CN103964526B - 一种太阳能微聚光毛细蒸发海水淡化膜 - Google Patents

一种太阳能微聚光毛细蒸发海水淡化膜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能微聚光毛细蒸发海水淡化膜，属于太阳能集热和海水淡化技术领域。本发明包括亲水多孔材料、下层膜体、上层膜体和两个以上的海水淡化单元，每个淡化单元利用微聚光透镜聚光，加热底部的毛细碳纤维管束，由于毛细作用，海水被吸附至纤维管束上端面，在太阳光斑加热作用下蒸发，水蒸气在遇冷后凝结，凝结后的水滴被亲水纤维垫圈吸收，储存在亲水多孔材料中，最终实现海水淡化的目的。此太阳能淡化装置可折叠，携带方便，膜中大数量海水淡化微单元可有效的蒸发海水，实现高效轻便的海水淡化。

Description

一种太阳能微聚光毛细蒸发海水淡化膜
技术领域
发明涉及一种利用太阳能微透镜聚光和毛细管作用的海水淡化膜，属太阳能集热、海水淡化技术领域。
背景技术
淡水作为一种珍稀资源，特别是在淡水资源十分匮乏的沿海地区，越来受到重视，从地球上储量最大的海水中提取出淡水的技术也成为关注热点。目前海水淡化的方法有多种，主要有反渗透膜法、蒸馏法等。
反渗透膜法利用渗透压的原理实现海水淡化。在正常的情况下，当用渗透膜将淡水和海水隔开时，淡水中的水分子会在渗透压的作用下向海水一侧渗透。但是当在海水一侧施加大于渗透压的压力时，可以使海水中的水分子通过渗透膜向淡水一侧渗透，而海水中的盐产生的离子由于体积较大无法通过渗透膜，从而使水分子和盐分子分离，得到淡水。反渗透膜法的优点是装置占地面积小，处理出来的水质稳定；缺点是装置复杂，须有高压设备，需要额外供电，渗透膜的价格也较高，渗透膜由于技术流程的问题，在压力下不可避免的会被栓塞，会被污染，必须定期清洁，检查，后期运营成本相对较高，且容易造成二次污染。
蒸馏法的原理很简单，海水烧到沸腾，淡水蒸发为蒸汽，盐留在锅底，蒸汽冷凝为蒸馏水，即是淡水。这种古老的海水淡化方法，消耗大量能源，产生大量锅垢，很难大量生产淡水。因此现代又提出了多级闪急蒸馏淡化：水在常规气压下，加热到100℃才沸腾成为蒸汽。如果使适当加温的海水，进入真空或接近真空的蒸馏室，便会在瞬间急速蒸发为蒸汽，利用这一原理，做成多级闪急蒸馏海水淡化装置。此种淡化装置可以造得比较大，真空蒸发室可以造得比较多，连接起来，成为大型海水淡化工厂。这种淡化工厂，占地面积广，需要与热电厂建在一起，利用热电厂的余热加热海水，才能大大降低生产成本，现行大型海水淡化厂，大多采用此法。
上面这些方法首先需要消耗大量燃料和电能，且投资大，多以金属作为主材料、设备重、占地广，浪费陆地资源，携带安装不方便，安装后只能固定使用，移动性差。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种太阳能微聚光毛细蒸发海水淡化膜，该海水淡化膜直接利用太阳光生产淡水，并且能够在常温下运行。
一种太阳能微聚光毛细蒸发海水淡化膜，包括亲水多孔材料、下层膜体、上层膜体和两个以上的海水淡化单元，海水淡化单元包括圆筒腔、第一次微聚光透镜、中部隔层、第二次微聚光透镜、纤维垫圈、海水进水管和毛细碳纤维管束；其中，亲水多孔材料为平面结构，亲水多孔材料上均布有设置海水淡化单元的圆柱形通孔；毛细碳纤维管束是由单根毛细碳纤维管并列固定形成的管束。
圆筒腔设置位于圆柱形通孔内，圆筒腔的下端面与亲水多孔材料的下表面平齐，上端面高于亲水多孔材料的上表面，亲水多孔材料的下表面上粘贴有下层膜体，下层膜体阻止亲水多孔材料与海水接触，亲水纤维垫圈设置在圆筒腔的下端面与下层膜体之间并延伸至亲水多孔材料内部，毛细碳纤维管束固定在海水进水管内部，毛细碳纤维管束与海水进水管共同垂直贯穿纤维垫圈和下层膜体并通过海水进水管固定在纤维垫圈上；第二次微聚光透镜通过中部隔层水平固定在圆筒腔的中下部，第一次微聚光透镜固定在圆筒腔的上端面，亲水多孔材料之上第一次微聚光透镜所在的平面由上层膜体封闭。
工作原理：淡化膜工作时需要放置有阳光的海面上，太阳光线经第一次微聚光透镜聚光后打在第二次微聚光透镜上，再由微聚光透镜二次聚光打在毛细碳纤维管束上，毛细碳纤维管束吸附海水至其上表面，吸附上来的海水被第二次微聚光透镜的聚光斑加热，产生水蒸气，水蒸气在由圆筒腔下部壁面、中部隔层下表面和亲水纤维垫圈合围形成的空间内凝结，由于第二次微聚光透镜的凸面向上，而不是向下，此放置形式可以避免水蒸气在凸面凝结后滴落回碳纤维管束中；凝结的淡水被亲水纤维垫圈吸收，最后储存在亲水多孔材料中；当淡水达到一定数量时，用户收回淡化膜，可以通过卷起等方式挤压出储存在亲水多孔材料中的淡水，以便使用。
进一步的，在圆筒腔下部壁面、中部隔层下表面和亲水纤维垫圈合围形成的空间内充入密度小于水蒸气的气体，充入的气体浮在水蒸气的上层，可使蒸发的水蒸气停留在蒸发-冷凝腔的底部冷凝，使得冷凝的效率更高。
进一步的，为提高太阳光线倾斜入射圆筒腔时的海水淡化效率，将第二次微聚光透镜、海水进水管、毛细碳纤维管束偏离圆筒腔轴心。
进一步的，为加快出水速度，提高产水效率，圆筒腔倾斜嵌入在亲水多孔材料中，圆筒腔能够全部接受倾斜入射的太阳光线。
进一步的，为使装置更加简单，生产成本更低，取消中部隔层和第二次聚光透镜。
进一步的，为提高膜体表面利用率，同时也提高海水淡化效率，使点聚光变为线聚光，将圆筒腔改为长方体腔，第一次微聚光透镜和第二次微聚光透镜的外形也改为长方体，其纵剖面仍为凸面。
有益效果：
1、本发明直接利用太阳光进行海水淡化，则不需要常规能量输入，利用微小透镜聚光产生热量加热碳纤维毛细管中的海水，产生蒸汽冷凝，由底部亲水纤维材料吸收，后储存在亲水多孔材料中，从而达到生产淡水目的，装置轻便，可折叠，移动性好；
2、本发明使用和操作简单，可直接铺设在海水表面，对淡水的采集也十分简便；亲水多孔材料上具有大数量的海水淡化单元，海水淡化效率高；
3、本发明的组成结构全部使用非金属材料，成本低，利于在海水淡化行业内推广和使用。
4、本发明将第二次微聚光透镜、海水进水管和毛细碳纤维管束偏离圆筒腔轴心或者将圆筒腔倾斜嵌入在亲水多孔材料中，使圆筒腔能够全部接受倾斜入射的太阳光线，能够进一步加快出水速度，提高产水效率；
5、本发明可以取消中部隔层和第二次聚光透镜，使装置更加简单，生产成本更低。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为图1中A处截面放大图；
图3为本发明将第二次微聚光透镜、海水进水管、毛细碳纤维管束偏离圆筒腔轴心的一个实施例的示意图。
图4为本发明将圆筒腔倾斜嵌入在膜体中的一个实施例的示意图。
图5为本发明取消了中部隔层和第二次聚光透镜的一个实施例的示意图。
图6为本发明将圆筒腔改为长方体腔的一个实施例的示意图。
其中，1—第一次微聚光透镜；2—圆筒腔；3—中部隔层；4—第二次微聚光透镜；5—亲水纤维垫圈；6—海水进水管；7—毛细碳纤维管束；8—下层膜体；9—亲水多孔材料；10—上层膜体；11—太阳光线。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如附图1和2所示，本发明提供了一种太阳能微聚光毛细蒸发海水淡化膜，包括亲水多孔材料9、下层膜体8、上层膜体10和两个以上的海水淡化单元，海水淡化单元包括圆筒腔2、第一次微聚光透镜1、中部隔层3、第二次微聚光透镜4、纤维垫圈5、海水进水管6和毛细碳纤维管束7；其中，亲水多孔材料9为平面结构，亲水多孔材料9上均布有设置海水淡化单元的圆柱形通孔；毛细碳纤维管束7是由单根毛细碳纤维管并列固定形成的管束；亲水多孔材料9采用海绵。
圆筒腔2设置位于圆柱形通孔内，圆筒腔2的下端面与亲水多孔材料9的下表面平齐，上端面高于亲水多孔材料9的上表面，亲水多孔材料9的下表面上粘贴有下层膜体8，下层膜体8阻止亲水多孔材料与海水接触，纤维垫圈5设置在圆筒腔2的下端面与下层膜体8之间并延伸至亲水多孔材料9内部，毛细碳纤维管束7固定在海水进水管6内部，毛细碳纤维管束7与海水进水管6共同垂直贯穿纤维垫圈5和下层膜体8并通过海水进水管6固定在纤维垫圈5上；第二次微聚光透镜4通过中部隔层3水平固定在圆筒腔2的中下部，第一次微聚光透镜1固定在圆筒腔2的上端面，亲水多孔材料9之上第一次微聚光透镜1所在的平面由上层膜体10封闭。
工作原理如附图2所示，淡化膜工作时需要放置有阳光的海面上，太阳光线11经第一次微聚光透镜1聚光后打在第二次微聚光透镜4上，再由微聚光透镜4二次聚光打在毛细碳纤维管束7上，毛细碳纤维管束7吸附海水至其上表面，吸附上来的海水被第二次微聚光透镜4的聚光斑加热，产生水蒸气，水蒸气在由圆筒腔2下部壁面、中部隔层3下表面和亲水纤维垫圈5合围形成的空间内凝结，由于第二次微聚光透镜4的凸面向上，而不是向下，此放置形式可以避免水蒸气在凸面凝结后滴落回碳纤维管束7中；凝结的淡水被亲水毛细纤维垫圈5吸收，最后储存在亲水多孔材料9中；当淡水达到一定数量时，用户收回淡化膜，可以通过卷起等方式挤压出储存在亲水多孔材料中的淡水，以便使用。
此外，可以在圆筒腔2下部壁面、中部隔层3下表面和亲水纤维垫圈5合围形成的空间内充入密度小于水蒸气的气体，如氩气等，充入的气体浮在水蒸气的上层，可使蒸发的水蒸气停留在蒸发-冷凝腔的底部冷凝，使得冷凝的效率更高。
在图3所示的一个实施例中，将第二次微聚光透镜4、海水进水管6、毛细碳纤维管束7偏离圆筒腔2轴心，此结构形式可在太阳光线11倾斜入射时提高海水淡化效率。
在图4所示的一个实施例中，圆筒腔2倾斜嵌入在亲水多孔材料9中，此结构形式可全部接受倾斜入射的太阳光线11，加快出水速度，提高产水效率。
在图5所示的一个实施例中，取消了中部隔层3和第二次聚光透镜4，使装置更加简单，成本更低。
在图6所示的一个实施例中，将圆筒腔2改为长方体腔，第一次微聚光透镜1和第二次微聚光透镜4的外形也改为长方体，其纵剖面仍为凸面，上述改变使点聚光变为线聚光，提高膜体表面利用率，同时也提高海水淡化效率。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种太阳能微聚光毛细蒸发海水淡化膜，其特征在于，包括亲水多孔材料(9)、下层膜体(8)、上层膜体(10)和两个以上的海水淡化单元，海水淡化单元包括圆筒腔(2)、第一次微聚光透镜(1)、中部隔层(3)、第二次微聚光透镜(4)、亲水纤维垫圈(5)、海水进水管(6)和毛细碳纤维管束(7)；其中，所述亲水多孔材料(9)为平面结构，亲水多孔材料(9)上均布有设置海水淡化单元的圆柱形通孔；所述毛细碳纤维管束(7)是由单根毛细碳纤维管并列固定形成的管束；
所述圆筒腔(2)设置位于圆柱形通孔内，圆筒腔(2)的下端面与亲水多孔材料(9)的下表面平齐，上端面高于亲水多孔材料(9)的上表面，亲水多孔材料(9)的下表面上粘贴有下层膜体(8)，下层膜体(8)阻止亲水多孔材料(9)与海水接触，亲水纤维垫圈(5)设置在圆筒腔(2)的下端面与下层膜体(8)之间并延伸至亲水多孔材料(9)内部，毛细碳纤维管束(7)固定在海水进水管(6)内部，毛细碳纤维管束(7)与海水进水管(6)共同垂直贯穿亲水纤维垫圈(5)和下层膜体(8)并通过海水进水管(6)固定在亲水纤维垫圈(5)上；第二次微聚光透镜(4)通过中部隔层(3)水平固定在圆筒腔(2)的中下部，第一次微聚光透镜(1)固定在圆筒腔(2)的上端面，亲水多孔材料(9)之上第一次微聚光透镜(1)所在的平面由上层膜体(10)封闭。
2.如权利要求1所述的太阳能微聚光毛细蒸发海水淡化膜，其特征在于，在所述圆筒腔(2)下部壁面、中部隔层(3)下表面和亲水纤维垫圈(5)合围形成的空间内充入密度小于水蒸气的气体。
3.如权利要求1或2所述的太阳能微聚光毛细蒸发海水淡化膜，其特征在于，所述第二次微聚光透镜(4)、海水进水管(6)和毛细碳纤维管束(7)偏离圆筒腔(2)轴心。
4.如权利要求1或2所述的太阳能微聚光毛细蒸发海水淡化膜，其特征在于，所述圆筒腔(2)倾斜嵌入在亲水多孔材料(9)中。
5.如权利要求1所述的太阳能微聚光毛细蒸发海水淡化膜，其特征在于，取消了中部隔层(3)和第二次聚光透镜(4)。
6.如权利要求1所述的太阳能微聚光毛细蒸发海水淡化膜，其特征在于，将所述将圆筒腔(2)改为长方体腔，第一次微聚光透镜(1)和第二次微聚光透镜(4)的外形也改为长方体，其纵剖面仍为凸面。
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