CN110723769B - 一种海水持续淡化装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及海水持续淡化装置及方法。本发明将碳纳米管或石墨烯等一类碳基材料复合疏水聚合物制备得到一种疏水碳基复合膜，通过激光打孔获得具有微‑纳米多级孔结构的疏水碳基复合膜，进一步在其表面涂覆有光热/电热响应性的聚合物分子，增强其电焦耳热和光热效应以提高能源利用率，最终获得兼具多级孔道结构和电热、光热效应的疏水碳基复合膜。设计相应器件将该疏水碳基复合多孔膜应用于电热/光热驱动海水淡化过程，控制条件使该疏水碳基复合多孔膜发热，热量作为热源为水相变过程提供传质驱动力，冷凝回收水蒸气最终实现海水脱盐。本发明结合热相变过程和膜法，能够实现电热‑光热交替24小时持续海水淡化。

Description

一种海水持续淡化装置及方法
技术领域
本发明涉及一种新型节能的海水淡化方法，以碳纳米管或石墨烯等一类碳基材料高效的光热转换效率及其通电焦耳热效应为基础，结合热相变与蒸发传质实现海水淡化过程。
背景技术
随着人口增长和水污染日益严重，水资源短缺已成为人类社会面临的最严峻的全球性挑战之一。目前已发展成熟并得到大规模商业应用的海水淡化技术包括反渗透法(RO)、电渗析法(ED)、多级闪蒸(MSF)、低温多效(MED)等，这些技术在高效淡化的同时设备运行带来能耗问题不容忽视，而太阳能海水淡化技术由于其低能耗、低成本、高能量转换效率、环境友好等优点被认为是一种很有前途的技术。目前，太阳能海水淡化领域通过光子管理、纳米尺度热调控、开发新型光热转化材料、设计高效光吸收太阳能蒸馏器等方法实现了界面太阳能驱动蒸汽生成，这种绿色、可持续的海水脱盐技术已成为近年来的研究热点。碳基材料如碳纳米管、石墨烯、炭黑、石墨等都有涵盖整个太阳光光谱的光吸收能力，是一种新型的光热转换材料。
例如，CN200910169726.7提供了一种利用碳纳米管吸收太阳能高效淡化海水的方法：利用碳纳米管实现光能向热能的转化,利用循环流动的载气将碳纳米管表面的热能带走并传递给海水；载气进入海水储槽将海水分成温度和浓度不同的上下两层；上、下层海水与载气三者之间通过连续的热量、质量和动量传递过程,实现了淡水与浓海水之间的分离。CN201710591777.3公开了一种基于碳纳米管薄膜的太阳能海水淡化或污水处理方法。该发明以化学气相沉积法直接制备的碳纳米管垂直阵列为原料，经处理得到具有强吸光性和表面亲水性的碳纳米管垂直阵列薄膜；将这种亲水性碳纳米管薄膜置于待处理水表面；由于该碳纳米管薄膜可高效吸光并进行光热转化，从而加热水体引起水的快速蒸发，将该蒸汽冷凝即得到纯化的水。
然而太阳能海水淡化过程受到日照强度的影响，与日照强度相关的四季以及地域的局限性使得传统太阳能海水淡化过程在自然条件下无法连续高效的海水淡化。
CN201810956984.9提供了一种高效淡化海水的碳纳米管-醋酸纤维素膜及制备方法。该方法通过将赋磁碳纳米管引入醋酸纤维素反渗透膜中，并通过磁场使碳纳米管取向排列形成渗透通道，使用时施加高频脉冲磁场使碳纳米管进行微振荡，削弱水分子与醋酸纤维素的相互作用，促进水分子通过膜层。与传统方法相比，该发明制备的碳纳米管-醋酸纤维素膜在长时间使用后仍能维持较高的脱盐率和水通量，海水淡化效率高，使用寿命长。
然而，其仍然没有解决海水持续淡化的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种以碳纳米管或石墨烯等一类碳基材料的电焦耳热效应及其光热转换效应为基础的电热-光热交替持续海水淡化系统：白天光照条件下，该系统一方面能够以电能的形式储存部分太阳能，另一方面碳基复合多孔膜能够直接吸收太阳光中的能量并完成光热转换，该热量促使水分子蒸发并通过复合膜的微-纳米多级孔道，收集蒸发的水分子，最终实现太阳能海水淡化；白天光照不足或夜间，该系统能够释放电能，电压作用下碳基复合多孔膜产生焦耳热，焦耳热驱动水分子蒸发并通过微-纳米多级孔道，收集蒸发的水分子，最终实现太阳能海水淡化。该系统实现了高效节能的海水淡化过程，解决了膜材料耐腐蚀性、抗污性等共性技术问题，利用碳基复合膜优良的导电性、光吸收特性、抗污阻盐效果，结合太阳能电池系统，实现了24小时不间断交替持续的海水淡化。
1.本方法中使用碳纳米管作为碳基材料，具有涵盖整个太阳光光谱的光吸收能力及优异的光热转换特性，通电条件下该类材料又显示出较强的焦耳热效应及耐电化学腐蚀性，此类材料内部多层级多尺度的孔道系统能持续高效地为输水阻盐过程提供结构支持，是一类新型光电双响应的海水淡化膜材料。
2.本方法使用激光打孔法构筑微-纳米多级孔道结构，该结构兼具高效离子截留特性及快速水输运能力。
3.本方法实施过程中疏水聚合物作为结构支撑，复合后的碳基复合膜具有较好的机械强度(盐水浸泡30分钟无形变)。
4.本方法实施过程中碳纳米管或石墨烯等一类碳基材料在长时间通电条件下仍能保持良好的疏水性(通电1.5小时后膜表面与100g/L NaCl溶液接触角仍能保持120°以上)，突破传统商业分离膜在实际应用中的膜润湿障碍，参考图5。
5.本方法实施过程中采用叉指电极并联碳基复合多孔膜，保证每片膜均能达到相同电压下的最高温度，如图3(a)示意。
6.本方法实施过程中采用三明治结构封装碳基复合多孔膜及电极，即聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)板-硅胶-碳基复合多孔膜/电极-硅胶-聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板依序叠加，三明治结构能有效减少碳基复合多孔膜及电极材料的电化学腐蚀，避免电路老化。
7.本方法实施过程中碳基复合多孔膜相较于传统商业分离膜自身能够产生热量，且加热温度可控(可通过调整电压来调整膜表面温度,20V电压下膜表面温度最高可达113.2℃，参考附图6(a))。
8.本方法实施过程中可通过在碳基复合多孔膜表面涂敷电响应聚合物，降低体系操作电压，减少电极表面电化学反应。(涂敷碳龙配合物1#分子后，4V电压下，膜表面最高可达 150℃，参考图6(b)。
9.本方法实施过程中具有比传统太阳能海水淡化过程更高的蒸发速率(电热淡化速率： 12.51kg/m2·h，光热淡化速率：15.80kg/m2·h)。
10.本方法实施过程中具有比传统海水淡化过程更好的脱盐效果(最高可达到99.959％)。
11.本方法实施过程中能量利用效率较高。(四片膜集成条件下，电压10V时电焦耳热能量利用效率最高，其数值为：92.70％；四片膜集成条件下，光浓度Copt＝4时光热最高能量利用效率最高，其数值为：93.64％)。
12.本方法可以交替24小时不间断操作：白天有光照条件下，碳基复合多孔膜光热转换为体系提供热量及传质驱动力，进行海水淡化过程，同时使用太阳能电池板将光能转换成电能存储；白天无光照或者夜间条件下，利用太阳能电池板存储下来的电能，为碳基复合多孔膜通电，使其产生焦耳热为体系提供热量及传质驱动力，进行海水淡化过程，以此循环实现电热-光热交替24小时持续海水淡化。
13.本方法使用的所有能量均直接或间接由太阳提供，无其他能源输入系统，是一种新型节能的海水淡化方法。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为焦耳热-光热交替24小时持续海水淡化机理图。
图2为焦耳热-光热交替24小时持续海水淡化装置示意图。
图3为电极连接及封装示意图。(a)叉指电极连接部分示意图；(b)聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)封装夹片示意图；(c)三明治结构封装实物图；(d)叉指电极等效电路图。
图4为淡化器件示意图。
图5为碳纳米管复合多孔膜通电时的接触角测试。
图6为红外热成像测试图。(a)单片膜外加电场红外热成像；(b)涂敷碳龙配合物1#分子外加电场红外热成像；(c)四片膜集成涂敷碳龙配合物1#分子外加电场红外热成像；(d)电热海水淡化过程器件顶盖温度；(e)光热海水淡化过程器件顶盖温度。
图7为(a)碳纳米管复合疏水膜实物图侧面(左)、表面(右)；(b)激光打孔制的碳纳米管复合疏水多孔膜实物图侧面(左)、表面(右)。
图8为激光打孔的示意图(a)和显微镜图(b)。
图9为淡化装置及效果实物。(a)单片膜一个太阳光下海水淡化测试装置及淡化效果；(b) 单片膜电热海水淡化测试装置及淡化效果；(c)四片膜集成电热海水淡化测试装置及淡化效果。
图10为响应性聚合物分子结构。
具体实施方式
1.碳基复合膜制备(以碳纳米管阵列基为例)：
以甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，配置4％的二茂铁/甲苯溶液，采用浮动辅助催化法 (FCCVD)，在740℃下生长制备宽管径(～80nm)、高结晶度(IG/D≈2.51)、高密度(0.17g/cm3)、高度可控(20～1000μm)的碳纳米管阵列。聚二甲基硅氧烷(PDMS)A、B组分以10:1的比例混合均匀，除气泡30min，用吸管滴至碳纳米管阵列表面，待阵列完全浸润后静置30min，设置旋涂程序①500r-20s；②3000r-40s以去掉多余树脂，70℃固化3h。固化完全后剥离基底，打磨表面露出碳管管端，用超薄切片机对膜进行切片，得到碳纳米管阵列复合疏水膜参考图7(a)。控制膜的厚度为30μm，保证多孔膜具有较大的水通量。
2.碳基复合膜打孔：
使用激光切割机，设置切割功率为25W，切割速度为2m/s，对焦后得到孔径50μm的碳纳米管阵列复合多孔膜参考图7(b)，密度为每5mm×5mm面积区域内64个孔，制备过程及孔径尺寸表征如图8。
3.碳基复合多孔膜-电极封装夹片包括电极连接部分及封装夹片：
(1)电极连接部分：叉指电极并联碳基复合多孔膜装置参考图3，电极连接方法参考图3(a)：钛电极正极1，钛电极负极2，螺钉孔槽3，碳膜位置区域4，碳膜5；使用导电银胶使每片碳膜上下边缘分别与钛电极正极1和负极2的叉指部分上下边缘紧密粘接，碳膜左右边缘不与钛电极粘接，以此保证流经钛电极的电流均能流经碳膜，四片碳膜均以这种方法粘接在图3(a)中虚线框内，等效电路参考图3(d)，碳膜理论上不遮挡螺钉孔槽，此步中螺钉孔槽3在碳膜粘接过程中只帮助每片碳膜定位，其孔道特性保留。
(2)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)封装夹片参考图3(b)：电极插孔6，螺钉孔槽7，碳膜孔槽8，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板9；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板9厚度2mm，分别在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板电极插孔6，螺钉孔槽7，碳基复合多孔膜孔槽8处以图中所示形状打孔，其中电极插孔6允许(1)中钛电极穿过，用于引出电极，碳膜孔槽8允许盐水通过并接触碳基复合多孔膜表面。
(3)硅胶垫封装夹片参考图3(b)，硅胶垫封装夹片与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)封装夹片结构相同。
(4)三明治结构封装参考图3(c)：硅胶垫封装夹片10，螺钉11，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 封装夹片12，电极连接部分13；
①首先参考(1)中电极连接部分，采用(1)中描述的方法使用导电银胶将四片碳膜与钛电极粘接，即为本步中电极连接部分13，参考图3(a)；
②其次采用步骤(3)中硅胶垫封装夹片10，参考图3(c)，两片硅胶垫封装夹片以三明治结构夹持步骤(1)电极连接部分，硅胶垫封装夹片的螺钉孔槽7与步骤(1)电极连接部分螺钉孔槽3对齐，电极连接部分钛电极正负极1、2分别穿出硅胶垫封装夹片上对应的电极插孔，此步完成后得到硅胶垫封装后的电极连接部分；
③最后使用步骤(2)中聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)封装夹片12，两片聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)封装夹片，参考图3(c)以三明治结构继续对硅胶垫封装后的电极连接部分进行封装，上步硅胶垫封装后的电极连接部分保留的钛电极正负极1、2分别穿出聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)封装夹片上的电极插孔6；
④最终得到聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板封装夹片-硅胶垫封装夹片-碳膜/电极连接部分-硅胶垫封装夹片-聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)封装夹片依序叠加的5层三明治结构，螺钉9插入对应螺钉孔槽，螺丝螺紧后电极连接部分依靠应力封装。
4.淡化器件参考图4：电极出口孔1、6，重盐水入口2，重盐水储槽3，纯水收集槽4，顶盖5(可拆卸)，碳基复合多孔膜-电极封装夹片漂浮位7，纯水出口8。器件结构：电极出口孔1、6分别位于器件左右侧壁；重盐水入口2穿过器件左侧壁与重盐水储槽3连接，以维持重盐水储槽中重盐水水位；碳基复合多孔膜-电极封装夹片漂浮位7位于重盐水储槽3中，用于放置碳基复合多孔膜-电极封装夹片，漂浮位尺寸与重盐水储槽尺寸一致，便于卡紧碳基复合多孔膜-电极封装夹片；纯水收集槽4呈回字形包围重盐水储槽3；纯水出口8穿过器件右侧壁与收集槽4相连；器件工作时热量使水蒸气蒸发，水蒸气在器件顶盖5冷凝并沿器件侧壁滑入纯水收集槽4。器件工作方式：打开顶盖5，将碳基复合多孔膜-电极封装夹片卡于7，电极由1、6孔引出，关闭顶盖5。重盐水由2注入，使碳基复合膜-电极封装夹片漂浮于重盐水储槽3中并且夹片镂空部分允许碳基复合多孔膜与盐水接触，碳基复合多孔膜产生热量后热量使水相变，汽化的水分子通过碳基复合多孔膜中微 -纳米孔道系统，到达顶盖5内表面，冷凝后纯水沿内表面坡度最终汇聚于纯水收集槽4，由纯水出口8引出，完成海水淡化。
5. 24h持续海水淡化过程参考图2、图4：系统包括淡化器件，太阳能电池板两部分。器件以步骤4中方法安装，白天有光照条件下，该系统中电池板能够以电能的形式储存部分太阳能，另一方面碳基复合多孔膜能够直接吸收太阳光中的能量并完成光热转换，该热量促使水分子蒸发并通过复合膜的微-纳米复合孔道，收集蒸发的水分子，最终实现太阳能海水淡化；夜间或白天光照不足条件下该系统中太阳能电池板能够释放白天储存的电能，太阳能电池板连接步骤4中器件上1，6孔引出的电极，电流作用下碳基复合多孔膜表面产生焦耳热，焦耳热驱动下复合膜也能实现电致海水淡化，由此实现24h海水淡化。
实施例1
第一步，以甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，配置4％的二茂铁/甲苯溶液，采用浮动辅助催化法(FCCVD)，在740℃下生长制备宽管径(～80nm)、高结晶度(IG/D≈2.51)、高密度(0.17 g/cm3)、高度可控(20～1000μm)的碳纳米管阵列，如图3；聚二甲基硅氧烷(PDMS)A、B组分以10:1的比例混合均匀，除气泡30min，用吸管滴至碳纳米管阵列表面，待阵列完全浸润后静置30min，设置旋涂程序①500r-20s；②3000r-40s以去掉多余树脂，70℃固化3 h。固化完全后剥离基底，打磨表面露出碳管管端，用超薄切片机对膜进行切片，得到碳纳米管阵列复合疏水膜，实物表面及侧面参考图7(a)。控制膜的厚度为30μm，保证多孔膜具有较大的水通量。
第二步，使用激光切割机，设置切割功率为25W，切割速度为2m/s，对焦后得到孔径50μm的碳纳米管阵列复合多孔膜，实物表面及侧面参考图7(b)，密度为每5mm×5mm面积区域内64个，制备过程及相关孔径尺寸表征如图8。
第三步，使用第二步制得的碳纳米管阵列复合多孔膜，该碳膜两边用导电银胶粘接钛箔为电极，用于外加电源；调试外加直流电参数使得阵列产生焦耳热：调试直流电压例如：10V、 11V、12V、13V、14V、15V，控制碳膜达到对应电压下的最高表面温度并达到稳定，15V 电压下膜表面温度最高，最高温度为113.2℃，参考图6(a)。
第四步，以第三步中调试的数据设置直流电源相关参数，夹片中只夹一片碳膜，实现重盐水(100g/L NaCl)脱盐，淡化装置及淡化效果参考附图9(b)。脱盐过程最大能耗1.21×104J/h，用于膜表面水分子蒸发的能量消耗5.92×103J/h，能量利用率为48.92％，自焦耳热海水淡化过程单次实验中脱盐率最高可达到99.93％，最大淡化速率为16.664kg/m2·h。
实施例2
第一步，使用实施例1中制备得到的碳纳米管阵列复合多孔膜，将该碳膜两边用导电银胶粘接钛箔为电极，用于外加电源。
第二步，固定直流电压为15V，调试直流电压作用于碳膜上的时间例如：5min、10min、15min、20min、25min、30min、35min，控制碳膜达到电压为15V时对应时间内最高表面温度并达到稳定。
第三步，以第二步中调试的数据设置直流电源电压数值及通电时间，夹片中只夹一片碳膜，实现重盐水(100g/L NaCl)脱盐，淡化装置及淡化效果参考图9(b)。脱盐过程中通电时间分别为5min、10min、15min、20min、25min、30min、35min时蒸发速率分别为16.66kg/m2·h、 9.00kg/m2·h、7.00kg/m2·h、3.80kg/m2·h、3.00kg/m2·h、2.50kg/m2·h、1.30kg/m2·h，焦耳热海水淡化过程单次实验中脱盐率最高可达到99.93％，最大淡化速率出现在通电后5min内。
实施例3
第一步，分别称取4mg碳龙配合物1#、碳龙配合物2#、碳龙配合物3#、碳龙配合物4#光/电响应分子粉末，碳龙配合物1#-4#均为锇系金属配合物，分子式如图10，溶于2mL 乙醇，超声10min均匀混合得到浓度为2mg/mL的光/电响应碳龙配合物分子溶液，使用实施例1中制备得到的碳纳米管阵列复合多孔膜，膜的上下表面共涂敷100μL，2mg/mL碳龙配合物1#、碳龙配合物2#、碳龙配合物3#、碳龙配合物4#光/电响应分子，(图10中不同碳龙配合物分子均具有光/电响应性，但不同碳龙配合物分子光电响应特性不同)。
第二步，使用第一步中制备得到的电响应碳龙配合物分子修饰碳纳米管阵列复合多孔膜，分别连接钛电极。以1V为间隔连续递增施加直流电压至15V即1V、2V、3V、4V、5V、6V、7V、8V、9V、10V、11V、12V、13V、14V、15V，使用红外热成像仪表征加电压后膜表面稳定时的工作温度。
第三步，测试1#、2#、3#、4#电响应碳龙配合物分子修饰的碳纳米管阵列复合多孔膜通电情况下其表面到达150℃所需电压，得1#电响应碳龙配合物分子修饰碳纳米管阵列复合多孔膜表面到达150℃需电压8V，得2#电响应碳龙配合物分子修饰碳纳米管阵列复合多孔膜表面到达150℃需电压14V，得3#电响应碳龙配合物分子修饰碳纳米管阵列复合多孔膜表面到达150℃需电压>15V，得4#电响应碳龙配合物分子修饰碳纳米管阵列复合多孔膜表面到达 150℃需电压11V。
实施例4
第一步，称取4mg碳龙配合物1#光/电响应分子粉末，碳龙配合物1#光/电响应分子为锇系金属配合物，分子式参考图10，该碳龙配合物分子溶于2mL乙醇，超声10min均匀混合得到浓度为2mg/mL的碳龙配合物1#光/电响应分子溶液，使用实施例1中制备得到的碳纳米管阵列复合多孔膜，膜的上下表面共涂敷100μL，2mg/mL碳龙配合物1#光/电响应分子。
第二步，使用第一步中制备得到的电响应碳龙配合物分子修饰碳纳米管阵列复合多孔膜，分别连接钛电极，以1V为间隔连续递增施加直流电压至15V，选取电压8V表面即能达到 150℃的多孔膜4片,参考图6(b)。
第三步，参考图3，使用图3中叉指电极连接碳膜，并用三明治结构：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)封装夹片-硅胶垫封装夹片-叉指电极粘接碳膜-硅胶垫封装夹片-聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)封装夹片对电极进行封装，集成四片碳膜后进行预通电测试，保证四片膜均能同时发热并达到150℃，参考图6(c)，将其放入附图4所示海水淡化器件，向器件中注入重盐水(100 g/L NaCl)，引出电极盖上顶盖封闭器件。
第四步，向电极两端输入7.5V、10V、12.5V、15V直流电压，分别通电20min后测试得到装置的淡化速率分别为3.33kg/m2·h、10.68kg/m2·h、11.36kg/m2·h、12.51kg/m2·h，体系的质量流率分别为0.33g/h、1.07g/h、1.14g/h、1.25g/h，体系的能量利用效率分别为24.14％、 92.70％、31.22％、18.42％，电压15V时器件顶部温度最高，最高温度为46.7℃，参考图6(d)。测试过程脱盐率>99％。
实施例5
第一步，分别称取4mg碳龙配合物1#、2#、3#光/电响应分子粉末，碳龙配合物1#、2#、3#光/电响应分子粉末均为锇系金属配合物，分子式参考图10，该碳龙配合物分子溶于2mL乙醇，超声10min均匀混合得到浓度为2mg/mL的光/电响应碳龙配合物溶液，使用实施例1中制备得到的碳纳米管阵列复合多孔膜，膜的上下表面分别涂敷100μL，2mg/mL碳龙配合物1#、碳龙配合物2#、碳龙配合物3#光/电响应分子(图10中不同碳龙配合物分子均具有光/电响应性，但不同碳龙配合物分子光电响应特性不同)。
第二步，将涂有不同碳龙配合物分子的碳纳米管阵列复合多孔膜分别置于器件中，如图 9(a)所示，器件分为两个腔室，底层为重盐水(100g/L NaCl)储槽，顶层为冷凝室及透光板，冷凝室底部有回字形凹槽收集冷凝水，回字形空腔尺寸与碳膜相同用于放置碳膜。一个太阳光下(自然光)测试得到不同碳龙配合物分子1#、2#、3#涂敷的碳纳米管阵列复合多孔膜其蒸发速率分别为0.88kg/m2·h、1.16kg/m2·h、1.40kg/m2·h，脱盐率最高可达到99.93％。
实施例6
第一步，使用实施例1中第一步制备得到的纳米管阵列复合疏水膜，实物表面及侧面参考图7(a)。
第二步，使用激光切割机，设计不同孔径，设置切割功率为25W，切割速度为2m/s，对焦后得到孔径分别为50μm、75μm、100μm、125μm的碳纳米管阵列复合多孔膜，密度均为每5mm×5mm面积区域内64个，制备过程及相关孔径尺寸表征如图8。
第三步，将不同微米孔孔径的碳纳米管阵列复合多孔膜分别置于器件中，重盐水为100 g/L NaCl，如图9(a)所示，太阳光下测试得到不同孔径50μm、75μm、100μm、125μm的碳纳米管阵列复合多孔膜其蒸发速率分别为1.40kg/m2·h、2.14kg/m2·h、1.35kg/m2·h、2.39 kg/m2·h脱盐率最高可达到99.93％。
实施例7
第一步，称取4mg碳龙配合物3#光/电响应分子粉末，碳龙配合物3#光/电响应分子为锇系金属配合物，分子式参考图10，该碳龙配合物分子溶于2mL乙醇，超声10min均匀混合得到2mg/mL碳龙配合物3#光/电响应分子溶液，使用实施例1中制备得到的碳纳米管阵列复合多孔膜，膜的上下表面共涂敷100μL，2mg/mL的碳龙配合物3#光/电响应分子。
第二步，使用第一步中制备得到的光响应碳龙配合物修饰碳纳米管阵列复合多孔膜，使用图3中叉指电极连接碳膜(电极连接在此步中可省略)，并用三明治结构：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)封装夹片-硅胶垫封装夹片-叉指电极粘接碳膜-硅胶垫封装夹片-聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)封装夹片对电极进行封装，集成四片碳膜后将其放入附图4所示海水淡化器件，向器件中注入重盐水(100g/L NaCl)。
第三步，使用太阳光模拟器分别设置太阳光模拟器功率密度为2kW/m2、4kW/m2、6kW/m2、8kW/m2即模拟太阳光浓度Copt对应为2、4、6、8个太阳光，光照30min后测试得到装置的淡化速率分别为1.54kg/m2·h、10.43kg/m2·h、12.73kg/m2·h、15.80kg/m2·h，体系的质量流率分别为0.15g/h、1.04g/h、1.27g/h、1.38g/h，体系的能量利用效率分别为27.61％、93.64％、76.15％、70.91％，模拟太阳光浓度Copt＝8时器件顶部温度最高，最高温度为65.7℃，参考附图6(e)，测试过程脱盐率>99％。
实施例8
第一步，称取4mg碳龙配合物1#光/电响应分子粉末，碳龙配合物1#光/电响应分子为锇系金属配合物，分子式参考图10，该碳龙配合物分子溶于2mL乙醇，超声10min均匀混合得到浓度为2mg/mL的碳龙配合物1#光/电响应分子溶液，使用实施例1中制备得到的碳纳米管阵列复合多孔膜，膜的上下表面共涂敷100μL，2mg/mL碳龙配合物1#光/电响应分子。
第二步，使用第一步中制备得到的光响应碳龙配合物分子修饰碳纳米管阵列复合多孔膜，参考图3，使用图3中叉指电极连接碳膜，并用三明治结构：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)封装夹片-硅胶垫封装夹片-叉指电极粘接碳膜-硅胶垫封装夹片-聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)封装夹片对电极进行封装，集成四片碳膜后将其放入附图4所示海水淡化器件，向器件中注入重盐水(100g/L NaCl)。
第三步，参考图2焦耳热-光热24h持续海水淡化装置，光照条件下该系统中电池板够以电能的形式储存部分太阳能，另一方面碳纳米管阵列复合多孔膜在器件中能够直接吸收太阳光中的能量并完成光热转换，该热量促使水分子蒸发并通过复合膜的微-纳米复合孔道而大尺寸无机盐离子被截留，收集蒸发的水分子，最终实现太阳能海水淡化，装置的淡化速率为10.43 kg/m2·h，脱盐率>99％；夜间该系统中太阳能电池板能够释放白天储存的电能，电压26.4V，太阳能电池板连接1，6孔引出的电极，电流作用下碳纳米管阵列复合多孔膜表面产生焦耳热，焦耳热驱动下复合膜也能实现电致海水淡化，装置淡化速率最高为26.7kg/m2·h，脱盐率>99％，由此实现24h海水淡化。电压15V,电化学腐蚀较少，装置电流作用下淡化速率为 12.51±0.08kg/m2·h，光照条件下(Copt＝4)该装置淡化速率最高为10.61±0.17kg/m2·h，此条件下， 24小时的平均淡化速率为11.56±0.13kg/m2·h。
实施例9
第一步，称取4mg、聚碳龙5#光/电响应聚合物粉末，聚碳龙5#光/电响应聚合物是一种锇系聚碳龙高分子，其分子式如图10，该聚合物溶于2mL乙醇，超声10min均匀混合得到浓度为2mg/mL的5#光/电响应聚合物溶液，使用实施例1中制备得到的碳纳米管阵列复合多孔膜，膜的上下表面分别涂敷100μL，2mg/mL 5#光/电响应聚合物。
第二步，使用第一步中制备得到的光响应聚合物修饰碳纳米管阵列复合多孔膜，参考附图3，使用图3中叉指电极连接碳膜，并用三明治结构：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)封装夹片-硅胶垫封装夹片-叉指电极粘接碳膜-硅胶垫封装夹片-聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)封装夹片对电极进行封装，集成四片碳膜后将其放入附图4所示海水淡化器件，向器件中注入海水(取自厦门海域，Cl-浓度为19.4g/L)。
第三步，参考图2焦耳热-光热24h持续海水淡化装置，光照条件下该系统中电池板够以电能的形式储存部分太阳能，另一方面碳纳米管阵列复合多孔膜在器件中能够直接吸收太阳光中的能量并完成光热转换，该热量促使水分子蒸发并通过复合膜的微-纳米复合孔道而大尺寸无机盐离子被截留，收集蒸发的水分子，最终实现太阳能海水淡化，太阳光强度为一个太阳光即Copt＝1时涂敷5#的碳膜所在装置的淡化速率较高，值为2.41kg/m2·h，脱盐率>99％；夜间该系统中太阳能电池板能够释放白天储存的电能，电压15V，太阳能电池板连接1，6 孔引出的电极，电流作用下碳纳米管阵列复合多孔膜表面产生焦耳热，焦耳热驱动下复合膜也能实现电致海水淡化，装置淡化速率为12.98kg/m2·h，淡化后Cl-浓度为2.71g/L。

Claims (6)

1.一种海水持续淡化装置，其特征在于，包括：
碳基复合膜单元：所述的碳基复合膜单元包括碳纳米管复合多孔膜，所述的碳纳米管复合多孔膜为碳基材料复合疏水聚合物制备得到疏水碳基复合膜，通过打孔获得具有微-纳米多级孔结构的疏水碳基复合膜；
供电单元：所述供电单元为太阳能供电单元，为碳基复合膜单元提供电能；
淡水收集单元，收集碳基复合膜单元处理后的淡水；
白天有光照条件下，碳基复合多孔膜进行光热转换，为体系提供热量及传质驱动力，完成海水淡化过程，同时使用供电单元的太阳能电池板将光能以电能形式存储；白天光照不足或者夜间条件下，太阳能电池板存储的电能为碳基复合膜单元供电，使其产生焦耳热为体系提供热量及传质驱动力，进行海水淡化过程，以此循环实现电热-光热交替不间断持续海水淡化；
组成的装置包括一壳体以及一顶盖，壳体底部设有海水储槽，海水储槽上设有采用三明治结构封装的碳基复合多孔膜及电极，并且碳基复合多孔膜与海水接触，碳基复合多孔膜产生热量后热量使水相变，汽化的水分子通过碳基复合多孔膜中微-纳米孔道系统，到达顶盖内表面，冷凝后纯水沿内表面坡度最终汇聚于纯水收集槽，由纯水出口引出，完成海水淡化，其中，
海水储槽的左右侧壁分别设电极出口孔；重盐水入口穿过海水储槽的左侧壁与海水储槽连接，以维持重盐水储槽中重盐水水位；碳基复合多孔膜-电极封装夹片漂浮位位于重盐水储槽中，用于放置三明治结构封装的碳基复合多孔膜及电极；纯水收集槽呈回字形包围重盐水储槽；
所述的三明治封装结构为聚甲基丙烯酸甲酯板-硅胶-碳基复合多孔膜/电极-硅胶-聚甲基丙烯酸甲酯板依序叠加。
2.根据权利要求1所述的一种海水持续淡化装置，其特征在于：碳基材料复合疏水聚合物制备得到的疏水碳基复合膜，进一步在其表面涂覆有光热/电热响应性的金属配合物分子以增强其电焦耳热和光热效应。
3.根据权利要求1所述的一种海水持续淡化装置，其特征在于：所述的打孔，打孔区域面积为5mm×5mm设有30-100个孔，每个孔的孔径为50-120μm。
4.根据权利要求1所述的一种海水持续淡化装置，其特征在于：电极连接结构包括：钛电极正极，钛电极负极，螺钉孔槽，碳膜位置区域，碳膜；使用导电银胶使每片碳膜上下边缘分别与钛电极正极和负极的叉指部分上下边缘紧密粘接，碳膜左右边缘不与钛电极粘接。
5.一种海水持续淡化方法，其特征在于：采用权利要求1所述的海水持续淡化装置进行，白天有光照条件下，碳基复合多孔膜进行光热转换，为体系提供热量及传质驱动力，完成海水淡化过程，同时使用太阳能电池板将光能以电能形式存储；白天光照不足或者夜间条件下，太阳能电池板存储的电能为碳基复合膜单元供电，使其产生焦耳热为体系提供热量及传质驱动力，进行海水淡化过程，以此循环实现电热-光热交替24小时持续海水淡化；
装置工作方式：打开顶盖，将碳基复合多孔膜-电极封装夹片卡于，电极由电极出口孔引出，关闭顶盖；重盐水由重盐水入口注入，使碳基复合膜-电极封装夹片漂浮于重盐水储槽中并且夹片镂空部分允许碳基复合多孔膜与盐水接触，装置工作时碳基复合多孔膜产生热量使水相变蒸发，水蒸气在装置顶盖冷凝，冷凝后纯水沿内表面坡度最终汇聚于纯水收集槽，并沿顶盖侧壁滑入纯水收集槽，再由纯水出口引出，完成海水淡化。
6.根据权利要求5所述的一种海水持续淡化方法，其特征在于：太阳能电池板提供的直流电的电压为5–30V。
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