CN109592732A - 基于低温热解碳海绵的太阳能污水净化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于低温热解碳海绵的太阳能污水净化装置、污水净化的方法及装置的制备方法，装置漂浮于污水水面，污水通过泡沫开口进入PS泡沫内部，PS泡沫内部的活性炭颗粒层对污水初步过滤，初滤后的水通过无尘纸的毛细作用向上输送到碳海绵，阳光透过透明顶盖照射碳海绵产生热量，使碳海绵中水蒸发成蒸汽，水蒸气上升在透明顶盖内壁凝结成水珠，水珠沿着透明顶盖内壁滑落到集水槽中，水通过水管流入蓄水器中完成污水净化及净水收集过程。本发明所制备的碳海绵材料直接漂浮在水上可以实现1.35kg m‑2h‑1的水蒸发速率，在采用PS隔热装置时可以实现1.98kg m‑2h‑1的蒸发速率，超过了目前报道的大部分光热蒸发材料。
Description
技术领域
本发明属于太阳能光热蒸发材料领域，尤其是一种基于低温热解碳海绵的太阳能污水净化装置及利用所述装置进行污水净化的方法、装置的制备方法。
背景技术
随着全球工业化和城市化进程的不断发展，饮用水短缺成为最严峻的全球挑战之一。太阳能作为分布广泛的可持续清洁能源，被广泛的应用于众多领域，例如光催化、光伏以及光热转换等。在光热转换领域，近年来，科研人员投入大量精力来研究利用太阳光产生水蒸气，进而达到净化污水的作用。在此应用中，需要使用高效的光热转换材料来将光能转换为热能。目前，科研人员已经开发出了大量的光热转换材料，包括等离子体纳米颗粒、半导体材料、各种碳材料、高分子材料以及生物质碳化材料。各式各样的材料也取得了令人满意的太阳光净化污水效果。在设计各种高性能的光热转换材料时，除了要考虑材料的光热转换效率，还需要考虑材料加工的成本和工艺。目前，已经报道的材料要么采用价格昂贵的原材料，例如贵金属纳米颗粒，要么采用复杂且耗能的制备工艺，例如水热工艺、高温热处理、冷冻/超临界干燥、等离子体表面处理等。这些使用的昂贵的原材料和复杂且耗能的制备工艺都限制了光热转换材料的大规模工业化应用。为了克服这一缺陷和限制，本发明将廉价的商业化材料密胺树脂海绵作为原材料，在空气环境下，进行低温碳化，所获得碳海绵具有高效的输水性能和光热转换效率，通过光热蒸发装置的巧妙设计，碳海绵实现了高效的污水蒸发。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于解决问题，提供一种基于低温热解碳海绵的太阳能污水净化装置。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种基于低温热解碳海绵的太阳能污水净化装置，包括：底部的PS泡沫4，PS泡沫内部设有由无尘纸3构成的吸水通道，PS泡沫底部设有泡沫开口，污水通过泡沫开口进入PS泡沫内部，PS泡沫内部吸水通道和泡沫开口之间设有活性炭颗粒层5，无尘纸3底部与进入PS泡沫内部的污水接触，PS泡沫上方设有碳海绵2，无尘纸的顶部与碳海绵接触，碳海绵2上方为透明顶盖1，透明顶盖1的底部设有开口，开口大于碳海绵，透明顶盖的底部设有集水槽6，集水槽6与水管7的一端连接，水管7另一端接连接蓄水器8。
作为优选方式，透明顶盖为聚氯乙烯透明顶盖或玻璃顶盖。
作为优选方式，所述无尘纸垂直于PS泡沫设置。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种利用上述装置进行污水净化的方法：装置漂浮于污水水面，污水通过泡沫开口进入PS泡沫4内部，PS泡沫内部的活性炭颗粒层5对污水初步过滤，初步过滤后的水通过无尘纸底部吸入，通过无尘纸的毛细作用进入碳海绵2被碳海绵2吸收，阳光透过透明顶盖照射碳海绵产生热量，使碳海绵表面的水蒸发成蒸汽，水蒸气上升在透明顶盖内壁凝结成水珠，随着蒸发的不断进行，水珠逐渐变大，在重力的作用下沿着透明顶盖内壁滑落到集水槽中，集水槽中的水珠汇聚成水流，通过水管流入蓄水器中完成污水净化及收集过程。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种上述装置的制备方法，包括如下步骤：(1)将密胺树脂海绵裁剪成尺寸为10cm×6cm×2cm的长方体；(2)将裁剪后的海绵放置于管式炉中或者具有均匀温度分布的加热炉中，加热至390～500℃并保温1-3小时，升温速率5-15℃/分，冷却后得到碳海绵；(3)拼装，在一整块PS泡沫内部挖出中空室，将无尘纸穿过泡沫形成吸水通道，在泡沫的中空室内铺上一层活性炭颗粒；将PS泡沫底部开口，使无尘纸3底部与进入PS泡沫内部的污水接触；将碳海绵放在无尘纸上，无尘纸的顶部与碳海绵接触，用底部带有集水槽的透明顶盖盖住碳海绵。
本发明的有益效果为：本发明所制备的碳海绵材料直接漂浮在水上可以实现1.35kg m-2h-1的水蒸发速率，这是纯水在相同情况下蒸发速率的3.5倍。本发明中PS泡沫作为隔热装置(insulator)，本发明所制备的碳海绵在安装PS隔热装置(insulator)的情况下可以实现更高效的污水蒸发，蒸发速率为1.98kg m-2h-1，超过了目前报道的大部分光热蒸发材料。本发明在空气中碳化海绵，无需惰性气体保护，节约了成本；在较低的温度下(390-500℃)碳化海绵，节约了能源，容易实现批量化制备；活性炭的加入可初步过滤大部分杂质，避免无尘纸吸水通道被阻塞；载体选用廉价的PS泡沫材质，可使整个装置漂浮在水面上；采用无尘纸作为吸水通道并与泡沫载体结构结合，将光热蒸发材料(碳海绵)与水面隔开，可避免光热蒸发材料(碳海绵)中的热量传到水中，有利于热量在光热蒸发材料中的聚集，提高蒸发效率。顶盖为聚氯乙烯材质，保证了透光度和透明罩的机械强度，有利于光热转化的进行，并在一定程度上保护了光热蒸发材料。顶盖底部集水槽的设计，有利于水的收集。
附图说明
图1是本发明制备的碳海绵的扫描电镜形貌图；
图2是纯水、碳海绵(AMS)以及本发明的碳海绵结合PS隔热装置(insulator)在1kW/m2光强下的蒸发速率；
图3是纯水、碳海绵(AMS)以及本发明的碳海绵结合PS泡沫隔热装置(insulator)在1kW/m2光强下的温度分布；
图4是本发明的太阳能污水净化装置的结构组成爆炸图。
图5是本发明的太阳能污水净化装置的结构整体图。
图6是本发明的工作效果图。
1为透明顶盖，2为碳海绵(AMS)，3为无尘纸(air-laid paper)，4为PS泡沫，5为活性炭颗粒层，6为集水槽，7为水管，8为蓄水器。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
从图1可以看出，本发明制备的碳海绵由网状的三维结构构成。
从图2可以看出，只有碳海绵时，装置的蒸发速率比纯水的蒸发速率快，本发明的碳海绵结合PS泡沫隔热装置(insulator)的系统蒸发速率最快。
从图3可以看出，只有碳海绵时，表面的温度比纯水的温度高，本发明的碳海绵结合PS隔热装置时碳海绵表面的温度最高。
本实施例提供一种基于低温热解碳海绵的太阳能污水净化装置，包括：底部的PS泡沫4，PS泡沫内部设有由无尘纸3构成的吸水通道，PS泡沫底部设有泡沫开口，污水通过泡沫开口进入PS泡沫内部，PS泡沫内部吸水通道和泡沫开口之间设有活性炭颗粒层5，无尘纸3底部与进入PS泡沫内部的污水接触，PS泡沫上方设有碳海绵2，无尘纸的顶部与碳海绵接触，无尘纸可以起到输水的功效同时隔绝光热蒸发材料和水的直接接触，减少了热量损失，实现更高效的净水效果。碳海绵2上方为透明顶盖1，透明顶盖1的底部设有开口，开口大小大于碳海绵，透明顶盖的底部设有集水槽6，集水槽6与水管7的一端连接，水管7另一端接连接蓄水器8。
透明顶盖为聚氯乙烯透明顶盖或玻璃顶盖。
所述无尘纸垂直于PS泡沫设置。
本实施例还提供一种利用上述装置进行污水净化的方法：装置漂浮于污水水面，污水通过泡沫开口进入PS泡沫4内部，PS泡沫内部的活性炭颗粒层5对污水初步过滤，初步过滤后的水通过无尘纸底部吸入，通过无尘纸的毛细作用进入碳海绵2被碳海绵2吸收，阳光透过透明顶盖照射碳海绵2产生热量，使碳海绵表面的水蒸发成蒸汽，水蒸气上升在透明顶盖内壁凝结成水珠，随着蒸发的不断进行，水珠逐渐变大，在重力的作用下沿着透明顶盖内壁滑落到集水槽中，集水槽中的水珠汇聚成水流，通过水管流入蓄水器中完成污水净化及收集过程。
本实施例提供一种上述装置的制备方法，包括如下步骤：(1)将密胺树脂海绵裁剪成尺寸为10cm×6cm×2cm的长方体；(2)将裁剪后的海绵放置于管式炉中或者具有均匀温度分布的加热炉中，加热至390～500℃并保温1-3小时，升温速率5-15℃/分，冷却后得到碳海绵；(3)拼装，在一整块PS泡沫内部挖出中空室，将无尘纸穿过泡沫形成吸水通道，在泡沫的中空室内铺上一层活性炭颗粒；将PS泡沫底部开口，使无尘纸3底部与进入PS泡沫内部的污水接触；将碳海绵放在无尘纸上，无尘纸的顶部与碳海绵接触，用底部带有集水槽的透明顶盖盖住碳海绵。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (5)
1.一种基于低温热解碳海绵的太阳能污水净化装置，其特征在于，包括：底部的PS泡沫(4)，PS泡沫内部设有由无尘纸(3)构成的吸水通道，PS泡沫底部设有泡沫开口，污水通过泡沫开口进入PS泡沫内部，PS泡沫内部吸水通道和泡沫开口之间设有活性炭颗粒层(5)，无尘纸(3)底部与进入PS泡沫内部的污水接触，PS泡沫上方设有碳海绵(2)，无尘纸的顶部与碳海绵接触，碳海绵(2)上方为透明顶盖(1)，透明顶盖(1)的底部设有开口，开口大小大于碳海绵，透明顶盖的底部设有集水槽(6)，集水槽(6)与水管(7)的一端连接，水管(7)另一端接连接蓄水器(8)。
2.根据权利要求1所述的基于低温热解碳海绵的太阳能污水净化装置，其特征在于：透明顶盖为聚氯乙烯透明顶盖或玻璃顶盖。
3.根据权利要求1所述的基于低温热解碳海绵的太阳能污水净化装置，其特征在于：所述无尘纸垂直于PS泡沫设置。
4.利用权利要求1所述装置进行污水净化的方法，其特征在于：装置漂浮于污水水面，污水通过泡沫开口进入PS泡沫(4)内部，PS泡沫内部的活性炭颗粒层(5)对污水初步过滤，初步过滤后的水通过无尘纸底部吸入，通过无尘纸的毛细作用进入碳海绵(2)被碳海绵(2)吸收，阳光透过透明顶盖照射碳海绵产生热量，使碳海绵表面的水蒸发成蒸汽，水蒸气上升在透明顶盖内壁凝结成水珠，随着蒸发的不断进行，水珠逐渐变大，在重力的作用下沿着透明顶盖内壁滑落到集水槽中，集水槽中的水珠汇聚成水流，通过水管流入蓄水器中完成污水净化及收集过程。
5.权利要求1所述装置的制备方法，其特征在于包括如下步骤：(1)将密胺树脂海绵裁剪成尺寸为10cm×6cm×2cm的长方体；(2)将裁剪后的海绵放置于管式炉中或者具有均匀温度分布的加热炉中，加热至390～500℃并保温1-3小时，升温速率5-15℃/分，冷却后得到碳海绵；(3)拼装，在一整块PS泡沫内部挖出中空室，将无尘纸穿过泡沫形成吸水通道，在泡沫的中空室内铺上一层活性炭颗粒；将PS泡沫底部开口，使无尘纸(3)底部与进入PS泡沫内部的污水接触；将碳海绵放在无尘纸上，无尘纸的顶部与碳海绵接触，用底部带有集水槽的透明顶盖盖住碳海绵。
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