CN107879405A - 一种太阳能水蒸发纯化和分解装置 - Google Patents
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Abstract
一种太阳能水蒸发纯化和分解装置，包括自下而上依次连接的水供应线路、漂浮和绝热层、蒸发层和光热转换和溶质阻挡层。水供应线路利用毛细作用将水穿过漂浮和绝热层抽至蒸发层，光热转换和溶质阻挡层吸收太阳能转换为热，加热水从蒸发层气化为水蒸气，通过光热转换和溶质阻挡层的孔道挥发，部分水汽被分解产生氢气和氧气，由于光热转换和溶质阻挡层含疏水部分，不会被水浸润，所以太阳能可以只直接加热吸热材料而不加热水，实现高的光热转换效率，同时阻挡水中的溶质在膜表面析出，实现海水淡化、污水纯化和水分解。本发明通过亲水/疏水双层蒸发结构的设计，得到高光热转换效率、高稳定性的太阳能水蒸发纯化和分解装置。
Description
技术领域
本发明属于材料化学和太阳能转换技术领域，具体涉及一种太阳能水蒸发纯化和分解装置。
背景技术
随着工业化的快速发展，能源和环境问题已成为制约人类社会发展的两大因素，淡水资源和清洁能源的获取至关重要，其中海水淡化获取淡水、污水处理和氢能成为目前研究的热点。海水覆盖了地表70.8％的面积，占全球97％的水量，被认为是无限的水资源。目前，膜法和热法海水淡化已经实用化并生产了大量的淡水。但是这两种技术都存在预处理复杂、能源消耗大、地域限制等问题，高压膜法无法直接处理高盐度的海水并且需要经常更换，热法需要配套的热电站提供热能，限制了海水淡化技术的进一步应用。同时工业和生活中产生大量污水中的重金属、有机物、细菌等各类污染物难以被充分降解和处理，造成了回收利用困难和水体污染。鉴于此，发展新能源海水淡化和污水处理已经成为必然的趋势。太阳能海水淡化以及结合光伏发电技术被认为是一种经济和有效的解决方案。目前以蒸馏法为主的太阳能海水淡化技术普遍存在光热转换效率偏低和稳定性差，即盐分析出导致蒸发装置老化的问题。
传统的太阳能海水淡化装置光热转换主要是利用太阳光中的红外光加热蒸馏，而占太阳能中一半能量的冷光线紫外光和可见光未能被充分利用。为了提高太阳能蒸发的效率，光热转换材料的选择和水汽传输结构的设计是两个主要的因素。对此，许多碳基和具有等离子体共振吸收作用的材料因为可以吸收紫外和可见光相继被报道作为光热转换材料，各种二维和三维的水汽传输通道的设计不断提高了光热转换效率和水蒸气逸出速率，使得水蒸发速率达到了约1.6kgm-1h-1，光热转换效率达到约85％。这为新型高效太阳能海水淡化技术提供了一种全新的解决方案。在实际中，高盐度高溶质含量溶液的蒸发对于装置的稳定性要求极高，目前报道的全亲水材料和结构的装置设计虽然具有高速的蒸发性能，但是水蒸气挥发后盐分或者溶质在装置表面的析出会阻碍水蒸气的持续挥发甚至破坏装置。持续稳定高速水蒸发装置的设计亟待解决。
与此同时，太阳能光催化分解水产氢是获得氢能的一种有效途径。目前光催化分解水的研究主要集中在粉末催化剂，集成光催化产氢装置的设计研究较为缺乏。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够提高太阳光热转换效率，在高盐度高溶质含量溶液的条件下维持高速稳定水蒸发，实现海水淡化、污水纯化和水分解的太阳能水蒸发纯化和分解装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括自下而上依次连接的水供应线路、漂浮和绝热层、蒸发层和光热转换和溶质阻挡层，所述的蒸发层采用亲水、多孔、能承载吸热材料的膜；所述的光热转换和溶质阻挡层由光吸收材料和疏水的表面形成的多孔膜。
所述的水供应线路为具有毛细吸水作用的通道。
所述的漂浮和绝热层为密度低、热导率低隔热性能好、可漂浮于水面的泡沫。
所述的光吸收材料为碳基材料乙炔黑、石墨烯、碳纳米管、碳化钛或聚吡咯，半导体材料二氧化钛、氧化锌、氮化碳、硫化镉、碲化镉、铜铟镓硒或铜锌锡硫以及所述材料所形成的复合物或异质结。
所述的疏水的表面是在部分或者全部光吸收材料表面包覆疏水的分子层，所述的分子层为油胺、油酸、十六胺或十七氟癸基三甲氧基硅烷。
本发明水供应线路利用毛细作用将水穿过漂浮和绝热层抽至蒸发层，光热转换和溶质阻挡层吸收太阳能转换为热，加热水从蒸发层气化为水蒸气，通过光热转换和溶质阻挡层的孔道挥发，部分水汽被分解产生氢气和氧气，由于光热转换和溶质阻挡层含疏水部分，不会被水浸润，所以太阳能可以只直接加热吸热材料而不加热水，实现高的光热转换效率，同时阻挡水中的溶质在膜表面析出，实现海水淡化、污水纯化和水分解。本发明通过亲水/疏水双层蒸发结构的设计，得到高光热转换效率、高稳定性的太阳能水蒸发纯化和分解装置。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
1、本发明通过亲水/疏水双层蒸发结构的设计，由亲水层提供水供应和蒸发传输通道，由于疏水层的阻挡，装置表面不会被水浸润，太阳能可以只直接加热吸热材料而不加热水，实现高的光热转换效率，同时阻止水中溶质的析出，实现高速稳定的水蒸发。
2、本发明采用的光热转换材料具有广谱吸收特性，光谱吸收覆盖整个太阳能光谱，特别对紫外光和可见光有充分的吸收作用，提升了太阳光热转换效率。另外材料的合成及其多孔膜的制备工艺简单、成本低廉、节能环保、适合大规模工业量产。
3、本发明提供的装置可以有效阻挡水中的有机物、重金属、细菌等溶质和悬浮物随水蒸气挥发出来，收集的水经检测，完全符合世界卫生组织和国家生活饮用水卫生标准。
4、本发明采用具有光催化性能的半导体作为吸光材料，可实现在水蒸气挥发过程中的分解，产生氢气和氧气，进一步提高了太阳能利用率，也实现了装置的多功能化。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图。
图2为实施例1制得的亲水/疏水双层蒸发结构的截面扫描电镜照片。
图3为实施例1制得的装置蒸发渤海水的速率。
图4为实施例1制得的装置渤海水淡化前后含盐量。
图5为实施例1制得的装置对有机染料、重金属和细菌的阻挡率。
具体实施方式
下面结合实施例与附图对本发明做进一步详细说明。
参见图1，本发明包括自下而上依次连接的具有毛细吸水作用通道的水供应线路1，密度低、热导率低隔热性能好、可漂浮于水面的泡沫制成的漂浮和绝热层2、蒸发层3和光热转换和溶质阻挡层4，所述的蒸发层3采用亲水、多孔、能承载吸热材料的膜；所述的光热转换和溶质阻挡层4由光吸收材料和疏水的表面形成的多孔膜，其中光吸收材料为碳基材料乙炔黑、石墨烯、碳纳米管、碳化钛或聚吡咯，半导体材料二氧化钛、氧化锌、氮化碳、硫化镉、碲化镉、铜铟镓硒或铜锌锡硫以及所述材料所形成的复合物或异质结，疏水的表面是在部分或者全部光吸收材料表面包覆疏水的分子层，所述的分子层为油胺、油酸、十六胺或十七氟癸基三甲氧基硅烷。
水供应线路1利用毛细作用将水穿过漂浮和绝热层2抽至蒸发层3，光热转换和溶质阻挡层4吸收太阳能转换为热，加热水从蒸发层3气化为水蒸气，通过光热转换和溶质阻挡层4的孔道挥发，部分水汽被分解产生氢气和氧气，由于光热转换和溶质阻挡层4含疏水部分，不会被水浸润，所以太阳能可以只直接加热吸热材料而不加热水，实现高的光热转换效率，同时阻挡水中的溶质在膜表面析出，实现海水淡化、污水纯化和水分解。
各实施例的水蒸发纯化和分解测试方法为：采用300W氙灯(PLS-SXE300UV，北京泊菲莱科技有限公司)结合AM 1.5G滤光片模拟太阳光源，将装置漂浮于水面上，采用精密天平来得到水蒸气蒸发质量，计算蒸发速率和光热转换效率，在光解水系统(Labsolar-IIIAG，北京泊菲莱科技有限公司)中测试氢气产量。在海水淡化中，采用渤海水进行蒸发测试，收集蒸发前后的水进行元素分析，得到含盐量；在污水处理中，采用有机染料罗丹明B、甲基橙、甲基蓝，重金属离子Fe3+、Cu2+、Cr6+，常见细菌大肠杆菌、金黄色葡萄球菌，来模拟工业和生活污水，收集蒸发前后的水进行分析，得到有机染料、重金属和细菌的阻挡率。
下面通过具体实施例进行详细说明。
实施例1：
采用油胺作为反应溶剂和表面活性剂，乙酸铜、氯化亚锡、二氧化硒为反应物，一锅热分解法合成疏水的Cu2SnSe3多孔纳米球。将Cu2SnSe3多孔纳米球离心清洗后，分散于环己烷中，真空抽滤到亲水的混合纤维素膜上，形成亲水/疏水双层蒸发结构，作为蒸发层(3)/光热转换和溶质阻挡层(4)。采用聚氨酯泡沫作为漂浮和绝热层(2)，采用吸水的无纺布作为水供应线路(1)。
参见图2，用扫描电镜观察到明显的双层结构，具有丰富的孔道；
参见图3，渤海水蒸发结果显示，该装置具有稳定的蒸发速率；
参见图4、图5可以看出本发明能够有效地进行海水脱盐和除去有机染料、重金属和细菌，具有优异的水纯化效果。
实施例2：
采用丝网印刷法将P25TiO2和CdTe浆料涂覆到多孔吸水陶瓷片上，退火后形成多孔层。用十七氟癸基三甲氧基硅烷溶液对最上层材料进行疏水改性，形成亲水/疏水双层蒸发结构，作为蒸发层(3)/光热转换和溶质阻挡层(4)。采用聚苯乙烯泡沫作为漂浮和绝热层(2)，采用吸水的滤纸作为水供应线路(1)。
实施例3：
采用十六胺作为表面活性剂，乙二醇为溶剂，氯化铜、乙酸锌、氯化亚锡、硫脲为原料，采用溶胶-凝胶法旋涂于亲水的滤纸表面，热处理后形成疏水的Cu2ZnSnS4多孔层，形成亲水/疏水双层蒸发结构，作为蒸发层(3)/光热转换和溶质阻挡层(4)。采用聚乙烯泡沫作为漂浮和绝热层(2)，采用吸水的棉花作为水供应线路(1)。
实施例4：
将疏水的碳纳米管分散于丙酮中，采用亲水的铁丝网作为工作电极，铂片作为对电极，施加100V/cm的电场，采用电泳沉积法将碳纳米管沉积到铁丝网上，形成亲水/疏水双层蒸发结构，作为蒸发层(3)/光热转换和溶质阻挡层(4)。采用聚氯乙烯泡沫作为漂浮和绝热层(2)，采用吸水的海绵作为水供应线路(1)。
实施例5：
采用油胺作为反应溶剂和表面活性剂，氯化铜、氯化铟、硫粉为反应物，一锅热分解法合成疏水的CuInS2量子点。将CuInS2量子点分散于N,N-二甲基甲酰胺中，与聚丙烯腈混纺，采用静电纺丝技术将CuInS2量子点镶嵌在聚丙烯腈布上，形成亲水/疏水双层蒸发结构，作为蒸发层(3)/光热转换和溶质阻挡层(4)。采用酚醛树脂作为漂浮和绝热层(2)，采用吸水的蜜胺泡绵作为水供应线路(1)。
实施例6：
采用喷涂法将疏水的CuInGaSe2浆料涂覆到多孔吸水陶瓷片上，热处理后形成多孔层，形成亲水/疏水双层蒸发结构，作为蒸发层(3)/光热转换和溶质阻挡层(4)。采用聚氨酯泡沫作为漂浮和绝热层(2)，采用吸水的棉花作为水供应线路(1)。
本发明通过亲水/疏水双层蒸发结构的设计，得到高光热转换效率、高稳定性的太阳能水蒸发纯化和分解装置。本发明装置利用水供应线路利用毛细作用将水穿过漂浮和绝热层抽至蒸发层，光热转换和溶质阻挡层吸收太阳能转换为热，加热水从蒸发层气化为水蒸气，通过光热转换和溶质阻挡层的孔道挥发，部分水汽被分解产生氢气和氧气，由于光热转换和溶质阻挡层含疏水部分，不会被水浸润，所以太阳能可以只直接加热吸热材料而不加热水，实现高的光热转换效率，同时阻挡水中的溶质在膜表面析出，实现海水淡化、污水纯化和水分解，并为其在电热转换、浓差发电、光伏发电、光催化、抗菌等方面应用提供了潜在的应用价值和设计思路。这种太阳能水蒸发纯化和分解装置适合大规模廉价工业化生产，而且很容易通过替换材料和各部件，直接拓展到其他应用领域。
Claims (5)
1.一种太阳能水蒸发纯化和分解装置，其特征在于：包括自下而上依次连接的水供应线路(1)、漂浮和绝热层(2)、蒸发层(3)和光热转换和溶质阻挡层(4)，所述的蒸发层(3)采用亲水、多孔、能承载吸热材料的膜；所述的光热转换和溶质阻挡层(4)由光吸收材料和疏水的表面形成的多孔膜。
2.根据权利要求1所述的太阳能水蒸发纯化和分解装置，其特征在于：所述的水供应线路(1)为具有毛细吸水作用的通道。
3.根据权利要求1所述的太阳能水蒸发纯化和分解装置，其特征在于：所述的漂浮和绝热层(2)为密度低、热导率低隔热性能好、可漂浮于水面的泡沫。
4.根据权利要求1所述的太阳能水蒸发纯化和分解装置，其特征在于：所述的光吸收材料为碳基材料乙炔黑、石墨烯、碳纳米管、碳化钛或聚吡咯，半导体材料二氧化钛、氧化锌、氮化碳、硫化镉、碲化镉、铜铟镓硒或铜锌锡硫以及所述材料所形成的复合物或异质结。
5.根据权利要求1所述的太阳能水蒸发纯化和分解装置，其特征在于：所述的疏水的表面是在部分或者全部光吸收材料表面包覆疏水的分子层，所述的分子层为油胺、油酸、十六胺或十七氟癸基三甲氧基硅烷。
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