CN108178219B - 基于mof材料的太阳能海水淡化系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于MOF材料的太阳能海水淡化系统，以太阳能作为唯一驱动能，不消耗高品质的能源，实现高效海水淡化，其特征在于，包括：毛细驱动蒸发装置，包含：壳体、位于壳体内的毛细蒸发芯和蒸汽冷凝器，壳体被毛细蒸发芯分为上下两个腔体，位于下部的腔体作为海水补偿室，位于上部的腔体作为蒸汽室；至少两个MOF装置，每个MOF装置都包含：透明蒸发腔，设置在透明蒸发腔中的MOF材料层，和位于MOF材料层表面的吸光涂层，透明蒸发腔通过蒸汽输送管道的送气端与蒸汽室相连通，并通过蒸汽输送管道的排气端与蒸汽冷凝器的进气端相连通，将水蒸汽输入进气端；以及淡水排出管部，与蒸汽冷凝器的排水口相连，排出冷凝成的淡水。

Description

基于MOF材料的太阳能海水淡化系统

技术领域

本发明属于海水淡化及清洁能源利用领域，具体涉及一种能够基于MOF材料的太阳能海水淡化系统。

背景技术

人类日益增长的淡水需求量与匮乏的淡水资源的之间的矛盾逐渐成为限制人类发展的主要矛盾。海水淡化提供了一种不受限制且稳定的淡水补充途径，是解决天然淡水资源缺乏的最具前景的方法之一。现行的海水淡化技术主要包括热发和反渗透法，这两种方法都是通过消耗高品位能源来获取淡水。而且，传统的海水淡化系统十分庞大，初期投资较高，能耗大。海水淡化与可再生能源耦合技术是现今海水淡化发展的热点方向。

专利201310103870.7提出了一套太阳能海水淡化系统，该装置使用太阳能集热管收集太阳能热量直接给水箱中的海水进行加热，将蒸发得到的蒸汽在集水箱中冷凝成淡水。但是该专利中，整套装置在常压下运行，常压下水的沸点高，整个装置运行中以自然蒸发为主，无法达到沸腾，蒸发速率慢。并且装置产生的水蒸气直接在集水箱中直接冷凝，水蒸气中含有大量的汽化潜热，该装置没有完全利用。

专利201610540478.2提出了一套太阳能-热泵海水淡化系统，该装置利用光伏电池板吸收太阳能，产生电能驱动热泵系统，进行海水淡化。但是，光伏电池光电转化效率极低，将太阳能转化成电能的过程中已经耗散一部分能量，通过电能驱动风机，水泵等耗电装置过程中更是进一步浪费了能量。并且海水淡水等管道流动需要消耗电能，得不偿失。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于 MOF材料的太阳能海水淡化系统，以太阳能作为唯一驱动能，不消耗高品质的能源的同时，将太阳能利用率最大化，实现高效海水淡化。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

本发明提供一种基于MOF材料的太阳能海水淡化系统，其特征在于，包括：毛细驱动蒸发装置，包含：壳体、和位于壳体内的毛细蒸发芯以及蒸汽冷凝器，毛细蒸发芯设置在壳体的中部，蒸汽冷凝器埋设在毛细蒸发芯的表层，壳体被毛细蒸发芯分为上下两个腔体，位于下部的腔体作为海水补偿室通过海水输入管道引入待蒸发的海水，并且通过盐水输出管道将蒸发后的浓盐水排出，位于上部的腔体作为蒸汽室用于收集海水蒸发后形成的蒸汽；至少两个MOF装置，每个 MOF装置都包含：让太阳光透过的透明蒸发腔，设置在透明蒸发腔中的MOF材料层，和位于MOF材料层表面、利用太阳能对MOF材料层进行加热的吸光涂层，透明蒸发腔通过蒸汽输送管道的送气端与蒸汽室相连通，并通过蒸汽输送管道的排气端与蒸汽冷凝器的进气端相连通，将由太阳能加热蒸发出的水蒸汽输入进气端；以及淡水排出管部，与蒸汽冷凝器的排水口相连，用于排出冷凝成的淡水。

本发明所涉及的基于MOF材料的太阳能海水淡化系统，还可以具有这样的特征：蒸汽室和海水补偿室的体积比为1:2。

本发明所涉及的基于MOF材料的太阳能海水淡化系统，还可以具有这样的特征：，透明蒸发腔上设有可拆卸的遮光板。

本发明所涉及的基于MOF材料的太阳能海水淡化系统，还可以具有这样的特征：MOF材料层的体积为透明蒸发腔内部体积的1/2。

本发明所涉及的基于MOF材料的太阳能海水淡化系统，还可以具有这样的特征：毛细驱动蒸发装置上的浓盐水排出管道与海水补偿室相连通，并且浓盐水出口的垂直高度要低于海水输入管道的海水入口高度。

本发明所涉及的基于MOF材料的太阳能海水淡化系统，还可以具有这样的特征：每个MOF装置都具有两种工作模式，第一种工作模式为：MOF材料层和吸光涂层接收太阳辐照，并且送气端关闭使透明蒸发腔与蒸汽室处于不导通的状态，但排气端开启使透明蒸发腔与蒸汽冷凝器处于相导通的状态；第二种工作模式为：透明蒸发腔被遮光使MOF材料层和吸光涂层不能接收太阳辐照，并且送气端开启使透明蒸发腔与蒸汽室处于导通的状态，但排气端关闭使透明蒸发腔与蒸汽冷凝器处于不导通的状态，在工作时，一组MOF装置处于第一种工作模式，另一组MOF装置处于第二种模式，当达到饱和时，则互换工作模式，每组MOF装置至少包含一个MOF装置。

本发明所涉及的基于MOF材料的太阳能海水淡化系统，还可以包括：阀门部，包含：多个控制阀，分别设置在每个蒸汽输送管道的送气端和排气端上；控制部，与每个控制阀相连，控制各个控制阀进行开启和关闭。

本发明所涉及的基于MOF材料的太阳能海水淡化系统，还可以包括：检测部，检测MOF装置是否达到饱和状态，其中，控制部与检测部通信相连。

本发明所涉及的基于MOF材料的太阳能海水淡化系统，还可以具有这样的特征：控制部还与每个MOF装置的遮光板相连，每个 MOF装置都具有两种工作模式，第一种工作模式为：透明蒸发腔上的遮光板被拆卸使MOF材料层和吸光涂层接收太阳辐照，并且送气端上的控制阀关闭使透明蒸发腔与蒸汽室处于不导通的状态，但排气端上的控制阀开启使透明蒸发腔与蒸汽冷凝器处于相导通的状态；第二种工作模式为：透明蒸发腔上的遮光板被安装使MOF材料层和吸光涂层不能接收太阳辐照，并且送气端上的控制阀开启使透明蒸发腔与蒸汽室处于导通的状态，但排气端上的控制阀关闭使透明蒸发腔与蒸汽冷凝器处于不导通的状态，在工作时，控制部控制各个MOF装置，使得一组MOF装置处于与另一组MOF装置不同的工作模式；在检测部检测到MOF装置达到饱和状态的情况下，切换该MOF装置的工作模式。

本发明所涉及的基于MOF材料的太阳能海水淡化系统，还可以包括：淡水收集器，通过淡水排出管部与蒸汽冷凝器的排水口相连，收集冷凝成的淡水。

发明的作用与效果

本发明的基于MOF材料的太阳能海水淡化系统，具有如下优点：

(1)整个装置仅用太阳能作为唯一驱动能，不消耗高品质能源，成本低廉可持续产淡水。

(2)本发明直接是将太阳能变成热能进行热发海水淡化，中间没有进行其他能量转换，效率较高，提高了50％以上的能源利用率将太阳能利用率最大化。

(3)本发明利用MOF材料的吸水特性吸收生成的水蒸气，造成蒸发腔低压环境，整个过程无需额外能量。

(4)本发明使用毛细芯毛细力作为驱动力将海水吸入毛细芯中，利用海水入口管道和浓盐水排出管道的液面差的虹吸作用排除浓盐水，整个过程不需要消耗泵工。

(5)本发明蒸汽均在热交换器里面冷凝，冷凝器再一次作为蒸发器，利用蒸汽冷凝的潜热来进行海水淡化，降低热损失。

附图说明

图1是本发明涉及的基于MOF材料的太阳能海水淡化系统的结构示意图。

上述图中，各部件标号如下：

10.基于MOF材料的太阳能海水淡化系统：20.毛细驱动蒸发装置、30.MOF装置、40.MOF装置、50.淡水排出管部、60.阀门部；

21.壳体、21a.海水补偿室、21b.蒸汽室、21c.海水输入管道、21d. 浓盐水排出管道；22.毛细蒸发芯；23.蒸汽冷凝器：23a.蒸汽冷凝管道；

31.透明蒸发腔、32.MOF材料层、33.吸光涂层、34.遮光板、35. 蒸 汽输送管道、35a.送气端、35b.排气端；

41.透明蒸发腔、42.MOF材料层、43.吸光涂层、44.遮光板、45. 蒸汽输送管道、45a.送气端、45b.排气端；

51.淡水排出管、52.淡水排出管；

60.阀门部、61～64.四个控制阀。

具体实施方式

以下参照附图对本发明所涉及的基于MOF材料的太阳能海水淡化系统作详细阐述。

<实施例>

如图1所示，基于MOF材料的太阳能海水淡化系统10包括：毛细驱动蒸发装置20、MOF装置30和40、淡水排出管部50、淡水收集器(图中未显示)、阀门部60以及控制部(图中未显示)。

毛细驱动蒸发装置20包含：壳体21、毛细蒸发芯22、以及蒸汽冷凝器23。

壳体21被毛细蒸发芯22分为上下两个腔体，位于下部的腔体作为海水补偿室21a通过海水输入管道21c引入待蒸发的海水，并且通过浓盐水排出管道21d将蒸发后的浓盐水排出至深井中，位于上部的腔体作为蒸汽室21b用于收集海水蒸发后形成的蒸汽。本实施例中，海水补偿室21a和蒸汽室21b的体积比为2:1。海水补偿室21a底部连有海水输入管道21c和浓盐水排出管道21d。浓盐水排出管道21d 的浓盐水出口的垂直高度要低于海水输入管道21c的海水入口高度，可以利用虹吸作用将浓盐水排入海洋或储水池，可通过控制高度差来调节浓盐水排放速率，增加高度差，浓盐水排放速率增加。因为存在高度差，所以海水只可能从海水入口进入，通过浓盐水出口流出。

毛细蒸发芯22位于壳体21内，并且设置在壳体21的中部；本实施例中，毛细蒸发芯22材料可以为吸水性和导热性能较好的多孔材料，通过毛吸力将海水补偿室21a里的低温海水输送至与蒸汽冷凝器23外壁充分接触，进行热量交换。

蒸汽冷凝器23也位于壳体21内，包含多根蒸汽冷凝管道23a，这些蒸汽冷凝管道23a并排埋设在毛细蒸发芯22的表层。

两个MOF装置30和40的结构和工作原理完全一样，这里以 MOF装置30为例进行说明。

MOF装置30包含：透明蒸发腔31、MOF材料层32、吸光涂层 33、以及遮光板34。本实施例中，透明蒸发腔31材质为透明有机玻璃，能够让太阳光透过。透明蒸发腔31通过蒸汽输送管道35的送气端35a与蒸汽室21b相连通，并通过蒸汽输送管道35的排气端35b 与蒸汽冷凝器23的进气端相连通，将由太阳能加热蒸发出的水蒸汽输入进气端。MOF材料层32设置在透明蒸发腔中，具有强吸水性， MOF材料层32的体积为透明蒸发腔内部体积的一半。吸光涂层33 为黑色，镀于MOF材料层32表面，能够利用太阳能对MOF材料层 32进行加热，并提高MOF材料的吸光效率，吸光涂层33可以为氧化石墨烯、金属镶嵌氧化石墨烯涂层。遮光板34可拆卸地设置在透明蒸发腔31的顶部，用于遮挡太阳光，阻止其照射MOF材料层32 和吸光涂层33。

同理，MOF装置40包含：透明蒸发腔41、MOF材料层42、吸光涂层43、以及遮光板44。透明蒸发腔41通过蒸汽输送管道45的送气端45a与蒸汽室21b相连通，并通过蒸汽输送管道45的排气端 45b与蒸汽冷凝器23的另一个进气端相连。

淡水排出管部50为淡水排出管51和52，分别与蒸汽冷凝器23 的两个排水口相连，用于排出蒸汽冷凝成的淡水。

淡水收集器与淡水排出管51和52的淡水排出口，收集排出的淡水。

阀门部60包含四个控制阀61～64，依次设置在蒸汽输送管道35 的送气端35a、排气端35b，和蒸汽输送管道45的送气端45a、排气端45b上。

控制部与控制阀61～64相连，控制各个控制阀61～64进行开启和关闭。并且控制部还与两个遮光板34和44相连，控制遮光板34和 44对透明蒸发腔31进行遮光。

这里，每个MOF装置30和40都具有两种工作模式。以MOF 装置30为例，第一种工作模式为：遮光板34被拆掉，MOF材料层 32和吸光涂层33接收太阳辐照，并且送气端35a上的控制阀61关闭使透明蒸发腔31与蒸汽室21b处于不导通的状态，但排气端35b 上的控制阀62开启使蒸发腔31与蒸汽冷凝器23的进气端处于相导通的状态；第二种工作模式为：遮光板34被安装，使MOF材料层 32和吸光涂层33不能接收太阳辐照，并且送气端35a上的控制阀61 开启使透明蒸发腔31与蒸汽室21b处于导通的状态，但排气端35b 上的控制阀62关闭使透明蒸发腔31与蒸汽冷凝器23处于不导通的状态。

在工作时，控制部控制一个MOF装置处于第一种工作模式，另一个MOF装置处于第二种模式，当达到饱和时，则互换工作模式。

本实施例中，两个MOF装置30和40能够同时达到饱和状态。例如，当控制部控制MOF装置30处于第一种工作模式时，同时控制 MOF装置40处于第二种工作模式；当达到饱和状态时，控制部控制 MOF装置30改变成第二种工作模式，同时控制MOF装置40改变成第一种工作模式。

基于以上结构，本实施例所提供的基于MOF材料的太阳能海水淡化系统10的具体工作过程为：

将MOF装置30中的遮光板34移除，MOF装置40中的遮光板 44遮住阳光，人工添加淡水，使MOF装置30中MOF材料层32吸满淡水至饱和，使用真空泵抽取蒸汽室21b内的空气，使真空度达到 0.1个大气压以下，使海水补偿室21a内充满海水，然后使太阳光照射MOF装置30，关闭控制阀61和64，并且打开控制阀62和63，吸光涂层33在太阳光的照射下温度急剧上升，MOF材料层32温度升高，MOF装置30的透明蒸发腔31内压力升高，所吸收的淡水变为水蒸气通过蒸汽输送管道35进入蒸汽冷凝管道23a中，加热被毛细蒸发芯22中利用毛细力所吸入的海水，因蒸汽室21b接近真空，毛细蒸发芯22内的海水受热迅速沸腾蒸发变成水蒸气进入蒸汽室21b 内，然后被MOF装置40中的干MOF材料层42吸收，吸收后蒸汽室21b内压强下降，海水补偿室21a内的海水不断通过毛细力抽入毛细芯中，与蒸汽冷凝管道23a换热，持续蒸发。浓盐水通过虹吸作用经浓盐水排出管道21d排出，蒸汽冷凝器23中被冷凝的淡水通过淡水排出管52排出。待MOF材料层32中淡水已逐渐耗尽，即MOF 装置30达到工作饱和状态，此时通过控制部使控制阀62和63关闭，控制阀61和64打开，闭合MOF装置30上方遮光板34，挡住MOF 装置30的太阳光，开启MOF装置40中的遮光板44，使太阳光照射 MOF装置40，此时MOF装置40中MOF材料层42受热，淡水蒸发成为水蒸气通过蒸汽输送管道45，进入蒸汽冷凝器23中，加热被毛细蒸发芯22吸入的海水，海水在蒸汽室21b低压下迅速蒸发变成水蒸气，此时MOF装置30中的MOF材料层32在无光照下，温度降低，开始吸收水蒸气，直至饱和，再改变光照对象，以此循环往复。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的基于MOF材料的太阳能海水淡化系统并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明所要求保护的范围内。

在本发明所涉及的海水淡化系统中，还可以设置更多的MOF装置，另外还可以设置一些自动检测的部件，以便自动切换工作状态，例如，设置检测部，能够检测MOF装置是否达到饱和状态；控制部与检测部通信相连，在检测部检测到MOF装置达到饱和状态的情况下，控制部通过控制阀门部和遮光板来切换每个MOF装置的工作模式。

另外，本发明所提供的海水淡化系统中，MOF装置的顶部还可以设置聚光镜以便更好的聚光，利用太阳能。

另外，本发明所提供的海水淡化系统中，还可以采用遮光罩来遮蔽太阳光。

此外，本发明所提供的海水淡化系统可以通过并联来实现工业化大规模的海水淡化处理。

Claims (9)

1.一种基于MOF材料的太阳能海水淡化系统，其特征在于，包括：

毛细驱动蒸发装置，包含：壳体、和位于所述壳体内的毛细蒸发芯以及蒸汽冷凝器，所述毛细蒸发芯设置在所述壳体的中部，所述蒸汽冷凝器埋设在所述毛细蒸发芯的表层，所述壳体被所述毛细蒸发芯分为上下两个腔体，位于下部的腔体作为海水补偿室通过海水输入管道引入待蒸发的海水，并且通过盐水输出管道将蒸发后的浓盐水排出，位于上部的腔体作为蒸汽室用于收集海水蒸发后形成的蒸汽；

至少两个MOF装置，每个所述MOF装置都包含：让太阳光透过的透明蒸发腔，设置在所述透明蒸发腔中的MOF材料层，和位于所述MOF材料层表面、利用太阳能对所述MOF材料层进行加热的吸光涂层，所述透明蒸发腔通过所述蒸汽输送管道的送气端与所述蒸汽室相连通，并通过所述蒸汽输送管道的排气端与所述蒸汽冷凝器的进气端相连通，将由太阳能加热蒸发出的水蒸汽输入所述进气端；以及

淡水排出管部，与所述蒸汽冷凝器的排水口相连，用于排出冷凝成的淡水，

其中，每个所述MOF装置都具有两种工作模式，第一种工作模式为：所述MOF材料层和所述吸光涂层接收太阳辐照，并且所述送气端关闭使所述透明蒸发腔与所述蒸汽室处于不导通的状态，但所述排气端开启使所述透明蒸发腔与所述蒸汽冷凝器处于相导通的状态；第二种工作模式为：所述透明蒸发腔被遮光使所述MOF材料层和所述吸光涂层不能接收太阳辐照，并且所述送气端开启使所述透明蒸发腔与所述蒸汽室处于导通的状态，但所述排气端关闭使所述透明蒸发腔与所述蒸汽冷凝器处于不导通的状态，

在工作时，一组所述MOF装置处于第一种工作模式，另一组所述MOF装置处于第二种模式，当达到饱和时，则互换工作模式，

每组所述MOF装置至少包含一个所述MOF装置。

2.根据权利要求1所述的基于MOF材料的太阳能海水淡化系统，其特征在于：

其中，所述蒸汽室和所述海水补偿室的体积比为1:2。

3.根据权利要求1所述的基于MOF材料的太阳能海水淡化系统，其特征在于：

其中，所述透明蒸发腔上设有可拆卸的遮光板。

4.根据权利要求1所述的基于MOF材料的太阳能海水淡化系统，其特征在于：

其中，所述MOF材料层的体积为透明蒸发腔内部体积的1/2。

5.根据权利要求1所述的基于MOF材料的太阳能海水淡化系统，其特征在于：

其中，所述毛细驱动蒸发装置上的浓盐水排出管道与海水补偿室相连通，并且浓盐水出口的垂直高度要低于所述海水输入管道的海水入口高度。

6.根据权利要求1所述的基于MOF材料的太阳能海水淡化系统，其特征在于，还包括：

阀门部，包含：多个控制阀，分别设置在每个所述蒸汽输送管道的所述送气端和所述排气端上；

控制部，与每个所述控制阀相连，控制各个所述控制阀进行开启和关闭。

7.根据权利要求6所述的基于MOF材料的太阳能海水淡化系统，其特征在于，还包括：

检测部，检测所述MOF装置是否达到饱和状态，

其中，所述控制部与所述检测部通信相连。

8.根据权利要求7所述的基于MOF材料的太阳能海水淡化系统，其特征在于：

其中，所述控制部还与每个所述MOF装置的遮光板相连，

每个所述MOF装置都具有两种工作模式，第一种工作模式为：所述透明蒸发腔上的遮光板被拆卸使所述MOF材料层和所述吸光涂层接收太阳辐照，并且所述送气端上的控制阀关闭使所述透明蒸发腔与所述蒸汽室处于不导通的状态，但所述排气端上的控制阀开启使所述透明蒸发腔与所述蒸汽冷凝器处于相导通的状态；第二种工作模式为：所述透明蒸发腔上的遮光板被安装使所述MOF材料层和所述吸光涂层不能接收太阳辐照，并且所述送气端上的控制阀开启使所述透明蒸发腔与所述蒸汽室处于导通的状态，但所述排气端上的控制阀关闭使所述透明蒸发腔与所述蒸汽冷凝器处于不导通的状态，

在工作时，所述控制部控制各个所述MOF装置，使得一组所述MOF装置处于与另一组所述MOF装置不同的工作模式；在所述检测部检测到所述MOF装置达到饱和状态的情况下，切换该MOF装置的工作模式。

9.根据权利要求1所述的基于MOF材料的太阳能海水淡化系统，其特征在于，还包括：

淡水收集器，通过所述淡水排出管部与所述蒸汽冷凝器的排水口相连，收集冷凝成的淡水。

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