CN111278524A - 用于水蒸发的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

太阳能系统(200)，包括支撑部分(201A)，以及具有泵送层(212)和光热层(214)的蒸发部分(201B)。支撑部分(201A)将流体(222)泵送到蒸发部分(201B)，泵送层(212)基于太阳能使流体(222)蒸发；并且光热层(214)与泵送层(212)隔绝。

Description

用于水蒸发的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年10月24日提交的标题为“METHOD AND DEVICES FORENHANCED WATER EVAPORATION FROM SALTY AQUEOUS SOLUTION BY USING SUNLIGHT ASENERGY SOURCE,”的美国临时专利申请No.62/576,251的优先权，其公开内容通过引用结合在本文中。
背景技术
技术领域
本文公开的主题的实施例总体上涉及用于水蒸发的方法和装置，并且具体地说，涉及用于使用阳光作为能源来增强来自盐水溶液的水蒸发的方法和系统。
背景技术的讨论
阳光是最丰富、易获取的可再生能源。每年入射到地球表面的太阳能是当前全球每年能源消耗的104倍。利用太阳能的有前途的选择之一是太阳能驱动的水蒸发，也称为太阳能蒸汽发电。这种方法被广泛用于各种应用中。最重要的应用是太阳能蒸馏，它利用太阳能驱动的水蒸发产生蒸汽，然后收集冷凝水作为淡水。
太阳能蒸馏能够有效处理各种水源，包括海水、工业废水、盐水、微咸水等。与其他与水有关的技术不同，太阳能蒸馏不涉及任何运动部件、电子装置和高压操作，这使得它具有吸引力和经济性，尤其是对于中小型应用。太阳能驱动的水蒸发过程在许多类型的除水过程中也具有巨大的潜力，例如废水处理，以减少废水的体积，并且附带获得淡水，尤其是在石油和能源领域。
如图1所示，常规的被动式太阳能蒸馏器100(见“Renewables:Wind,Water,andSolar,”A comprehensive decade review and analysis on designs and performanceparameters of passive solar still,2015年12月)具有保持水104的容器102。吸收阳光108的黑色光热涂料106涂覆在容器102的底部。容器102的顶部覆盖有玻璃110，以允许阳光进入容器内部并且加热水。水源104位于光热涂料106的顶部上。阳光108在到达底部光热层106之前穿过玻璃盖110进入并且首先撞击水面。由于直接暴露在阳光下以及由于光热涂料106释放的热，整个水源104在白天期间被缓慢加热。
水源104的一部分蒸发形成蒸汽112，蒸汽向上移动并且到达玻璃盖110。由于玻璃盖比水蒸气冷，水蒸气在玻璃盖上凝结，从而形成冷凝水114。冷凝水114包括纯净(蒸馏)水。来自水源104的所有杂质和/或盐都留在水源中。净化的水114由于重力(玻璃盖倾斜)而落到输出部116。这样，净化的水与水源104分离。注意，水源104可以是水和任何其他物质的混合物。
这不是零液体排放过程，因为浓缩的水源水104必须在光热层106的顶部形成盐晶体之前进行处理，以避免清洁操作。此外，在如图1所示的常规太阳能蒸馏器中，随着水蒸发的进行，水源104中的盐浓度增加，这不希望地降低了水蒸发速率，因此降低了系统的性能。
在工业实践中，选择去除盐水，而不是在以太阳能蒸馏为基础的操作中完全干燥水源水。少量盐水的去除不是问题，但大规模的盐水去除是一个巨大的挑战，因为在陆地或海洋上持续清除高浓度的盐水会导致土壤盐碱化，影响植被并且影响海洋生物的健康。当前大多数清洁水生产技术，例如反渗透(RO)、膜蒸馏(MD)、离子交换等，都会产生大量盐水废水，使用这些技术的水生产厂在盐水去除管理方面都面临着巨大的挑战。
在过去的十年中，界面加热思想被引入到太阳能驱动的水蒸发过程中，以减少热损失，并且通过将由光热材料产生的所有热集中在一个薄的顶表面水层中来确保蒸汽产生的快速响应(见，“The emergence of solar thermal utilization:solar driven steamgeneration,”J.Mater.Chem.A,2017,5,7691-7709)。与上述常规太阳能蒸馏法不同，在这种方法中，光热材料106放置在水表面的顶部。在该方法的一些变型中，在受限的水路径中，水源水是通过毛细作用从大量的水体中抽取出来的，以通过减少从顶部水层到水体的热传递来减少热损失。这种类型的设计的优点是大大提高了能源利用效率。
在所有现有的界面加热光热系统设计中，有一个共同点：光热材料的光吸收表面在物理/几何上与水蒸发表面相同。在这些设计中，光热材料刚好位于水/空气界面处并且水直接在光热材料表面上方/从光热材料表面蒸发并进入到上方的空气中。
然而，由于这些设计，存在固有的问题。随着水的蒸发，光热材料表面出现盐结晶和固体沉淀，在光热材料表面留下固体沉积物。随着结晶盐和其他固体在光热材料表面上的积聚，光热材料的光捕获能力被大大抑制，这将需要频繁的对表面的盐/固体进行物理清洗和冲洗。
据报道，由于盐积聚在氧化石墨烯(GO)光热膜上，水的蒸发速率从2.0降低至0.5kg.m2/h，表示性能下降了75％(见，Environmental Science&Technology 2017Sep 27,doi:10.1021/acs.est.7b03040)。
因此，现有的方法和装置受到限制，因为它们的效率由于盐积聚在光吸收材料上而随着时间的推移降低。因此，需要一种克服上述限制的水净化的方法和装置。
发明内容
根据一实施例，存在一种太阳能系统，该系统包括支撑部分和具有泵送层和光热层的蒸发部分。支撑部分将流体泵送到蒸发部分，泵送层基于太阳能蒸发流体；光热层与泵送层隔绝。
根据另一实施例，存在一种太阳能系统，其包括支撑部分和蒸发部分，该蒸发部分具有泵送层和覆盖该泵送层的第一面的透明无孔层。支撑部分将流体泵送到蒸发部分，并且泵送层基于太阳能在与第一面相反的第二面蒸发流体。
根据又一实施例，存在一种用于从源头蒸发水的方法，该方法包括将太阳能系统放入到水源中的步骤，以及使用太阳能系统从水源蒸发水的步骤。太阳能系统包括支撑部分和具有泵送层和光热层的蒸发部分。光热层与泵送层隔绝。
附图说明
包括在说明书中并且构成说明书一部分的附图说明了一个或更多个实施例，并且与说明书一起解释了这些实施例。在附图中：
图1示出了传统的太阳能蒸馏器；
图2示出了太阳能系统，该系统具有与光热层分离的泵送层和蒸发层；
图3示出了另一个太阳能系统，该系统具有与光热层分离的泵送层和蒸发层；
图4示出了图2的太阳能系统的变型；
图5示出了图2的太阳能系统的另一种变型；
图6示出了图2的太阳能系统的又一种变型；
图7示出了图2的太阳能系统的又一种变型；
图8示出了图2的太阳能系统的另一种变型；
图9示出了图2的太阳能系统的又一种变型；
图10示出了太阳能系统的蒸发部分的各种形状；和
图11是用于使用太阳能系统蒸发水的方法的流程图。
具体实施方式
以下对实施例的描述参考附图。不同附图中相同的附图标记表示相同或相似的元件。以下详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求限定。为了简单起见，关于用于从水源蒸发水的太阳能系统，讨论以下实施例。然而，本发明不限于此情况，而是可以用于从流体源蒸发另一种流体的水。
在整个说明书中，对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定指同一实施例。此外，在一个或更多个实施例中，可以以任何合适的方式来组合特定特征、结构或特性。
根据实施例，负责光吸收的光热材料部分和太阳能系统的水蒸发表面物理上彼此分离，使得由于水蒸发形成的盐不会污染光热材料部分。这种新的配置为解决太阳能蒸馏系统中长期存在的盐分固体积聚导致性能下降的问题提供了合理的解决方案。这种新颖的设计提供了多种选择，以适应不同的应用目的，包括：具有零液体排放的太阳能脱盐、从废水中回收盐、从盐湖中提取盐矿物以及各种水厂的盐水处理。
图2示出了太阳能系统200的示意图，该太阳能系统通过将发生盐/固体积聚的水蒸发界面与光热材料的光入射界面分离来防止盐/固体在光热材料表面的积聚。根据该实施例，太阳能系统200(在此称为系统)具有支撑部分201A和蒸发部分201B。蒸发部分201B，如后文所述，负责吸收阳光并且将其转化为热，并利用该热使水蒸发。蒸发部分201B如图2所示为杯形，并且由支撑部分201A附接和支撑。蒸发部分201B具有内表面200A，该内表面具有吸收光202并且产生热的功能，而外表面200B具有在水蒸发界面204处蒸发水的功能。水蒸发界面204被定义为液水与汽相水之间的分界线或边界(蒸汽是由于液相水蒸发而产生的)。水蒸发界面可以与蒸发部分201B的外表面200B重合或不重合。
利用图2的太阳能系统200，盐结晶和固体积聚只发生在外表面200B上，因此它不会影响内表面200A的光吸收能力。对图2中所示系统进行的一些实验的结果表明，在这种情况下，盐224松散地积聚在水蒸发界面204处的外表面200B上，因此不会有显著影响其中的水蒸发速率。
系统200的蒸发部分201B的壁是多层结构，在该实施例中，该结构包括支撑层210、泵送层212和光热层214。支撑层210可以由具有足够的机械强度来支撑泵送层和光热层的任何材料(例如金属、复合材料或塑料等)制成。由于整个系统可以具有5cm至10m(甚至更高)的高度H，所以由支撑层210来保持系统的杯形。注意，在该实施例中，支撑层210在支撑部分201A和蒸发部分201B两者中延伸，即，支撑层210一直延伸贯穿系统200。然而，在一个实施例中，支撑层210可以仅从系统的顶部延伸到点A(仅在蒸发部分201B中)，并且泵送层212充当系统的顶部(杯)部分的支撑元件。支撑层210还具有将泵送层212与光热层214物理分离的范围。为了将热从热光热层214传递到泵送层212，支撑层210可以具有至少1Wm-1k-1的热导率。
泵送层212被配置为将水从源头220(源头可以是容器、大海、海洋、湖泊等)“泵送”(或供应)到系统的蒸发部分201B。泵送可以是被动的或主动的。通过使用毛细作用来实现被动泵送，即泵送层可以具有多个小通道(或者可以是多孔的)213(为了简单起见，仅示出两个，但是本领域技术人员将理解有许多小通道从源头220一直延伸到泵送层的顶部)。这样，由源头220存储的来自溶液224(例如盐水)的流体(通常是水)222被输送(泵送)到光热层214的附近。
换句话说，太阳能系统200包括支撑部分201A和具有泵送层212和光热层214的蒸发部分201B。支撑部分201A将水222泵送到蒸发部分201B，并且泵送层212基于太阳能蒸发水222。如后文所述的，光热层214通过另一层210或通过其它方式与泵送层212隔绝。
如图3所示，可以通过使用马达230和一个或更多个管道232来实现主动泵送，以机械地将流体222从溶液224泵送到光热层214的附近。其他机制可以用于将流体222主动泵送到光热层214的附近。
光热层214位于支撑层210上，与泵送层212相反。光热层214被配置为从太阳捕获阳光202并且将其转换为热。光热层214能够是多孔或无孔材料。光热层214直接暴露在阳光下。
在光热层214是多孔的情况下，则支撑层210的其他功能是防止来自泵送层212的水进入光热层214，即，在这种情况下，支撑层210必须是无孔的，以不将水从外表面200B输送到内表面200A。在光热层214是无孔的情况下，支撑层210能够是多孔的或无孔的，或者能够省略。如上所述，泵送层212是用于水蒸发的多孔层。该层的孔径应该小于1mm，以确保有强大的毛细作用力将水从溶液224中抽出。
来自溶液224的水可能是感兴趣的含盐水源水，例如海水、盐水和废水，由于毛细作用力和蒸腾作用自发地从源头220移动到界面204(多孔水蒸发层)。在阳光照射下，光热层214捕获阳光202并且将太阳能转换为热。热能传递到支撑层210，然后传递到泵送层212和界面204以加速那里的水蒸发速率。盐224将以松散堆积的结构沉淀在泵送层212的表面上，并且它将在不需要手动干预的情况下不时地从外表面脱落。在某些情况下，需要将一些添加剂添加到源头盐水中，以控制盐晶体的结构，从而使盐易于去除。在某些情况下，在长时间运行之后可能需要清洁泵送层212。在水222蒸发之后，可以利用已知的机制(例如，冷凝机制)回收水蒸气226(参见图2)。
整个系统200可以利用支撑机构230附接到源头220。在一种应用中，支撑机构包括法兰和螺栓。在另一种应用中，支撑机构230可以是漂浮在海洋(源头220)中的漂浮平台(例如，驳船或船)，并且系统200从海水中独立地和自主地提取蒸馏水。在又一种应用中，多于一个的系统200被附接到源头220。在又一种应用中，系统200是小型系统(例如，cm级)，并且许多这样的系统释放在含盐源头(例如，大海、海洋或盐水储存容器)上，以将水与盐分离。本领域技术人员将理解，图2和图3中描述的装置可以用于需要能量源的其他化学过程。
可以修改系统200，使其具有与图2中所示的杯形不同的形状。例如，如图4所示，类似的系统400可以只有一个臂401。尽管图2示出了具有两个直臂的系统200(事实上，图2中的系统200具有形状为杯形的蒸发部分，并且两个臂对应于穿过杯的横截面)，图4示出了具有单个直臂的系统400，本领域技术人员将理解，这些臂可以是弯曲的，或者可以使用更多的臂(例如，像花的花瓣一样张开的多个臂)。
可以使用上述层的不同配置。例如，图5示出了一种配置，其中系统500包括光热层214和泵送层212，但是不包括支撑层210。对于该配置，光热层214是无孔的。在这种情况下，不需要支撑层210。换句话说，光热层214直接与泵送层212接触。选择光热层214或泵送层212或两者以提供支撑整个结构的机械强度。
图6示出了系统600，对于该系统，泵送层212是多孔的，并且其同时充当光热层214和水蒸发层两者。在泵送层212的太阳接收侧上涂覆/覆盖无孔透明层602以防止水从泵送层的太阳接收侧上蒸发掉，从而防止盐在泵送层的内表面上沉淀的可能性。在这种情况下，无孔透明层602还能够被赋予共光热材料在一定程度上吸收阳光的作用。系统的机械强度能够由无孔透明层602、或由泵送层212或由它们两者提供。
图7示出了系统700，其中泵送层212是多孔的，并且同时充当光热层和水蒸发层两者。如图所示，透明无孔膜或板702(顶盖)覆盖杯结构的顶部，并且顶盖702防止水蒸气从杯结构逸出。换句话说，顶盖702与泵送层212的内表面形成空腔704。因此，该结构防止在泵送层212的内表面212A处连续蒸发水。系统700有效地阻止盐在该结构的内表面212A上的沉淀，并且仅在泵送层212的外表面212B上允许水蒸发和沉淀。
图8示出了具有实心锥形结构的系统800。在该实施例中，顶层是光热层214，其捕获阳光并且将太阳能转换为热。中间层802是导热层，其将热从光热层214传递到泵送层212。泵送层212可以具有多孔结构并且充当水蒸发层。导热层802填充在蒸发部分的整个杯中。
图9示出了系统900，在该系统中，先前系统的杯形结构改变为实心盘结构。在该实施例中，顶层是光热层214，其捕获阳光并且将太阳能转换为热。中间层是导热层210，其将热从光热层214传递到泵送层212。如在先前的实施例中一样，泵送层212具有充当水蒸发层的多孔结构。
这些实施例的共同思想是阻止光热层面对阳光的表面上的连续水蒸发，从而防止光热层的表面被盐/固体覆盖。因此，受益于该文献的本领域技术人员将能够设计将水蒸发与光热层分离的其他系统，使得在该层上不沉积盐。
在这些实施例中使用的光热层可以包括在阳光谱范围内具有强光吸收能力的所有类型的现有和潜在可能的材料，例如金属纳米粒子(金、银、铜、钴、铁、镍、铝及其合金)、碳基材料(炭黑、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯等)、黑色金属氧化物(Co3O4、MnO2、Ti2O3、Fe3O4、CuCr2O4、FeCr2O4、CuMn2O4、MnFe2O4、ZnFe2O4、MgFe2O4等)、黑色金属硫族化合物(MoS2、MoSe2、WSe2、CdS、CdTe等)、黑色涂料和黑色水泥材料以及黑色聚合物材料。尤其需要光热层的光谱选择性吸收材料，其可以提供最佳性能。
泵送层的水蒸发材料应该是多孔的和亲水的，以确保强水吸收能力，并且确保有强大的毛细作用力将水抽出并且散布到整个水蒸发界面。这种材料可以是纸、石英玻璃纤维膜、碳纸、泡沫铜、泡沫碳、聚合物泡沫、大孔二氧化硅等。除了支撑层之外，这些层中的任何一层的厚度可以在纳米到厘米的范围内，该支撑层可以足够厚以支撑其他层。
在太阳能蒸馏应用期间，结合有上述任何系统的装置可以直接放置在感兴趣的含盐水源水的顶部和/或自浮在那里。该装置也可以物理上远离盐水表面，具有由亲水多孔材料(如棉花、二氧化硅、聚合物、金属氧化物、碳等)提供的供水路径(如图2所示)，以连续地将水输送到水蒸发表面(如所有结构中的外表面)。
尽管上述相同的实施例揭示了系统的杯形蒸发部分，但本领域技术人员将理解，可以为这些系统实现其他形状。例如，如图10所示，系统的蒸发部分可以具有半球形1002、圆柱形1004或立方形1006，而不是用于图2的实施例的锥形1000。
一种基于上述系统之一的从水源蒸发水的方法，包括将太阳能系统200放入水源220的步骤1100和使用太阳能系统从水源220蒸发水222的步骤1102。太阳能系统包括支撑部分201A和具有泵送层212和光热层214的蒸发部分201B。光热层214与泵送层212隔绝。
上述系统的一个或更多个优点如下：(1)在光热材料的光吸收表面上没有发生水蒸发，因此，没有盐积聚在光热材料的面对阳光的表面上。因此，这些系统中的光吸收性能不受水蒸发和盐积聚的影响，因此不需要昂贵的定期维护。因此，对于上述实施例，实现了恒定且不退化的太阳能收集，这是当前的太阳能蒸馏系统都无法做到的。因此，将光吸收表面与水蒸发表面分离的合理性将为任何实际的太阳能蒸馏应用提供益处。(2)上述系统允许水蒸发表面上的结晶盐或其他固体以其自身重力离开表面，从而使人为干预最小化。(3)考虑到表面水蒸发引起的盐积聚的松散性，表面积聚盐固体对表面水蒸发速率的影响不明显。(4)水蒸发界面的表面能够进一步修改为耐盐，使得一旦形成盐晶体或其他固体，将会立即离开表面，而不会留下固体残留物。这将进一步提高光热材料的长期运行性能。
因此，上述太阳能蒸馏结构保证了恒定的高光热性能、降低了应用期间系统的维护要求、延长了系统的运行寿命，所有这些都导致大大降低了交付相同级别产品的运行成本。
由上述系统使用的太阳能驱动水蒸发过程有三个新兴的应用方向：(1)太阳能驱动海水淡化以其无与伦比的能量效率(即实验室规模的80％)被认为是有潜力成为下一代海水淡化技术，尤其是对于小型工厂；(2)盐水处理-盐水去除是许多工业过程中长期存在的问题，包括SWRO、矿物提取、太阳能蒸馏等。这些装置能够放置在传统蒸发池的顶部，以加快水的蒸发效率；以及(3)从含盐水中提取盐，目的是从盐湖或海水中开采金属盐和从一些废盐水中回收盐资源。对于太阳能驱动的水蒸发来说，这是一个很大程度上未知的领域，但代表着太阳能利用的未来增长点。
所公开的实施例提供了用于将蒸发界面与光热层分离的方法和机制。应该理解，本说明书并非旨在限制本发明。相反，实施例旨在涵盖替代例、修改例和等同例，这些替代例、修改例和等同例包括在所附权利要求所定义的本发明的精神和范围中。此外，在对实施例的详细描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对所要求保护的发明的全面理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这种特定细节的情况下实践各种实施例。
尽管在实施例中以特定组合描述了本实施例的特征和元件，但是每个特征或元件都能够单独使用而无需实施例的其他特征和元件，或者以具有或不具有本文公开的其他特征和元件的各种组合来使用。
本书面说明书使用所公开的主题的示例，以使本领域技术人员能够实践相同的主题，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何合并的方法。该主题的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。这些其他示例旨在属于权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种太阳能系统(200)，包括：
支撑部分(201A)；和
具有泵送层(212)和光热层(214)的蒸发部分(201B)，
其中，所述支撑部分(201A)将流体(222)泵送到所述蒸发部分(201B)，
其中，所述泵送层(212)基于太阳能使流体(222)蒸发，并且
其中所述光热层(214)与所述泵送层(212)隔绝。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括：
位于所述光热层与所述泵送层之间的支撑层(210)。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述支撑层为所述光热层和所述泵送层提供支撑。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述泵送层是多孔的并且通过毛细作用从源头吸收流体。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述蒸发部分成形为杯形。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述泵送层沿着所述蒸发部分和所述支撑部分延伸。
7.根据权利要求1所述的系统，还包括：
用于将流体泵送到所述蒸发部分的主动泵送系统。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流体的蒸发仅由阳光驱动。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，由蒸发过程留下的盐形成在所述泵送层上而不是在所述光热层上。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光热层是无孔的，并且所述泵送层是多孔的，并且所述光热层与所述泵送层直接接触。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述泵送层和光热层均是平坦的且水平的，并且形成水平盘。
12.一种太阳能系统(600、700)，包括：
支撑部分(201A)；和
蒸发部分(201B)，其具有泵送层(212)和覆盖所述泵送层(212)的第一面的透明无孔层(602、702)，
其中，所述支撑部分(201A)将流体(222)泵送到所述蒸发部分(201B)，以及
其中，所述泵送层(212)基于太阳能在与所述第一面相反的第二面蒸发流体(222)。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述透明无孔层(602)与所述泵送层直接接触。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述透明无孔层(602、702)允许阳光穿过以到达所述泵送层，并且防止蒸汽从所述泵送层向阳光逸出。
15.根据权利要求12所述的系统，其中，所述透明无孔层(702)与所述泵送层形成空腔。
16.根据权利要求12所述的系统，其中，所述泵送层(212)还充当光热层。
17.根据权利要求12所述的系统，其中，所述蒸发部分被成形为杯形。
18.一种用于从源头蒸发水的方法，所述方法包括：
将太阳能系统(200)放入(1100)到水源(220)中；和
利用所述太阳能系统从所述水源(220)蒸发(1102)水(222)，
其中，所述太阳能系统包括：
支撑部分(201A)，和
具有泵送层(212)和光热层(214)的蒸发部分(201B)，
其中，所述光热层(214)与所述泵送层(212)隔绝。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
使用所述支撑部分(201A)将水泵送到所述蒸发部分(201B)。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括：
完全基于由所述光热层转化为热的太阳能来利用所述泵送层(212)蒸发水。
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