CN109607651B - 合成生物色素膜海水淡化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种合成生物色素膜海水淡化装置，包括用来吸收太阳能并对富集于其上的海水进行蒸发的太阳能吸收器；所述太阳能吸收器为单面或双面涂覆有黑色素材料的纤维素膜。本发明将光热转换效率极高的黑色素材料涂覆于纤维素膜上，并利用输水纤维的毛细作用将海水富集于纤维素膜，当太阳光照射纤维素膜，由于黑色素材料的高光热转换效率，产生大量热量，从而显著提高太阳能的利用率，达到将海水蒸发并获得淡水的目的。将本发明应用于海水淡化蒸发，蒸发效率可达88％。

Description

合成生物色素膜海水淡化装置
技术领域
本发明属于一种海水淡化装置，具体为一种合成生物色素膜海水淡化装置。
背景技术
我国是一个水资源严重短缺的国家，淡水资源的短缺是目前急需解决的问题。而我国沿海地区有1.8万多公里长的海岸线，有丰富的海水资源，淡化海水也就成了获取淡水的重要途径。应用清洁能源太阳能来蒸发海水获得淡水是目前重要的方法，但是海水对太阳能的利用率很低，蒸发速率慢。目前提高太阳能的利用率的关键在于光热转换材料的研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种合成生物色素膜海水淡化装置，将光热转换效率极高的人造黑色素材料用于海水淡化中，以显著提高太阳能的利用率。
本发明合成生物色素膜海水淡化装置，包括太阳能吸收器，用来吸收太阳能并对富集于其上的海水进行蒸发；所述太阳能吸收器为单面或双面涂覆有黑色素材料的纤维素膜。
进一步的，纤维素膜为羧甲基纤维素。
上述海水淡化装置还包括轻质隔热板和输水纤维，所述太阳能吸收器设置于轻质隔热板上；
所述轻质隔热板浮于海水上，用来避免太阳能吸收器与海水直接接触；
所述输水纤维穿过所述隔热板，用来利用毛细作用将海水输送到太阳能吸收器。
进一步的，轻质隔热板为PS发泡板(即聚苯乙烯发泡板)。
进一步的，输水纤维为棉纤维。
上述海水淡化装置还包括海水容器，所述海水容器用来容纳海水，所述轻质隔热板设于海水容器口并浮于海水上，所述输水纤维底端接触海水容器内海水。
作为优选，海水容器为热绝缘容器。
上述海水淡化装置还包括一密封的可透光淡水收集容器，海水容器置于可透光淡水收集容器内。
作为优选，可透光淡水收集容器顶部倾斜，其底端设置一淡水收集口。
下面将提供黑色素材料的一种制备方法，但黑色素材料的制备方法并不限于此，黑色素有可以在市面上直接购买。
采用该制备方法可获得高光热转换效率的黑色素材料，该制备方法步骤如下：
提供多巴胺盐酸盐的水溶液或水醇溶液，记为溶液A；
提供2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物(TEMPO)的水溶液或水醇溶液，记为溶液B；
混合溶液A和B获得反应溶液，在室温的空气环境中搅拌反应溶液进行聚合反应；
从反应后的溶液中分离出黑色素材料。
需要说明的是，上述多巴胺盐酸盐的水醇溶液指，多巴胺盐酸盐溶解于水和醇的混合液所获得的溶液；上述TEMPO的水醇溶液指，TEMPO溶解于水和醇的混合液所获得的溶液。
进一步的，水醇溶液中的醇为甲醇、乙醇或异丙醇。
进一步的，多巴胺盐酸盐的水溶液或水醇溶液中，多巴胺盐酸盐的浓度为0.2mg/mL -10mg/mL。
进一步的，2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物的水溶液或水醇溶液，2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物的浓度为0.1mg/mL-8mg/mL。
进一步的，混合溶液A和B所获得的反应溶液中，多巴胺盐酸盐和2,2,6,6-四甲基哌啶 -1-氧化物的质量比为1:40～100:1。
在进行聚合反应时，初始反应溶液在2小时内从黄色逐渐变成黑色，之后再继续反应大于2小时。
进一步的，从黑色的反应溶液中分离出人造黑色素材料，具体为：
通过对黑色的反应溶液进行离心和去离子水洗涤，从而分离出人造黑色素材料。
作为一种具体实施方式，在对黑色的反应溶液进行离心时，离心转数设置为大于8000rpm。
本发明具有如下特点和有益效果：
(1)将光热转换效率极高的黑色素材料涂覆于纤维素膜上，并利用输水纤维的毛细作用将海水富集于纤维素膜，当太阳光照射纤维素膜，由于黑色素材料的高光热转换效率，产生大量热量，从而显著提高太阳能的利用率，达到将海水蒸发并获得淡水的目的。
(2)采用所提供的制备方法合成黑色素材料，所合成的黑色素材料的光热转换效率最高可达47％；将涂覆该黑色素材料的纤维素膜应用于海水淡化蒸发，蒸发效率可达88％。
附图说明
图1为实施例1所合成黑色素材料的SEM图；
图2为实施例2中海水淡化装置的原理结构示意图；
图3为实施例2中海水淡化装置的整体结构示意图；
图4为实施例2中模拟蒸发试验时拍摄的水蒸气照片；
图5为实施例2中模拟蒸发试验过程的热红外成像示意图；
图6为不同条件下的海水蒸发速率对比图；
图7为不同条件下的海水蒸发效率对比图。
图中，1-太阳光，2-水蒸汽，3-涂覆有黑色素材料的纤维素膜，4-轻质隔热板，5-输水纤维，6-海水容器，7-可透光淡水收集容器，8-淡水收集口。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明技术方案及有益效果进行详细描述，但是本领域技术人员将理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例为黑色素材料制备方法的实施例。
将200mg多巴胺盐酸盐完全溶解于50ml去离子水中；同时，将400mg TEMPO完全溶解于50ml去离子水中。将两种溶液混合，并在空气环境中，在室温下磁力搅拌12小时，获得黑色的反应溶液。之后，对黑色的反应溶液离心分离出人造黑色素材料，并用去离子水洗涤三次。图1所示为本实施例所合成产物的SEM图，从图1可以看出，本实施例合成黑色素材料的粒径约50nm。结合紫外可见吸收光谱，计算出本实施例合成黑色素材料的光热转换效率达47％。
实施例2
参见图2，本实施例海水淡化装置主要包括太阳能吸收器、轻质隔热板4、输水纤维5 和海水容器6，太阳能吸收器为单面或双面涂覆有黑色素材料层的纤维素膜3，太阳能吸收器设置于轻质隔热板4上。轻质隔热板4设于海水容器6端口处；输水纤维5置于海水容器内，其一端穿过轻质隔热板4连接纤维素膜3，其另一端置于海水内；输水纤维5用来利用毛细作用将海水输送到纤维素膜3，从而进行海水蒸发。本实施例中，利用抽滤方法将黑色素材料的水溶液负载到纤维素膜上，从而在纤维素膜上获得黑色素材料膜；纤维素膜采用羧甲基纤维素，轻质隔热板4采用PS发泡板，输水纤维5采用棉纤维棒。棉纤维棒置于PS 发泡板的中心孔洞中，棉花棒的两端分别接触海水和纤维素膜，在毛细作用下，海水通过棉花棒输送，并浸润纤维素膜。
为便于收集淡水，将海水容器6置于一密封的可透光淡水收集容器6内，参见图3，该可透光淡水收集容器7顶部倾斜，其底端设置一淡水收集口8。采用可透光淡水收集容器7是为了让太阳光透过并照射于纤维素膜3上，蒸发的水蒸汽冷凝于可透光淡水收集容器7的倾斜顶部，并流至底部，由底部的淡水收集口8即可收集到淡水。本实施例中，可透光淡水收集容器7为一玻璃容器。
采用图2所示结构进行海水蒸发模拟试验，采用模拟的太阳光1在纤维素膜正上方进行照射，发现有水蒸汽2产生，见图4所示照片。图5所示为在模拟蒸发试验过程的热红外成像示意图，从图中可以看出，在1sun强度照射下，纤维素膜表面温度可升高到55摄氏度。而隔热的PS发泡板温度仅有23摄氏度，证明黑色素膜产生的热量主要用于水分蒸发，不会传导到海水本体中。
图6～7所示为在不同条件下测得的海水蒸发速率和效率。图6的三条曲线分别表示在 1kW/m2光照1小时下，海水本体，空白纤维素膜和涂覆有黑色素材料层的纤维素膜的海水蒸发速率，分别是0.45kg/(m2h)、0.58kg/(m2h)和1.48kg/(m2h)。涂覆有黑色素材料层的纤维素膜的海水蒸发速率提高了近3倍。图7表示在三种不同条件的蒸发速率下，对应的蒸发效率分别是30％，42％和88％。图6和图7均说明了本发明海水淡化装置有很快的蒸发速率和很高的蒸发效率，将其用于海水淡化，可充分利用太阳能，显著提高海水淡化效率。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种合成生物色素膜海水淡化装置，其特征是：
包括太阳能吸收器，用来吸收太阳能并对富集于其上的海水进行蒸发；所述太阳能吸收器为单面或双面涂覆有黑色素材料的纤维素膜；
还包括轻质隔热板和输水纤维，所述太阳能吸收器设置于轻质隔热板上；
所述轻质隔热板浮于海水上，用来避免太阳能吸收器与海水直接接触；
所述输水纤维穿过所述隔热板，用来利用毛细作用将海水输送到太阳能吸收器；
还包括海水容器，所述海水容器用来容纳海水，所述轻质隔热板设于海水容器口并浮于海水上，所述输水纤维底端接触海水容器内海水；
还包括一密封的可透光淡水收集容器，海水容器置于可透光淡水收集容器内；
所述黑色素材料采用如下方法制备，包括步骤：
提供多巴胺盐酸盐的水溶液或水醇溶液，记为溶液A；
提供2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物(TEMPO)的水溶液或水醇溶液，记为溶液B；
混合溶液A和B获得反应溶液，在室温的空气环境中搅拌反应溶液进行聚合反应；
从反应后的溶液中分离出黑色素材料。
2.如权利要求1所述的合成生物色素膜海水淡化装置，其特征是：
所述纤维素膜为羧甲基纤维素。
3.如权利要求1所述的合成生物色素膜海水淡化装置，其特征是：
所述轻质隔热板为PS发泡板。
4.如权利要求1所述的合成生物色素膜海水淡化装置，其特征是：
所述输水纤维为棉纤维。
5.如权利要求1所述的合成生物色素膜海水淡化装置，其特征是：
所述海水容器为热绝缘容器。
6.如权利要求1所述的合成生物色素膜海水淡化装置，其特征是：
所述可透光淡水收集容器顶部倾斜，其底端设置一淡水收集口。
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