80℃，干燥的时间为0.5～1h。
8.一种权利要求1～7任一项所述的制备方法得到3d打印仿生太阳能蒸发器，其特征在于，所述3d打印仿生太阳能蒸发器具有仿高粱维管束结构，所述3d打印仿生太阳能蒸发器的表面分布均匀碳粉，所述碳粉的含量为12～28wt％。
9.一种权利要求8所述的3d打印仿生太阳能蒸发器在水处理中的应用。
10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，所述水处理包括海水蒸发和污水处理；
