CN107829330B - 一种光热蒸馏膜的制备方法及含有该光热蒸馏膜的高效太阳能脱盐装置 - Google Patents

一种光热蒸馏膜的制备方法及含有该光热蒸馏膜的高效太阳能脱盐装置 Download PDF

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Abstract

一种光热蒸馏膜的制备方法及含有该光热蒸馏膜的高效太阳能脱盐装置，属于水资源处理技术领域。所述方法为：将吡咯单体均匀分散于去离子水中；按照长×宽=n+2x：n的比例裁剪纤维纸，将裁剪好的纤维纸放入吡咯单体溶液中预浸润1min~1h；加入氧化剂，摇晃震荡10min~2 h，即得到高吸光度和高水稳定性的的聚吡咯纤维纸。所述装置包括光热蒸馏膜、EPE泡沫、海水箱、倾斜冷凝面、冷凝水箱和冷凝水出水口，其核心部分为具有高效光热转换能力的聚吡咯纤维纸。本发明的优点是：本发明的脱盐装置，结构简单，成本低廉，蒸发效率高，可以存储淡水也可随时取用；本发明中聚吡咯纤维纸与EPE泡沫的双层结构可以有效的减少热损失，在一个太阳光强下（1kW/m2）的光热蒸发效率达到90%。

Description

一种光热蒸馏膜的制备方法及含有该光热蒸馏膜的高效太阳 能脱盐装置
技术领域
本发明属于水资源处理技术领域，具体涉及一种光热蒸馏膜的制备方法及含有该光热蒸馏膜的高效太阳能脱盐装置。
背景技术
当前淡水资源匮乏、能源短缺成为饮用水资源利用面临的主要问题，尤其是沿海地区和偏远海岛地区，海水淡化已成为获取饮用水的主要甚至是唯一的途径，在过去的几十年里，多级闪蒸、多效蒸发和反渗透等海水淡化方法已获得了巨大成功，但是这些方法消耗大量燃料和电力，所以降低海水淡化能耗是关键。太阳能作为一种可持续的绿色能源，成为近年来能源利用的焦点，太阳能光热膜蒸馏技术也逐渐发展起来。
太阳能光热膜蒸馏，是利用一种可以将太阳光转换为热量的材料将海水加热，使水以蒸汽的形式脱除盐分，得到淡化的过程。太阳能光热膜蒸馏用于海水淡化装置目前主要为斜板式，以装置简单方便淡水回收率高为主要目标。目前，研究集中于光热转换膜的制备及光热蒸发效率的提高。从传统的整体加热水到最新研究中的界面加热水，光热蒸发效率得到了极大的提高，尤其是在构建双层结构之后。双层结构一般分为光吸收层和热绝缘层，
热绝缘层多为导热能力差的可漂浮物质，如泡沫等，起保温和支撑作用。光热吸收层研究多集中于具有疏水特征的贵金属和制备复杂的石墨烯，从实用性角度来讲，膜的使用成本过高，并且具有疏水性的膜一定程度上减少水的蒸发面积，使得蒸发效率降低。因此，光吸收能力强的廉价的光热转换膜及光热蒸发效率高的光热膜蒸馏系统是目前研究的重点，也是今后规模使用的必然趋势。发明内容
本发明的目的是为了解决现有光热转换膜的制造成本高并且不具备超亲水性质，光热膜蒸馏系统效率低及蒸发装置复杂的问题，提供一种光热蒸馏膜的制备方法及含有该光热蒸馏膜的高效太阳能脱盐装置。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种光热蒸馏膜的制备方法，所述光热蒸馏膜为聚吡咯纤维纸，所述方法具体步骤如下：
步骤一：取吡咯单体溶于去离子水中，超声分散均匀，得到吡咯单体溶液，其中，超声时间为10~30min，吡咯单体溶液的浓度为0.01~0.5 mol/L；
步骤二：按照长：宽=n+2x：n的比例裁剪纤维纸，其中，n为1~15cm，x为泡沫厚度；
步骤三：将步骤二裁好的纤维纸放入步骤一制备的均匀吡咯单体溶液中，预浸润1min~1h；
步骤四：向步骤三中的吡咯单体溶液中加入FeCl3·6H2O，摇晃震荡10 min~2 h，即得到黑色的聚吡咯纤维纸，其中，吡咯单体与FeCl3·6H2O的摩尔质量比为1:1。
一种上述制备的光热蒸馏膜的高效太阳能脱盐装置，所述装置包括光热蒸馏膜、EPE泡沫、海水箱、倾斜冷凝面板、冷凝水箱和冷凝水出水口；
所述海水箱置于冷凝水箱内，所述倾斜冷凝面板扣合在冷凝水箱上部的敞口端处，在冷凝水箱与海水箱之间的底部设置有一冷凝管出水口，所述光热蒸馏膜紧密贴合在EPE泡沫的上部构成双层结构，双层结构的光热蒸馏膜和EPE泡沫漂浮在海水箱内的海水水面上。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
（1）本发明的脱盐装置，结构简单，成本低廉，蒸发效率高，可以存储淡水也可随时取用。
（2）本发明中聚吡咯纤维纸与EPE泡沫的双层结构可以有效的减少热损失，在一个太阳光强下（1kW/m2）的光热蒸发效率达到90%。
（3）本发明中光热蒸馏膜的成本低廉，膜制备的直接成本约为8~10元人民币/平米。
（4）本发明制备得到的光热转换膜为聚吡咯纤维纸，因为预浸润使得聚吡咯粒子均匀分布于纤维纸表面并嵌入纤维纸内部，材料稳定不易脱落。
（5）本发明中聚吡咯纤维纸充当光的吸收材料，其全光谱吸光率可达95%，即对于光的利用率非常高。
（6）本发明中聚吡咯纤维纸充当水的运输材料，水接触角为0°，即超亲水，可以完全保证蒸发所需水量，并且几乎不减少水的蒸发面积。
（7）本发明中用于蒸馏时，当盐度为零时淡水通量约为1.52 Kg/(m2·h)-1 ，海水盐度下通量为1.42 kg/(m2·h)-1 ，二倍海水盐度下通量为1.33 kg/(m2·h)-1 ，四倍海水盐度下通量为1.22 kg/(m2·h)-1 。
（8）本发明聚吡咯纤维纸的制备过程是全溶剂的化学氧化过程，方法简单易操作，便于大规模生产。
附图说明
图1为实施例1中高效光热膜蒸馏海水淡化系统示意图；
图2为实施例1中的小试装置图；
图3为实施例2制备得到的聚吡咯纤维纸的扫描电镜图；
图4为实施例2制备得到的聚吡咯纤维纸侧面的荧光显微镜图；
图5为实施例2制备得到的聚吡咯纤维纸经过超声2小时后水溶液情况图；
图6为实施例2中纯水蒸发量随时间变化图；
图7为实施例2中一倍海水盐度下8小时内蒸发量随时间变化图；
图8为实施例2中不同盐度下4小时内蒸发量随时间变化图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
聚吡咯作为一种高分子聚合物，具有亲水，易合成，成本低的特点，在光电领域具有广泛应用。聚吡咯的共轭结构使其光谱吸收率非常高，在光热材料领域也是良好的选择。纤维纸具备超亲水性质，其上富含羟基能与聚吡咯完美结合，制成聚吡咯纤维纸。反应完全在水溶液中进行，使得制备非常简便，并且降低了成本。
本发明的脱盐装置采取上下扣合式，更加方便海水的添加及光热膜的更换；超亲水的聚吡咯纤维纸，可以被水瞬间浸润，经浸润后可与EPE泡沫紧密贴合，形成稳定双层结构，便于水的蒸发与运输，无需外加胶水粘合，同时方便装卸；双层结构中EPE泡沫起到漂浮和热绝缘的作用，最大程度的减少热量损失；聚吡咯纤维纸与水接触过程中可以保证聚吡咯颗粒保持稳定不脱落；聚吡咯纤维纸包裹泡沫后两侧垂入水中，通过毛细作用将水提升至光热蒸馏膜，在光照下，膜温度升高，海水转换为水蒸气，上升至倾斜角度布置的倾斜冷凝面，形成分布均匀的水膜，并聚结成液滴，液滴的表面张力和重力作用使其自上而下流动至冷凝水箱，通过冷凝水出口随时方便取用。
本发明的核心是提供一种超亲水、且稳定的高效光热蒸发膜——聚吡咯纤维纸，并基于此提供一种脱盐装置。通过优化的合成实现聚吡咯与纤维纸的锚定式稳固结合，即获得优异的亲水性，继而促进海水在光热蒸馏膜内部的主动运输，又提高聚吡咯纤维纸在水中的长久稳定。本发明的关键点在于：光热蒸发膜，即聚吡咯纤维纸包裹在EPE泡沫上并扎根入水，形成人工红树，通过亲水毛细作用将海水从海水箱提升至蒸发平面；在阳光照射下，膜上的聚吡咯产生热量将水蒸发成水蒸气，并通过纤维纸孔道蒸发；水蒸气至倾斜冷凝面板后冷凝滑落进入冷凝水箱，从冷凝水出水口取出。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种光热蒸馏膜的制备方法，所述光热蒸馏膜为聚吡咯纤维纸，所述方法具体步骤如下：
步骤一：取吡咯单体溶于去离子水中，超声分散均匀，得到吡咯单体溶液，其中，超声时间为10~30 min，吡咯单体溶液的浓度为0.01~0.5 mol/L；
步骤二：按照长：宽=n+2x：n的比例裁剪纤维纸，其中，n为1~15 cm，n的大小影响水运输快慢；x为泡沫厚度，作为蒸发时的吸水根部；
步骤三：将步骤二裁好的纤维纸放入步骤一制备的均匀吡咯单体溶液中，预浸润1min~1h，使得纤维纸充分溶胀并吸入吡咯单体，为聚吡咯纤维纸上形成稳定的锚定结构做准备；
步骤四：向吡咯单体溶液中加入FeCl3·6H2O，摇晃震荡10 min~2 h，即得到黑色的聚吡咯纤维纸，其中，吡咯单体与FeCl3·6H2O的摩尔质量比为1:1；聚吡咯成功修饰纤维纸，并在纤维内部形成锚定结构，使得聚吡咯纤维纸具有稳定的特性。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种光热蒸馏膜的制备方法，所述方法还包括步骤五：将步骤四得到的黑色的聚吡咯纤维纸用去离子水清洗多次至水中无残余黑色颗粒为止。
具体实施方式三：一种含有具体实施方式一或二制备的光热蒸馏膜的高效太阳能脱盐装置，所述装置包括光热蒸馏膜1、EPE泡沫2、海水箱3、倾斜冷凝面板4、冷凝水箱5和冷凝水出水口6；
在冷凝水箱5与海水箱3之间的底部设置有一冷凝管出水口6，所述光热蒸馏膜1紧密贴合在EPE泡沫2的上部构成双层结构，两端扎根入水，通过亲水毛细作用将海水从海水箱3提升至蒸发平面；双层结构的光热蒸馏膜1和EPE泡沫2漂浮在海水箱3内的海水水面上；在阳光直接照射下，膜产生热量将水蒸发，水蒸气至4倾斜冷凝面后冷凝滑落进入5冷凝水箱，从6冷凝水出水口取出。
具体实施方式四：具体实施方式三所述的光热蒸馏膜的高效太阳能脱盐装置，所述冷凝水箱5的容积为海水箱3容积的1~2倍。
具体实施方式五：具体实施方式三或四所述的光热蒸馏膜的高效太阳能脱盐装置，所述倾斜冷凝面板4的倾斜角度为30~80°。
实施例1：
本实施例将海水加入海水箱，将聚吡咯纤维纸浸润后与EPE泡沫贴合，两端扎根水中漂浮在海水箱上，将装置置于阳光之下便可立即启动，如图1 和2所示。
实施例2：
一种光热蒸馏膜的制备方法，以化学氧化的方式将聚吡咯颗粒聚合在纤维纸上的。氧化剂使用为FeCl3 ▪6H2O，吡咯单体与FeCl3 ▪6H2O的摩尔质量比为1:1，反应时间为10min ~2 h。
为验证本发明的效果，进行以下试验：
光热蒸馏膜的制备实验：
将0.1 g 吡咯加入50mL去离子水中，超声分散均匀，将纤维纸裁剪成6×2cm的长方形，浸入吡咯溶液5 min。然后将0.4 g FeCl3 ▪6H2O加入上述溶液，摇晃反应1h，使用去离子水冲洗至水中没有黑色颗粒，烘干备用；
图3是本实施例制备得到聚吡咯纤维纸材料扫描电镜图。可以看出该材料呈纤维结构，经过反应后聚吡咯颗粒均匀的分布于纤维纸表面。
图4是本实施例制备得到聚吡咯纤维纸材料侧面荧光显微镜图。荧光显微镜观察下材料的侧剖面，纤维纸的内核发出荧光而外部被包裹，说明聚吡咯与纤维形成稳定的核壳结构并锚定进入纤维纸内部。
稳定性验证实验：
将聚吡咯纤维纸放入含有50mL水的100mL烧杯中超声2h，其溶液变化情况来验证纤维稳定性。发现即使超声破坏，纤维纸也可以保持较好的强度，水溶液也依然是透明状态，如图5。
蒸发实验：
将6 × 2 cm的聚吡咯纤维纸浸润，贴于2 × 2 × 2 cm的EPE泡沫上，至于100mL烧杯中。将烧杯放至于具有实时记录功能的万法天平上，在太阳光模拟器1 kW/m2的光强下，实时记录30 min内蒸发量变化。如图6。聚吡咯纤维纸在光照下平均温度为42℃，利用公式计算可得光热蒸发效率 ≈ 90%，由于泡沫的热绝缘作用使得其他热损失计算值约为5%。
一倍海水盐度下8小时内蒸发量随时间变化如图7所示，证明在一天中蒸发速率稳定不受影响。当海水浓度逐渐增大时，蒸发速率减小，效果依然很好，仍能达到很多材料在纯水蒸发下达到的速率，如图8所示。

Claims (5)

1.一种光热蒸馏膜的制备方法，其特征在于：所述光热蒸馏膜为聚吡咯纤维纸，所述方法具体步骤如下：
步骤一：取吡咯单体溶于去离子水中，超声分散均匀，得到吡咯单体溶液，其中，超声时间为10~30 min，吡咯单体溶液的浓度为0.01~0.5 mol/L；
步骤二：按照长：宽=n+2x：n的比例裁剪纤维纸，其中，n为1~15cm，x为泡沫厚度；所述光热蒸馏膜紧密贴合在EPE泡沫的上部构成双层结构；
步骤三：将步骤二裁好的纤维纸放入步骤一制备的均匀吡咯单体溶液中，预浸润1min~1h；
步骤四：向吡咯单体溶液中加入FeCl3·6H2O，摇晃震荡10 min~2 h，即得到黑色的聚吡咯纤维纸，将聚吡咯纤维纸与泡沫叠放在一起即可，其中，吡咯单体与FeCl3·6H2O的摩尔质量比为1:1。
2.根据权利要求1所述的一种光热蒸馏膜的制备方法，其特征在于：所述方法还包括步骤五：将步骤四得到的黑色的聚吡咯纤维纸用去离子水清洗多次至水中无残余黑色颗粒为止。
3.一种含有权利要求1或2制备的光热蒸馏膜的高效太阳能脱盐装置，其特征在于：所述装置包括光热蒸馏膜（1）、EPE泡沫（2）、海水箱（3）、倾斜冷凝面板（4）、冷凝水箱（5）和冷凝水出水口（6）；
所述海水箱（3）置于冷凝水箱（5）内，所述倾斜冷凝面板（4）扣合在冷凝水箱（5）上部的敞口端处，在冷凝水箱（5）与海水箱（3）之间的底部设置有一冷凝管出水口（6），所述光热蒸馏膜（1）紧密贴合在EPE泡沫（2）的上部构成双层结构，双层结构的光热蒸馏膜（1）和EPE泡沫（2）漂浮在海水箱（3）内的海水水面上。
4.根据权利要求3所述的光热蒸馏膜的高效太阳能脱盐装置，其特征在于：所述冷凝水箱（5）的容积为海水箱（3）容积的1~2倍。
5.根据权利要求3或4所述的光热蒸馏膜的高效太阳能脱盐装置，其特征在于：所述倾斜冷凝面板（4）相对于垂直方向的倾斜角度为30~80°。
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