CN110357191A - 一种便携式高效海水淡化材料及其制备、使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海水淡化材料及其制备、使用方法。采用内外双层设计吸水内核材料和锁水光热外壳材料组成，内层为吸水内核材料吸收海水，实现海水的“固化”，既便于携带，又避免污染已收集的淡水，外层为为光热材料、凝胶、基底材料所组成的复合材料，比表面积大但材料用量少，成本低廉，本发明材料3D的结构，由于无需和海水接触，无需部分浸泡于海水中，因此实现了暴露面积，也就是蒸发面积的最大化，从而大大提蒸发速度，原材料采用轻质固体材料，便于携带。
Description
技术领域
本发明涉及一种海水淡化材料及其制备、使用方法，尤其一种便携式高效海水淡化材料及其制备、使用方法。
背景技术
现有的太阳能光热海水淡化技术通常是光热材料漂浮于海水池中的海水表面，吸收太阳光将其转化于热量用于蒸发海水，产生的蒸汽冷凝，最终收集淡水。现有技术所存在的问题集中表现在： 1）海水池中的海水，特别是在海水淡化器移动过程中有可能溅出从而污染淡水收集池中的淡水；2）很难实现便携式或可移动式的海水淡化；3）光热材料漂浮于海水池，发挥光热作用主要集中在漂浮在海水上方材料的表面部分，利用率低。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种便携式高效海水淡化材料及其制备方法。本项发明基于如下发明构思解决现有技术存在的问题：1）如图1所示，采用内外双层设计，内层为吸水内核材料吸收并储存海水，实现海水的“固化”，既便于携带，又避免污染已收集的淡水。2）外层为光热材料、凝胶、基底材料所组成的复合材料，比表面积大但材料用量少，成本低廉，可以有效锁住内核材料中储存的海水，吸收阳光并转化为热能用于蒸发储存的海水3）材料3D的结构，由于无需和海水接触，无需部分浸泡于海水中，因此实现了暴露面积，也就是蒸发面积的最大化，从而大大提蒸发速度。4）原材料采用轻质固体材料，便于携带。5）储存的海水及盐离子在内核材料和外层材料之间可以自由传送，因此在光热蒸发海水淡化过程中，在总的盐浓度没达到饱和之前（2天），表面不析出盐颗粒。6）所制备的材料为3D光热储水材料。
本发明的具体方案：
一种便携式高效海水淡化材料由吸水内核材料和锁水光热外壳材料组成，锁水光热外壳包覆在吸水内核材料外面；吸水内核材料为强吸水材料；
锁水光热外壳材料为光热材料、凝胶、基底材料所组成的复合材料，所述的光热材料为石墨稀或碳纳米管或石墨或碳黑或氧化还原石墨稀或硫化铜纳米颗粒或碳纳米颗粒或镍或钴-镍合金纳米颗粒；所述的凝胶为硅藻酸凝胶或琼脂凝胶；所述的基底材料为棉纺织材料或具有孔道结构的亲水材料；便携式高效海水淡化材料为三维立体结构。
技术说明：本材料工作过程，光照条件下，外壳材料被加热，蒸发其中所含水份，在这个过程中，内核材料源源不断的向外壳提供储存的海水，使得蒸发过程可以持续下去。
材料结构方面：锁水材料由基底+轻质凝胶+光热材料组成，可以保证内核材料中储存的海水在轻度挤压的情况下不析出。基底材料为棉纺织材料或具有孔道结构的亲水材料，一方面保证水和盐离子的流动，同时该类材料易于剪裁加工制作，容易包覆在吸水内核材料外面,实现盐离子和水的有效传导。
成本方面：与现有技术相比，锁水光热外壳包覆在吸水内核材料外面，比表面积大但材料用量少，成本低廉。
便携式高效海水淡化材料为三维立体结构，由于无需和海水接触，无需部分浸泡于海水中，因此实现了暴露面积，也就是蒸发面积的最大化。从而大大提蒸发速度。
一种便携式高效海水淡化材料的制备方法,该方法包括以下步骤：
步骤一：向每毫升水中加入0.5-3毫克光热材料和5-10毫克海藻酸钠，超声均匀后获得混合液A；所述的光热材料为石墨稀或碳纳米管或石墨或碳黑或氧化还原石墨稀或硫化铜纳米颗粒或碳纳米颗粒或镍或钴-镍合金纳米颗粒；
步骤二：按照每平米基底材料上负载800－4000 毫升的混合液A的比例将混合液A涂抹到基底材料上；
步骤三：将负载混合液A的基底材料冻干然后浸泡在质量分数为5%的氯化钙溶液中，获得复合材料B；
步骤四: 将复合材料B包覆在海绵或脱脂棉或水凝胶上,获得一种便携式高效海水淡化材料。
一种便携式高效海水淡化材料的制备方法,该方法包括以下步骤：
步骤一：向每毫升水和乙醇的体积比为8:1-3:1的溶剂中加入0.5-3毫克光热材料，超声制备均匀混合液E; 所述的光热材料为石墨稀或碳纳米管或石墨或碳黑或氧化还原石墨稀或硫化铜纳米颗粒或碳纳米颗粒或镍或钴-镍合金纳米颗粒；
步骤二：在每毫升混合液E中加入7.5-15 毫克琼脂糖和80-150毫克尿素，得到混合液F。将混合液F加热至80摄氏度保持30分钟得到混合液G;
步骤三: 按照每平米基底材料上负载800－4000 毫升的混合液G的比例将80-90摄氏度混合液G浇注到基底材料上, 将所得材料冷却冻干，洗涤, 获得复合材料L;
步骤四: 将复合材料L包覆在海绵或脱脂棉或水凝胶上,获得一种便携式高效海水淡化材料。
技术说明：步骤二中尿素为造孔剂，提高水和离子交换性能。
有益效果
1）将其吸饱海水后置于海水淡化器中，无需再将淡化器中注入海水，因此无需海水池，大大简化海水淡化器结构； 2）材料吸饱海水后，其海水储存量足够支持两天正常光热海水蒸发，并在无强烈挤压的情况下，储存海水不会析出，因此大大降低污染已收集的淡水的可能性； 3）同时这样的设计使得海水淡化器的总重量大大降低，实现便携式的目的； 4） 海水淡化可在行进过程中进行； 5）这种新型的海水储存和光热材料具有3D的结构，由于无需和海水接触，无需部分浸泡于海水中，因此实现了暴露面积，也就是蒸发面积的最大化。从而大大提蒸发速度。
附图说明
图1：一种便携式高效海水淡化材料结构示意图
图2：实施例4一种便携式高效海水淡化材料吸水前后质量对比图 （a）吸水前 29.79克，（b）吸水后 223.91克。
图3：实施例6一种便携式高效海水淡化材料实际应用图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种便携式高效海水淡化材料的制备方法,该方法包括以下步骤：
步骤一：向每毫升水中加入0.5-3毫克光热材料和5-10毫克海藻酸钠，超声均匀后获得混合液A；所述的光热材料为石墨稀或碳纳米管或石墨或碳黑或氧化还原石墨稀或硫化铜纳米颗粒或碳纳米颗粒或镍或钴-镍合金纳米颗粒；
步骤二：按照每平米基底材料上负载800－4000 毫升的混合液A的比例将混合液A涂抹到基底材料上；
步骤三：将负载混合液A的基底材料冻干然后浸泡在质量分数为5%的氯化钙溶液中，获得复合材料B；
步骤四: 将复合材料B包覆在海绵或脱脂棉或水凝胶上,获得一种便携式高效海水淡化材料。
该便携式高效海水淡化材料由吸水内核材料和锁水光热外壳材料组成，锁水光热外壳包覆在吸水内核材料外面；吸水内核材料为强吸水材料；
锁水光热外壳材料为光热材料、凝胶、基底材料所组成的复合材料，所述的光热材料为石墨稀或碳纳米管或石墨或碳黑或氧化还原石墨稀或硫化铜纳米颗粒或碳纳米颗粒或镍或钴-镍合金纳米颗粒；所述的凝胶为硅藻酸凝胶或琼脂凝胶；所述的基底材料为棉纺织材料或具有孔道结构的亲水材料；便携式高效海水淡化材料为三维立体结构。
实施例2
一种便携式高效海水淡化材料的制备方法,该方法包括以下步骤：
步骤一：向每毫升水和乙醇的体积比为8:1-3:1的溶剂中加入0.5-3毫克光热材料，超声制备均匀混合液E; 所述的光热材料为石墨稀或碳纳米管或石墨或碳黑或氧化还原石墨稀或硫化铜纳米颗粒或碳纳米颗粒或镍或钴-镍合金纳米颗粒；
步骤二：在每毫升混合液E中加入7.5-15 毫克琼脂糖和80-150毫克尿素，得到混合液F。将混合液F加热至80摄氏度保持30分钟得到混合液G;
步骤三: 按照每平米基底材料上负载800－4000 毫升的混合液G的比例将80-90摄氏度混合液G浇注到基底材料上, 将所得材料冷却冻干，洗涤, 获得复合材料L;
步骤四: 将复合材料L包覆在海绵或脱脂棉或水凝胶上,获得一种便携式高效海水淡化材料。
实施例3
本实施例与实施例1和实施例2基本相同，其特征在于所述的吸水内核材料为海绵或脱脂棉或水凝胶；所述的棉纺织材料或具有孔道结构的亲水材料为棉质毛巾复合材料或棉垫或棉布或竹纤维纸；便携式高效海水淡化材料为圆柱形，直径1-10厘米，高度5-20厘米。
技术说明：实验测试内核材料可以吸收并储存6－20倍其自身重量的海水，便携式高效海水淡化材料形状一方面对于决定接受太阳光的效率，同时对于材料能否连续使用具有重要影响。只有整个3D光热储水材料中的盐浓度达到饱和时才会在表面析出盐颗粒，经过测试，经过一整天的蒸发，材料表面没有盐晶体析出。第二天使用时只需将3D光热储水材料浸泡于海水中5分钟，就可以使其重新吸满海水，并使上一天蒸发引起的盐浓度增加重新降低下来，如此循环。
实施例4
本实施例与实施例3基本相同，其特征在于便携式高效海水淡化材料为圆柱形，直径为5 厘米，高度为10厘米，其干态重量约为29.70克，吸满海水后质量约为223.91克。海水吸附量为194.21克，为其自身重量的6.5倍左右。
吸满海水状态下，在1个太阳强度的光照下的实测蒸发速度为3.3－3.4千克每平方米每小时。连续8个小时的蒸发水量为储水量的29.4%左右。蒸发过程中材料表面没有盐析出。增加材料的高度，如将高度从10厘米增加到15厘米，蒸发速度能够进一步提升到4.0千克每平方米每小时。高度为15厘米蒸发速度快；10厘米成本较低。
本实施例光热材料用量少，整体造价成本低廉，制备方法简单，易于大规模生产。产出的淡水经检测，水中的Na+, K+, Ca2+, Mg2+等盐离子含量均低于1 ppm, 远远优于世界卫生组织（WHO）的海水淡化饮用水的标准。无需引入可流动的海水，因此海水淡化装置可被便携式携带。基于此，本设计可普遍适用于小型或单人便携式淡水生成器，也可用于大规模生产。
实施例5
本实施例与实施例3基本相同，其特征在于步骤一所述的光热材料为氧化还原石墨稀；步骤三按照每平米基底材料上负载800 毫升。
氧化还原石墨稀具有光热性能优良，比表面大，稳定性好，环保等优点，因此基底材料上负载800 毫升。
实施例6
将制备的便携式高效海水淡化材料浸泡在海水中5-100分钟后取出，在阳光照射下，不需要与液态海水接触条件下，置于海水淡化装置（如图3所示）中，收集淡水5-48小时后，重新置于海水中浸泡5-100分钟后，循环使用。
置于常规海水淡化装置中，与常规海水淡化过程中的差异是该装置中无液态海水，产生的淡水冷凝后，在装置底部直接收集。在光热蒸发海水淡化过程中，在总的盐浓度没达到饱和之前（48小时），表面不析出盐颗粒。
Claims (9)
1.一种便携式高效海水淡化材料由吸水内核材料和锁水光热外壳材料组成，锁水光热外壳包覆在吸水内核材料外面；吸水内核材料为强吸水材料；
锁水光热外壳材料为光热材料、凝胶、基底材料所组成的复合材料，所述的凝胶为硅藻酸凝胶或琼脂凝胶；所述的基底材料为棉纺织材料或具有孔道结构的亲水材料；便携式高效海水淡化材料为三维立体结构。
2.如权利要求1所述一种便携式高效海水淡化材料，其特征在于所述的吸水内核材料为海绵或脱脂棉或水凝胶；所述的光热材料为石墨稀或碳纳米管或石墨或碳黑或氧化还原石墨稀或硫化铜纳米颗粒或碳纳米颗粒或镍或钴-镍合金纳米颗粒；所述的棉纺织材料或具有孔道结构的亲水材料为棉质毛巾复合材料或棉垫或棉布或竹纤维纸；便携式高效海水淡化材料为圆柱形，直径1-10厘米，高度5-20厘米。
3.如权利要求2所述一种便携式高效海水淡化材料，其特征在于便携式高效海水淡化材料为圆柱形，直径为5 厘米，高度为10厘米。
4.如权利要求2所述一种便携式高效海水淡化材料，其特征在于便携式高效海水淡化材料为圆柱形，直径为5 厘米，高度为15厘米。
5.一种便携式高效海水淡化材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：向每毫升水中加入0.5-3毫克光热材料和5-10毫克海藻酸钠，超声均匀后获得混合液A；所述的光热材料为石墨稀或碳纳米管或石墨或碳黑或氧化还原石墨稀或硫化铜纳米颗粒或碳纳米颗粒或镍或钴-镍合金纳米颗粒；
步骤二：按照每平米基底材料上负载800－4000 毫升的混合液A的比例将混合液A涂抹到基底材料上；
步骤三：将负载混合液A的基底材料冻干然后浸泡在质量分数为5%的氯化钙溶液中，获得复合材料B；
步骤四: 将复合材料B包覆在海绵或脱脂棉或水凝胶上,获得一种便携式高效海水淡化材料；
所述的基底材料为棉质毛巾复合材料或棉垫或棉布或竹纤维纸。
6.如权利要求5所述一种便携式高效海水淡化材料的制备方法，其特征在于步骤一所述的光热材料为氧化还原石墨稀；步骤三按照每平米基底材料上负载800 毫升。
7.一种便携式高效海水淡化材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：向每毫升水和乙醇的体积比为8:1-3:1的溶剂中加入0.5-3毫克光热材料，超声制备均匀混合液E; 所述的光热材料为石墨稀或碳纳米管或石墨或碳黑或氧化还原石墨稀或硫化铜纳米颗粒或碳纳米颗粒或镍或钴-镍合金纳米颗粒；
步骤二：在每毫升混合液E中加入7.5-15 毫克琼脂糖和80-150毫克尿素，得到混合液F；将混合液F加热至80摄氏度保持30分钟得到混合液G;
步骤三: 按照每平米基底材料上负载800－4000 毫升的混合液G的比例将80-90摄氏度混合液G浇注到基底材料上, 将所得材料冷却冻干，洗涤, 获得复合材料L;
步骤四: 将复合材料L包覆在海绵或脱脂棉或水凝胶上,获得一种便携式高效海水淡化材料。
8.如权利要求7所述一种便携式高效海水淡化材料的制备方法，其特征在于步骤一所述的光热材料为氧化还原石墨稀；步骤三按照每平米基底材料上负载800 毫升。
9.一种便携式高效海水淡化材料的使用方法，将该材料浸泡在海水中5-100分钟后取出，置于海水淡化装置中，在阳光照射下，不需要与液态海水接触条件下，收集淡水5-48小时后，重新置于海水中浸泡5-100分钟后，循环使用。
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