CN111039342A

CN111039342A - 全天候太阳能蒸发净水器及其制备方法与应用

Info

Publication number: CN111039342A
Application number: CN201911405981.7A
Authority: CN
Inventors: 吴翔; 张梓涵; 包榕; 金熹
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2020-04-21

Abstract

本发明提供了一种全天候太阳能蒸发净水器，包括透明罩、处理腔、污水腔、多孔吸水材料；多孔吸水材料位于污水腔内，污水腔位于处理腔内；透明罩盖于处理腔上；污水腔设有污水入口，处理腔设有净水出管，充分利用黑色海绵高效的光热转换性能、隔热性能和疏水性能以及亲水海绵材料良好的吸水性能，使得该蒸发器具有高效的太阳能蒸发效率以及高效的自蒸发效果。该方法以太阳光或模拟太阳光为光源，无需其他能量来源，绿色环保、操作简便快捷，采用商业化聚合物泡沫的结构集成设计为制造高效、大规模、耐用的太阳能蒸汽系统提供了广阔的空间，可广泛应用于蒸汽发电、污水处理、海水淡化等行业。

Description

全天候太阳能蒸发净水器及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种利用太阳能的全天候水蒸发系统，可广泛的应用于石油化工、制药、污水处理、海水淡化、食品等行业。

背景技术

水是人类社会赖以生存和发展的基本物质，而存在于河流、湖泊和可供人类直接利用的地下淡水目前仅占地球水资源的0.36%。随着人类社会的快速发展，水污染也成为全球性问题。一方面，随着世界城镇化的发展和人们生活水平的逐步提高，生活污水的排放量在日益增长；另一方面，工业的发展导致污水的排放量越来越大，且污水的成分益发复杂，不仅含有大量的无机盐，还含有大量不易分解的有机污染物。这些污染物会使水体富营养化，藻类及其它浮游生物迅速繁殖，水中溶解氧量下降，水质恶化，造成鱼类及其它生物大量死亡。而一些地区的人们由于长期饮用不符合卫生标准的水，产生了各种病症，直接影响着他们的身体健康和当地的经济建设。

常用的水净化方法有蒸馏法、离子交换法、渗析法、反渗透膜法以及冷冻法等，这些方法最突出的问题就是能源的消耗。而随之引起的地球温室效应、空气污染等问题也告示人们必须谨慎从事。从中国国情出发，情况更是如此。我国广大农村、孤岛等地区至今仍普遍缺乏电力，因此在中国能源较紧张的条件下，迫切需要发展一种可循环利用的自然资源，简便、高效的净化水装置。

传统太阳能蒸馏器用透镜或反射镜来吸收太阳能，这些材料每平方米要花费200美元，能源转换效率仅50%左右，在夜间及太阳辐射不理想的情况下工作效率更低；而且蒸馏器制作复杂，耐久性差，无法扩大规模。

发明内容

针对现有太阳能蒸馏器蒸发工艺存在的不足，本发明提出了一种全天候太阳能蒸发净水器及其制备方法与应用，具有良好的水捕集能力和蒸发性能；装置由疏水性顶层通过可伸缩的涂覆和气相聚合方法，极高地将太阳能转化为热能。集成蒸发器结合亲水性底层良好的抽水和隔热能力，太阳对蒸汽效率达到九成。本装置独特的结构使得在没有光照射的情况下具有很强的自蒸发效果，提供了一种全天候的太阳能蒸馏器。

本发明采用如下技术方案：

全天候太阳能蒸发净水器，包括透明罩、处理腔、污水腔、多孔吸水材料；多孔吸水材料位于污水腔内，污水腔位于处理腔内；透明罩盖于处理腔上；污水腔设有污水入口，处理腔设有净水出管。

一种上述全天候太阳能蒸发净水器进行污水蒸发处理方法，包括以下步骤，将污水加入污水腔中，光照或者非光照条件下，静置完成污水蒸发处理。

本发明中，多孔吸水材料的制备方法包括如下步骤，将海绵的一部分浸泡氯化铁溶液中，然后干燥，再与吡咯蒸汽接触，得到多孔吸水材料；优选的，海绵中，浸泡金属溶液部分的体积为海绵体积的20～25%，使得多孔材料可大量快速吸水的同时提高水分子逃逸能力；氯化铁溶液的浓度为25mg/mL，聚吡咯作为疏水组分，在海绵中，对吸水能力以及水分子扩散有明显影响，通过用量的限定，可以得到最优的结果。

本发明中，透明罩与处理腔为密封结构，即透明罩为处理腔的密封盖，处理腔可以为透明也可以为非透明；污水腔为开口结构，根据常识，开口朝上，用于盛放污水，其中污水入口可以为污水腔的开口，也可利用管道与污水腔连通，形成污水输送的通道，具体为常规技术；多孔吸水材料的外径为污水腔内径的95～100%，从开口将多孔吸水材料置入污水腔，优选外径使得多孔吸水材料发挥最佳的吸水、扩散效果；进一步优选的，多孔吸水材料中，浸泡氯化铁溶液的部分朝上。

本发明中，污水为有机物污染的水，将污水加入带有多孔吸水材料的污水腔，光照或者非光照条件下，水分子先由海绵吸收，然后在内部空隙进行扩散，最后由带有聚吡咯的部分快速挥发，水蒸气在透明罩、处理腔内壁凝结成水，并由净水出管排出，实现污水的处理。

本发明中，光照为太阳光照或者模拟太阳光照，透明罩利于光的传输与能量吸收。

本发明制备了一种独特的一体化集成蒸发装置：该蒸发器基于成本低廉且易于获得的海绵，通过选择性表面改性，将其转化为一种部分黑色疏水、部分亲水的集成蒸发器，这一独特的集成蒸发器充分利用黑色疏水层的高效光热转换能力与水蒸气逃逸特性以及多孔亲水层良好的水输运能力和隔热能力，实现了在太阳光照射下高效光热转换。本发明具有较高的净水效率，12小时的蒸发效率超过60kg/㎡，12小时内的净水收集效率可以达到25.4kg/㎡。而且本发明成本低廉、简单易得、可高效净化水，因此有望应用于污水治理、海水淡化等多个领域，具有极大的应用潜力。

附图说明

图1为本发明全天候太阳能蒸发净水器结构示意图；

图2为海绵实物图；

图3为两个容器放在同样的红外灯下照射实验图；

图4为多孔吸水材料实物图；

图5为多孔吸水材料白色部分的SEM图；

图6为多孔吸水材料黑色部分的SEM图；

图7为净水器在模拟太阳光的氙灯下照射15分钟实物图；

图8为本发明全天候太阳能蒸发净水器结构示意图；

其中，透明罩1、处理腔2、污水腔3、多孔吸水材料4、污水入口5、净水出管6、浸泡硝酸银的部分7。

具体实施方式

参见附图1，本发明的全天候太阳能蒸发净水器，由透明罩、处理腔、污水腔、多孔吸水材料组成；多孔吸水材料位于污水腔内，污水腔位于处理腔内；透明罩盖于处理腔上，起密封作用；污水腔设有污水入口，为污水腔的开口，处理腔设有净水出管；透明罩、处理腔、污水腔为石英材质，具体形状的制备以及连接方法为常规技术，处理腔（上表面为空）、污水腔（上表面为空）、多孔吸水材料都为圆柱结构，其中处理腔内径为120mm、高为150mm，污水腔内径为80mm、高为100mm，多孔吸水材料外径为80mm、高（厚）为30mm，蒸发面积按0.005024m²计；本发明涉及的方位关系为实际位置关系，透明罩、处理腔为常规密封连接。全天候太阳能蒸发净水器用于以下实施例。

实施例一

将1.25g三氯化铁加入50mL无水乙醇中，得到棕色氯化铁溶液（25mg/mL）；将2g吡咯单体溶解于78mL的无水乙醇中，得到吡咯溶液；将三聚氰胺海绵（市购产品，见图2，使用时裁剪成圆柱结构，外径80mm、高30mm）浸泡在三氯化铁溶液中（浸泡部分的厚度为海绵总厚度的20%），浸泡5分钟后取出海绵放入真空干燥箱中80℃干燥90分钟后取出，将吡咯溶液全部滴在海绵浸泡三氯化铁的部分，再次放入真空干燥箱105℃干燥一小时；随后取出海绵，其浸泡三氯化铁的部分7（图1中）已经变成了黑色，其他部分并未变色，为多孔吸水材料。

准备了A和B两个同样大的容器，A容器中只装水，B容器中加入上述多孔吸水材料和水，浸泡三氯化铁的部分朝上，然后将两个容器放在同样的红外灯下照射1.5小时后，A、B两个容器水分蒸发的数据见表1，实验附图见图3。

实施例二

将1.25g三氯化铁加入50mL无水乙醇中，得到棕色氯化铁溶液（25mg/mL），将海绵（三聚氰胺海绵，市购产品，使用时裁剪成圆柱结构（外径80mm、高30mm），见图2，与实施例一的海绵一样）浸泡在氯化铁溶液中（浸泡部分的厚度为海绵总厚度的20%），浸泡五分钟后取出海绵并放入真空干燥箱中80℃干燥90分钟后取出，此时乙醇彻底挥发；然后将5ml吡咯放入真空干燥箱，保持温度为80℃，干燥箱的高温使得吡咯蒸发，吡咯蒸汽将处理整个海绵，1小时后取出海绵，海绵被氯化铁处理过的部分变成了黑色（MPF部分），而没有处理过的部分则保持颜色白色不变（MF部分，白色），为多孔吸水材料（见图4），用于实施例三。SEM图像（见图5、图6）显示，海绵MF部分具有较高的孔隙率，而MPF部分呈现出更复杂的结构，骨架被PPy覆盖，形成许多二维层状纳米结构，进一步的分析发现，MPF层与MF作为一个整体互相连接，而不是物理连接。通过元素映射进一步分析，表明MPF层中的覆盖层（黑色）由碳氮组成，通过采集三个区域测试，定量的碳氮比均在4左右，这与PPy理论碳氮一致。

将氯化铁溶液浓度调整为15mg/mL，其余不变，得到对比多孔吸水材料；将氯化铁溶液浓度调整为50mg/mL，其余不变，得到比对多孔吸水材料。

准备了A、B、C、D、E三个同样大的容器（与实施例一容器一致），A容器中只装水，B容器中加入上述多孔吸水材料和水，C容器中加入上述海绵（未经过处理）和水，D容器中加入上述对比多孔吸水材料和水，E容器中加入上述比对多孔吸水材料和水，将五个容器放在同样的红外灯（实施例一的红外灯）下照射1.5小时，A、B、C、D、E容器水分蒸发的数据见表2，说明利用三氯化铁处理获得的聚吡咯海绵加速了水分的蒸发。

实施例三

根据常规方法制备透明罩、处理腔、污水腔，污水腔的开口为污水入口，处理腔常规方法设有净水出管（内径4mm，可套软管）；将多孔吸水材料置入污水腔内，含有聚吡咯的部分朝上，污水腔置入处理腔内，透明罩盖于处理腔上形成密封，得到全天候太阳能蒸发净水器。

准备四个一样的全天候太阳能蒸发净水器，其中两个不含有多孔吸水材料，仅有溶液，定义为净水器A、净水器B，两个含有多孔吸水材料，定义为净水器C、净水器D，进行了污水净化的模拟演示，将同样的亚甲基蓝水溶液（4mg/L）分别加入四个污水腔内，然后净水器A、净水器C在模拟太阳光的氙灯下照射12小时，净水器B、净水器D在无光照放置12小时，实验数据如表3所示，其中起始水量为亚甲基蓝水溶液的量，收集水量为净水出管流出的水量，结束水量为污水腔剩余的水量，其中净水器C、净水器D减去海绵质量。

更重要的是，蒸发冷却出来的水为无色，显示了很好的净化效果；为了更进一步证明污染物依然保留在原溶液中，并没有被蒸发出来，用pH试纸进行了验证。结果发现，亚甲基蓝溶液呈碱性，而四个净水器蒸发出来的水则显中性，进一步证明了该装置的净化效果。根据结果，可以推算，光照下，本装置蒸发效率可以达到5.37kg/㎡/h，1㎡装置12小时可以收集到25.4kg蒸发的水。实验过程发现，净水器C在模拟太阳光的氙灯下照射15分钟即出现明显的蒸发效果，见图7。

进一步的，参见附图8，本发明的全天候太阳能蒸发净水器，由透明罩、处理腔、污水腔、多孔吸水材料组成；多孔吸水材料位于污水腔内，污水腔位于处理腔内；透明罩盖于处理腔上；污水腔设有污水入管（内径4mm，可接现有污水管道），处理腔设有净水出管；处理腔（上表面为空）、污水腔（上表面为空）、多孔吸水材料都为圆柱结构，透明罩、处理腔为密封连接。如此，净水器可以用于工业污水连续处理，一批污水处理结束后，即可通入下一批，循环处理，提高处理效率。

Claims

1.全天候太阳能蒸发净水器，包括透明罩、处理腔、污水腔、多孔吸水材料；多孔吸水材料位于污水腔内，污水腔位于处理腔内；透明罩盖于处理腔上；污水腔设有污水入口，处理腔设有净水出管。

2.根据权利要求1所述全天候太阳能蒸发净水器，其特征在于，多孔吸水材料的制备方法包括如下步骤，将海绵的一部分浸泡氯化铁溶液中，然后干燥，再与吡咯蒸汽接触，得到多孔吸水材料。

3.根据权利要求2所述全天候太阳能蒸发净水器，其特征在于，氯化铁溶液的浓度为25mg/mL；海绵中，浸泡氯化铁溶液部分的体积为海绵体积的20～25%。

4.根据权利要求1所述全天候太阳能蒸发净水器，其特征在于，多孔吸水材料的外径为污水腔内径的95～100%。

5.多孔吸水材料，其特征在于，所述多孔吸水材料的制备方法包括如下步骤，将海绵的一部分浸泡氯化铁溶液中，然后干燥，再与吡咯蒸汽接触，得到多孔吸水材料。

6.根据权利要求5所述多孔吸水材料，其特征在于，氯化铁溶液的浓度为25mg/mL；海绵中，浸泡金属溶液部分的体积为海绵体积的20～25%。

7.权利要求1所述全天候太阳能蒸发净水器在净化污水中的应用；或者权利要求5所述多孔吸水材料在制备全天候太阳能蒸发净水器中的应用。

8.利用权利要求1所述全天候太阳能蒸发净水器进行污水蒸发处理方法，包括以下步骤，将污水加入污水腔中，光照或者非光照条件下，静置完成污水蒸发处理。

9.根据权利要求1所述全天候太阳能蒸发净水器进行污水蒸发处理方法，其特征在于，光照为太阳光照或者模拟太阳光照。

10.根据权利要求1所述全天候太阳能蒸发净水器进行污水蒸发处理方法，其特征在于，污水为有机物污染水。