CN109305710A - 一种太阳能远红外海水快速淡化系统及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太阳能远红外海水快速淡化系统，包括太阳能电源、抽水泵、导管、一级多层预热管、二级加热池、冷凝管和蓄水池；所述一级多层预热管内部由陶瓷管组成，陶瓷管外层套有第一远红外加热套；所述二级加热池的底部设置有第二远红外加热套。本发明将远红外加热套设备用于一级多层预热管和二级加热池，得到的太阳能远红外海水快速淡化系统结构简单，可大幅提高海水淡化效率，工作环境不受限制，且安全稳定，可以满足不同地域不同海水淡化工程的需求，同时易于实现大型太阳能海水淡化工程，市场广泛。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能海水淡化技术领域，尤其涉及一种太阳能远红外海水快速淡化系统及其应用。
背景技术
现如今淡水资源匮乏已成为全球性问题，且严重制约着社会、经济快速发展。联合国数据显示到2030年，如果缺水问题无法得到有效解决，全球半数以上人口将会处于严重缺水的环境中。目前我国约有360个县级以上的城市存在缺水问题。解决淡水资源短缺的问题，最有效的途径就是海水淡化处理，然而传统的海水淡化系统会导致大量化石燃料的消耗，加重能源危机及环境污染。
太阳能作为一种良好的可再生绿色能源，将其应用到海水淡化系统中，是解决水资源短缺和能源危机的有效措施。常规的太阳能海水淡化技术，即光热供热或光伏发电的方式进行的海水淡化处理，传热效率低下，能源利用率差，初期投入成本过高，淡化系统稳定性较差。而一些新型的海水淡化技术则所需成本更高，系统内部结构复杂、效率低下，且淡化海水量太低，持续生产淡水能力低下，只适用于少量的海水淡化处理，难以实现技术的市场化。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种太阳能远红外海水快速淡化系统及其应用。本发明提供的太阳能远红外海水快速淡化系统结构简单，可大幅提高海水淡化效率，可以满足不同地域不同海水淡化工程的需求。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种太阳能远红外海水快速淡化系统，包括抽水泵；
与所述抽水泵出口连通的一级多层预热管；所述一级多层预热管包括5～10根加热管，所述加热管包括陶瓷管和套在所述陶瓷管外层的第一远红外加热套；
与所述一级多层预热管出口连通的二级加热池；所述加热池的底部设置有第二远红外加热套；
与所述二级加热池出口连通的冷凝管；
与所述冷凝管出口连通的蓄水池；
所述第一远红外加热套和第二远红外加热套分别和太阳能电源连接；
所述抽水泵、一级多层预热管、二级加热池和冷凝管通过导管连通。
优选地，所述第一远红外加热套和第二远红外加热套独立地具有夹芯结构，所述夹芯结构的外层为绝缘隔热层，中间层为芳纶-碳纳米管纸，内层为绝缘导热层。
优选地，所述的绝缘隔热层为硅酸铝纤维纸；所述的绝缘导热层为聚酰亚胺导热膜。
优选地，所述的芳纶-碳纳米管纸按如下方法制备：
(1)将十二烷基苯磺酸钠、芳纶短切纤维和水混合，得到芳纶短切纤维浆料；
(2)将聚氧化乙烯、芳纶浆粕纤维和水混合，得到芳纶浆粕纤维浆料；
(3)将十二烷基硫酸钠、碳纳米管和水混合，得到碳纳米管分散液；
(4)将所述步骤(3)得到的碳纳米管分散液、所述步骤(1)得到的芳纶短切纤维浆料、所述步骤(2)得到的芳纶浆粕纤维浆料和纸力增强剂混合，得到混合浆料；
(5)将所述步骤(4)得到的混合浆料抽滤成型，将所得湿纸页依次进行干燥和热压，得到芳纶-碳纳米管纸。
所述步骤(1)～(3)没有时间顺序的限制。
优选地，所述的十二烷基苯磺酸钠和芳纶短切纤维的质量比为0.01～0.05:1。
优选地，所述的聚氧化乙烯和芳纶浆粕纤维的质量比为0.01～0.05:1。
优选地，所述的十二烷基硫酸钠和碳纳米管的质量比为0.01～0.05:1。
优选地，所述的混合浆料中碳纳米管与芳纶短切纤维和芳纶浆粕纤维的总质量的比为1：2～4。优选地，所述的纸力增强剂为聚丙烯酰胺，添加量为所述的混合浆料中碳纳米管、芳纶短切纤维和芳纶浆粕纤维总质量的0.3～0.8％。
本发明还提供了上述技术方案所述太阳能远红外海水快速淡化系统的应用，包括以下步骤：
系统在应用时，所述抽水泵将海水由导管抽至一级多层预热管；一级多层预热管的第一远红外加热套将海水加热至70～100℃；经过加热的海水再经导管流至二级加热池，二级加热池的第二远红外加热套再将海水加热至110～120℃，海水在二级加热池中蒸发，水蒸气经冷凝管液化后进入蓄水池；
所述第一远红外加热套和第二远红外加热套分别由太阳能电源供电。
本发明提供了一种太阳能远红外海水快速淡化系统，包括太阳能电源、抽水泵、导管、一级多层预热管、二级加热池、冷凝管和蓄水池；所述一级多层预热管内部由陶瓷管组成，陶瓷管外层套有第一远红外加热套；所述二级加热池的底部设置有第二远红外加热套。本发明将远红外加热套设备用于一级多层预热管和二级加热池，得到的太阳能远红外海水快速淡化系统结构简单，可大幅提高海水淡化效率，工作环境不受限制，且安全稳定，可以满足不同地域不同海水淡化工程的需求，同时易于实现大型太阳能海水淡化工程，市场广泛。
附图说明
图1为本发明的太阳能远红外海水快速淡化系统结构示意图；
图2为本发明的一级多层预热管单个加热管的剖面结构示意图；
图3为本发明的远红外加热套剖面结构示意图；
其中，1为抽水泵，2为一级多层预热管，3为二级加热池，4为第二远红外加热套，5为冷凝管，6为陶瓷管，7为第一远红外加热套，8为绝缘隔热层，9为芳纶-碳纳米管纸，10为绝缘导热层。
具体实施方式
本发明提供了一种太阳能远红外海水快速淡化系统，结构如图1所示，包括抽水泵；
与所述抽水泵出口连通的一级多层预热管；所述一级多层预热管包括5～10根加热管，所述加热管包括陶瓷管和套在所述陶瓷管外层的第一远红外加热套；
与所述一级多层预热管出口连通的二级加热池；所述加热池的底部设置有第二远红外加热套；
与所述二级加热池出口连通的冷凝管；
与所述冷凝管出口连通的蓄水池；
所述第一远红外加热套和第二远红外加热套分别和太阳能电源连接；
所述抽水泵、一级多层预热管、二级加热池和冷凝管通过导管连通。
本发明所述的太阳能远红外海水淡化系统包括抽水泵，本发明对所述抽水泵没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的抽水泵即可。
本发明所述的太阳能远红外海水淡化系统包括与所述抽水泵出口连通的一级多层预热管，所述一级多层预热管包括5～10根加热管，所述加热管包括陶瓷管和套在所述陶瓷管外层的第一远红外加热套，结构如图2所示。在本发明中，所述陶瓷管的长度优选为300～1500mm，内径优选为10～30mm，外径优选为20～40mm。
本发明所述的太阳能远红外海水淡化系统包括与所述一级多层预热管出口连通的二级加热池，所述加热池的底部设置有第二远红外加热套。在本发明中，所述加热池优选由不锈钢材料制成。
在本发明中，所述第一远红外加热套和第二远红外加热套优选独立地具有夹芯结构，所述夹芯结构的外层优选为绝缘隔热层，中间层优选为芳纶-碳纳米管纸，内层优选为绝缘导热层，结构如图3所示。本发明所述第一远红外加热套和第二远红外加热套分别和太阳能电源连接，本发明对太阳能电源没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的太阳能电源即可。
在本发明中，所述的绝缘隔热层优选为硅酸铝纤维纸；所述的绝缘导热层优选为聚酰亚胺导热膜。本发明对绝缘隔热层和绝缘导热层的来源没有特殊的要求，采用普通市售产品即可。
在本发明中，所述第一远红外加热套的绝缘隔热层的厚度优选为2～5mm、芳纶-碳纳米管纸的厚度优选为0.05～0.3mm、绝缘导热层的厚度优选为0.01～0.05mm；所述第二远红外加热套的绝缘隔热层的厚度优选为2～5mm、芳纶-碳纳米管纸的厚度优选为0.05～0.3mm、绝缘导热层的厚度优选为0.01～0.05mm。
在本发明中，所述的芳纶-碳纳米管纸优选按如下方法制备：
(1)将十二烷基苯磺酸钠、芳纶短切纤维和水混合，得到芳纶短切纤维浆料；
(2)将聚氧化乙烯、芳纶浆粕纤维和水混合，得到芳纶浆粕纤维浆料；
(3)将十二烷基硫酸钠、碳纳米管和水混合，得到碳纳米管分散液；
(4)将所述步骤(3)得到的碳纳米管分散液、所述步骤(1)得到的芳纶短切纤维浆料、所述步骤(2)得到的芳纶浆粕纤维浆料和纸力增强剂混合，得到混合浆料；
(5)将所述步骤(4)得到的混合浆料抽滤成型，将所得湿纸页依次进行干燥和热压，得到芳纶-碳纳米管纸。
所述步骤(1)～(3)没有时间顺序的限制。
本发明优选将十二烷基苯磺酸钠、芳纶短切纤维和水混合，得到芳纶短切纤维浆料。在本发明中，所述的十二烷基苯磺酸钠、芳纶短切纤维和水的质量比优选为0.01～0.05:1：150～300。在本发明中，所述的芳纶短切纤维的长度优选为2～5mm。本发明对所述的十二烷基苯磺酸钠和芳纶短切纤维的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。本发明优选以所述十二烷基苯磺酸钠为疏解剂，将所述芳纶短切纤维充分疏解在水中，得到所述芳纶短切纤维浆料。疏解完成后，本发明优选对所述芳纶短切纤维浆料依次进行水洗和打浆，所述水洗的次数优选为3～5次，所述打浆优选采用打浆机进行，所述打浆的时间优选为3～10min。
本发明优选将聚氧化乙烯、芳纶浆粕纤维和水混合，得到芳纶浆粕纤维浆料。在本发明中，所述的聚氧化乙烯、芳纶浆粕纤维和水的质量比优选为0.01～0.05:1：150～300。在本发明中，所述的芳纶浆粕纤维的长度优选为0.5～1.8mm。本发明对所述的聚氧化乙烯和芳纶浆粕纤维的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。本发明优选以所述聚氧化乙烯为分散剂，将所述芳纶浆粕纤维充分分散在水中，得到所述芳纶浆粕纤维浆料。分散完成后，本发明优选对所述芳纶浆粕纤维浆料依次进行水洗和打浆，所述水洗的次数优选为3～5次，所述打浆优选采用打浆机进行，所述打浆的时间优选为3～30min。
本发明优选将十二烷基硫酸钠、碳纳米管和水混合，得到碳纳米管分散液。为保证混合均匀，本发明优选将十二烷基硫酸钠、碳纳米管和水混合后，对混合液依次进行超声和高速剪切处理，所述超声的时间优选为30～60min，所述高速剪切的速率优选为2000～3000rpm、时间优选为30～60min。在本发明中，所述的十二烷基硫酸钠、碳纳米管和水的质量比优选为0.01～0.05:1：100～200。本发明对所述的十二烷基硫酸钠和碳纳米管的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。
得到碳纳米管分散液后，本发明优选将所述碳纳米管分散液、所述芳纶短切纤维浆料、所述芳纶浆粕纤维浆料和纸力增强剂混合，得到混合浆料。为保证混合均匀，本发明优选将所述碳纳米管分散液、所述芳纶短切纤维浆料、所述芳纶浆粕纤维浆料和纸力增强剂混合后，对混合液依次进行打浆和高速剪切处理，所述打浆的时间优选为3～10min，所述高速剪切的速率优选为2000～3000rpm、时间优选为30～60min。在本发明中，所述的混合浆料中碳纳米管与芳纶短切纤维和芳纶浆粕纤维的总质量的比为1：2～4。在本发明中，所述的纸力增强剂优选为聚丙烯酰胺，添加量优选为所述的混合浆料中碳纳米管、芳纶短切纤维和芳纶浆粕纤维总质量的0.3～0.8％；本发明对所述的纸力增强剂的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。
得到混合浆料后，本发明优选将所述混合浆料抽滤成型，将所得湿纸页依次进行干燥和热压，得到芳纶-碳纳米管纸。在本发明中，所述抽滤成型优选通过纸页成型器进行；所述干燥优选采用真空干燥，所述真空干燥的温度优选为60～80℃；所述热压优选采用平板硫化机进行，所述热压的温度优选为180～230℃，所述热压的压强优选为10～16MPa，所述热压的时间优选为3～10min。
本发明所述的第一远红外加热套和第二远红外加热套兼具高强度、高柔韧性，易于卷曲加工，且具有良好的防火、耐高温性能；作为升温器件，其升温原理为通电后通过远红外光发热，不会污染水质，且不会诱导水中杂质发生不良反应，所需工作电压极低，安全性高，且升温速率快。同时，发热方式为远红外发热，故升温区域广，海水淡化效率更高，无需像常规的加热器件一般采用多级多层加热模式，成本得到进一步下降；且系统结构简单，易于实现大型太阳能海水淡化工程，市场广泛。
本发明所述的太阳能远红外海水淡化系统包括与所述二级加热池出口连通的冷凝管以及与所述冷凝管出口连通的蓄水池；本发明对所述冷凝管和蓄水池没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的即可。
在本发明中，所述抽水泵、一级多层预热管、二级加热池和冷凝管通过导管连通，本发明对导管没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的导管即可。
本发明还提供了上述技术方案所述太阳能远红外海水快速淡化系统的应用，包括以下步骤：
系统在应用时，所述抽水泵将海水由导管抽至一级多层预热管；一级多层预热管的第一远红外加热套将海水加热至70～100℃；经过加热的海水再经导管流至二级加热池，二级加热池的第二远红外加热套再将海水加热至110～120℃，海水在二级加热池中蒸发，水蒸气经冷凝管液化后进入蓄水池；所述第一远红外加热套和第二远红外加热套分别由太阳能电源供电。
在本发明中，所述第一远红外加热套的外加电压优选为48～120V，所述第二远红外加热套的外加电压优选为120～220V。
本发明将第一远红外加热套和第二远红外加热套分别用于一级多层预热管和二级加热池，得到的太阳能远红外海水快速淡化系统结构简单，可大幅提高海水淡化效率，工作环境不受限制，且安全稳定，可以满足不同地域不同海水淡化工程的需求，同时易于实现大型太阳能海水淡化工程，市场广泛。
下面结合实施例对本发明提供的太阳能远红外海水快速淡化系统及其应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
称取12g碳纳米管、0.36g十二烷基硫酸钠于1500ml水中，超声30min，剪切30min，得到碳纳米管分散液。
称取14g芳纶短切纤维、0.5g十二烷基苯磺酸钠于2500ml水中，静置浸泡20min，过滤清洗3次，打浆机打浆10min，得到芳纶短切纤维浆料。
称取14g芳纶浆粕纤维、0.5g聚氧化乙烯于2500ml水中，打浆机打浆20min，得到芳纶浆粕纤维浆料。
将所述碳纳米管分散液、芳纶短切纤维浆料和芳纶短切纤维浆料均匀混合后，再与0.2g阴离子聚丙烯酰胺混合，用高速剪切机剪切60min，将上述制得的混合浆料通过纸页成型器抽滤成型，揭起湿纸页后，80℃真空干燥，利用平板硫化机，在230℃、16MPa的条件下热压10min，得到碳纳米管-芳纶纸。
准备五根长度为300mm，内径为15mm，外径为20mm的陶瓷管，如图2所示，在陶瓷管外层包上远红外加热套，得到加热管，其中芳纶-碳纳米管纸的厚度为0.2mm，聚酰亚胺导热膜的厚度为0.05mm，硅酸铝纤维纸的厚度为3mm。将5根加热管组装，得到一级多层预热管。
利用4mm厚的钢板制作一个长300mm，宽200mm，高度为300mm的加热池，如图1中所示，在加热池外层底部包有远红外加热套，得到二级加热池，其中远红外加热套中芳纶-碳纳米管纸的厚度为0.3mm，聚酰亚胺导热膜的厚度为0.05mm，硅酸铝纤维纸的厚度为3mm。其中加热套和方形槽的接触面积为0.14m2。
将抽水泵、一级多层预热管、二级加热池、冷凝管通过导管连通，按图1所示结构组装成海水快速淡化系统，在本实施例中利用太阳能电源替代稳压直流电源给加热套供电，一级多层预热管加热套外加电压为120V，二级加热池加热套外加电压为220V，通过实验测试，收集的纯净水速度可达18.5kg/m2/h。
由以上实施例可知，本发明提供的太阳能远红外海水快速淡化系统结构简单，可大幅提高海水淡化效率，工作环境不受限制，且安全稳定，可以满足不同地域不同海水淡化工程的需求，同时易于实现大型太阳能海水淡化工程，市场广泛。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种太阳能远红外海水快速淡化系统，其特征在于，包括抽水泵；
与所述抽水泵出口连通的一级多层预热管；所述一级多层预热管包括5～10根加热管，所述加热管包括陶瓷管和套在所述陶瓷管外层的第一远红外加热套；
与所述一级多层预热管出口连通的二级加热池；所述加热池的底部设置有第二远红外加热套；
与所述二级加热池出口连通的冷凝管；
与所述冷凝管出口连通的蓄水池；
所述第一远红外加热套和第二远红外加热套分别和太阳能电源连接；
所述抽水泵、一级多层预热管、二级加热池和冷凝管通过导管连通。
2.根据权利要求1所述的太阳能远红外海水快速淡化系统，其特征在于，所述第一远红外加热套和第二远红外加热套独立地具有夹芯结构，所述夹芯结构的外层为绝缘隔热层，中间层为芳纶-碳纳米管纸，内层为绝缘导热层。
3.根据权利要求2所述的太阳能远红外海水快速淡化系统，其特征在于，所述的绝缘隔热层为硅酸铝纤维纸；所述的绝缘导热层为聚酰亚胺导热膜。
4.根据权利要求2所述的太阳能远红外海水快速淡化系统，其特征在于，所述的芳纶-碳纳米管纸按如下方法制备：
(1)将十二烷基苯磺酸钠、芳纶短切纤维和水混合，得到芳纶短切纤维浆料；
(2)将聚氧化乙烯、芳纶浆粕纤维和水混合，得到芳纶浆粕纤维浆料；
(3)将十二烷基硫酸钠、碳纳米管和水混合，得到碳纳米管分散液；
(4)将所述步骤(3)得到的碳纳米管分散液、所述步骤(1)得到的芳纶短切纤维浆料、所述步骤(2)得到的芳纶浆粕纤维浆料和纸力增强剂混合，得到混合浆料；
(5)将所述步骤(4)得到的混合浆料抽滤成型，将所得湿纸页依次进行干燥和热压，得到芳纶-碳纳米管纸。
所述步骤(1)～(3)没有时间顺序的限制。
5.根据权利要求4所述的太阳能远红外海水快速淡化系统，其特征在于，所述的十二烷基苯磺酸钠和芳纶短切纤维的质量比为0.01～0.05:1。
6.根据权利要求4所述的太阳能远红外海水快速淡化系统，其特征在于，所述的聚氧化乙烯和芳纶浆粕纤维的质量比为0.01～0.05:1。
7.根据权利要求4所述的太阳能远红外海水快速淡化系统，其特征在于，所述的十二烷基硫酸钠和碳纳米管的质量比为0.01～0.05:1。
8.根据权利要求4所述的太阳能远红外海水快速淡化系统，其特征在于，所述的混合浆料中碳纳米管与芳纶短切纤维和芳纶浆粕纤维的总质量的比为1：2～4。
9.根据权利要求4所述的太阳能远红外海水快速淡化系统，其特征在于，所述的纸力增强剂为聚丙烯酰胺，添加量为所述的混合浆料中碳纳米管、芳纶短切纤维和芳纶浆粕纤维总质量的0.3～0.8％。
10.权利要求1～9任意一项所述太阳能远红外海水快速淡化系统的应用，其特征在于，包括以下步骤：
系统在应用时，所述抽水泵将海水由导管抽至一级多层预热管；一级多层预热管的第一远红外加热套将海水加热至70～100℃；经过加热的海水再经导管流至二级加热池，二级加热池的第二远红外加热套再将海水加热至110～120℃，海水在二级加热池中蒸发，水蒸气经冷凝管液化后进入蓄水池；
所述第一远红外加热套和第二远红外加热套分别由太阳能电源供电。
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