CN112357992B - 一种解决圆锥形蒸发器盐沉积的方法 - Google Patents

一种解决圆锥形蒸发器盐沉积的方法 Download PDF

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Abstract

一种解决圆锥形蒸发器盐沉积的方法，涉及太阳能海水淡化技术领域。本发明的目的是要解决现有的圆锥形蒸发器易出现盐沉积导致蒸发速率下降而无法实现海水淡化过程中长期连续稳定运行的问题。方法：将圆柱形隔热装置置于海水水面上，保证亲水性导水装置的一端浸入至海水中，然后将亲水性纤维材料包覆在圆柱形隔热装置的圆周面上并紧密贴合，同时将亲水性纤维材料的一端均布在圆锥形光热转换膜的上沿，将亲水性纤维材料的另一端浸入至海水中，实现圆锥形蒸发器原位抗盐沉积的功能。本发明可获得一种解决圆锥形蒸发器盐沉积的方法。

Description

一种解决圆锥形蒸发器盐沉积的方法
技术领域
本发明涉及太阳能海水淡化技术领域，具体涉及一种解决圆锥形蒸发器盐沉积的方法。
背景技术
地球表面淡水资源匮乏，总储量不到0.3％，分布不均，再加上日益严重的水体污染，水资源危机已经成为世界上面临的最大危机之一。而海水资源储量丰富，分布广泛，在地球表面的覆盖率达到71％。因此将海水进行氮化脱盐是缓解水资源危机的一种有效方法。但是现有海水淡化技术(如多级闪蒸，多效蒸馏等)需要消耗高品位的电能或者化石燃料来驱动，存在高能耗和高成本等问题。考虑到日益严重的能源危机和环境污染，太阳能驱动的光热海水淡化因其低能耗、低成本和环境友好等优点，获得了广泛的关注和研究，并且具有良好的应用前景。
目前，已经发展了大量的光热转换材料用于太阳能海水淡化，主要包括贵金属、无机半导体、碳基材料和高分子聚合物。目前的蒸发结构包括二维薄膜结构蒸发器和三维结构蒸发器，三维结构蒸发器因其扩大蒸发面积可使系统的蒸发速率显著提高，其中圆锥形蒸发器更是最受关注的三维蒸发器之一。但是根据目前相关的报道显示，现有的圆锥形蒸发器存在几个小时内就出现严重积盐的问题，目前还没有很好的解决方法。这主要是因为海水被吸入到圆锥形蒸发器的过程中，海水从圆锥形蒸发器底部进入，向上传输到上端，在整个圆锥形蒸发膜表面进行蒸发，但是在从底部向上传输过程中，海水被不断的蒸发浓缩，到达上端时浓度达到最大；与此同时，积累的盐离子不能高效的依靠浓度梯度通过原有的路径反向扩散回水体，所以在圆锥形蒸发器的顶端析出造成盐沉积，进而容易造成光热材料被盐分堵塞覆盖而失效。
因此，开发一种解决圆锥形蒸发器盐沉积的方法具有十分重要的研究意义。
发明内容
本发明的目的是要解决现有的圆锥形蒸发器易出现盐沉积导致蒸发速率下降而无法实现海水淡化过程中长期连续稳定运行的问题，而提供一种解决圆锥形蒸发器盐沉积的方法。
一种解决圆锥形蒸发器盐沉积的方法，按以下步骤完成：
一、将超疏水光热转换材料均匀分布在亲水支撑基底的一个面上，得到光热转换薄膜，然后以分布有超疏水光热转换材料的一侧为内表面将光热转换薄膜折成圆锥形状，得到圆锥形光热转换膜；
二、在圆柱形隔热装置的上端面加工一个圆锥形凹槽，并且在圆锥形凹槽底部的中心位置处沿轴向方向加工通孔，然后将一根亲水性导水装置的一端从通孔的上端伸入直至从通孔的下端露出，亲水性导水装置的另一端停留在圆锥形凹槽底部的中心位置处，再将圆锥形光热转换膜放置在圆柱形隔热装置的圆锥形凹槽上，并且保证圆锥形光热转换膜圆锥部位的亲水部分与亲水性导水装置充分接触；
三、将圆柱形隔热装置置于海水水面上，保证亲水性导水装置的一端浸入至海水中，然后将亲水性纤维材料包覆在圆柱形隔热装置的圆周面上并紧密贴合，同时将亲水性纤维材料的一端均布在圆锥形光热转换膜的上沿，将亲水性纤维材料的另一端浸入至海水中，实现圆锥形蒸发器原位抗盐沉积的功能。
本发明的原理：
本发明中，亲水性导水装置-圆锥形光热转换膜亲水层-亲水性纤维材料这三部分构成了闭合的水/盐回路，该水/盐回路的构建可以依靠浓度梯度实现自动抗盐，如图1所示，亲水性导水装置吸取海水并将海水运送到圆锥形光热转换膜的亲水层，海水中的水分在圆锥形光热转换膜亲水层被加热蒸发，海水被逐渐浓缩，在圆锥形光热转换膜的上端离子浓度达到最大，而海水水体的离子浓度最小，因此再使用亲水性纤维材料构建闭合回路，可以使积累的盐在浓度梯度驱动下经亲水性纤维材料导回到海水水体中，实现原位抗盐沉积的功能。
本发明的有益效果：
(1)本发明一种解决圆锥形蒸发器盐沉积的方法，在海水水体和圆锥形光热转换膜之间使用亲水性纤维材料构成一种闭合的水/盐回路，该水/盐回路不仅可以使圆锥形光热转换膜上端积累的盐离子通过原有的路径依靠浓度梯度扩散回水体，还可以原位的将蒸发过程产生的浓缩海水导回海水水体中，并增强向圆锥形光热转换膜的供水能力，从而有效的解决了盐分在光热材料表面的沉积问题，实现原位抗盐和长期的循环稳定性。
(2)本发明圆锥形蒸发器抗盐设计结构，在海水淡化和浓盐水的淡化以及高光照强度下的海水淡化测试中，均表现出良好的原位抗盐沉积能力和长期循环稳定性；同时，设计的闭合水/盐回路所用的材料来源广泛易得，成本低廉，易于实现大规模应用。
本发明可获得一种解决圆锥形蒸发器盐沉积的方法。
附图说明
图1为本发明圆锥形蒸发器抗盐设计结构示意图；
图2为实施例1中的圆锥形蒸发器在0.1W cm-2模拟太阳光光照下的蒸发速率曲线图；
图3为实施例1中的圆锥形蒸发器在20％的NaCl溶液中连续蒸发400h的蒸发速率曲线图；
图4为实施例1中的圆锥形蒸发器在20％的NaCl溶液中蒸发第1小时内的水蒸发速率曲线图；
图5为实施例1中的圆锥形蒸发器在20％的NaCl溶液中蒸发第400小时的水蒸发速率曲线图；
图6为实施例1中的圆锥形蒸发器在0.3W cm-2的模拟太阳光光照下进行海水淡化的蒸发水速率曲线图，A代表第1小时的蒸发水速率曲线，B代表第12小时的蒸发水速率曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种解决圆锥形蒸发器盐沉积的方法，按以下步骤完成：
一、将超疏水光热转换材料均匀分布在亲水支撑基底的一个面上，得到光热转换薄膜，然后以分布有超疏水光热转换材料的一侧为内表面将光热转换薄膜折成圆锥形状，得到圆锥形光热转换膜；
二、在圆柱形隔热装置的上端面加工一个圆锥形凹槽，并且在圆锥形凹槽底部的中心位置处沿轴向方向加工通孔，然后将一根亲水性导水装置的一端从通孔的上端伸入直至从通孔的下端露出，亲水性导水装置的另一端停留在圆锥形凹槽底部的中心位置处，再将圆锥形光热转换膜放置在圆柱形隔热装置的圆锥形凹槽上，并且保证圆锥形光热转换膜圆锥部位的亲水部分与亲水性导水装置充分接触；
三、将圆柱形隔热装置置于海水水面上，保证亲水性导水装置的一端浸入至海水中，然后将亲水性纤维材料包覆在圆柱形隔热装置的圆周面上并紧密贴合，同时将亲水性纤维材料的一端均布在圆锥形光热转换膜的上沿，将亲水性纤维材料的另一端浸入至海水中，实现圆锥形蒸发器原位抗盐沉积的功能。
本实施方式的有益效果：
(1)本实施方式一种解决圆锥形蒸发器盐沉积的方法，在海水水体和圆锥形光热转换膜之间使用亲水性纤维材料构成一种闭合的水/盐回路，该水/盐回路不仅可以使圆锥形光热转换膜上端积累的盐离子通过原有的路径依靠浓度梯度扩散回水体，还可以原位的将蒸发过程产生的浓缩海水导回海水水体中，并增强向圆锥形光热转换膜的供水能力，从而有效的解决了盐分在光热材料表面的沉积问题，实现原位抗盐和长期的循环稳定性。
(2)本实施方式圆锥形蒸发器抗盐设计结构，在海水淡化和浓盐水的淡化以及高光照强度下的海水淡化测试中，均表现出良好的原位抗盐沉积能力和长期循环稳定性；同时，设计的闭合水/盐回路所用的材料来源广泛易得，成本低廉，易于实现大规模应用。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中所述的超疏水光热转换材料为石墨烯、碳纳米管、炭黑、石墨、碳化钼@碳、SiO2和高分子共聚物中的一种或几种。
其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同点是：步骤一中所述的亲水支撑基底为滤纸、无纺布、棉网、布条和微孔滤膜中的一种或几种。
其他步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤一中采用抽滤的方法将超疏水光热转换材料均匀分布在亲水支撑基底的一个面上。
其他步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤一中所述的圆锥形光热转换膜的垂直高度与直径的比值为(0.5-1.5)：1。
其他步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤一中所述的圆锥形光热转换膜采用双面胶或针线缝制的方式保持形状。
其他步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：圆柱形隔热装置为聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫或聚乙烯泡沫。
其他步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤二中所述圆柱形隔热装置的圆锥形凹槽与圆锥形光热转换膜为配合尺寸。
其他步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：所述的亲水性导水装置为棉绳、滤纸、无纺布和布条中的一种或几种。
其他步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤三中所述的亲水性纤维材料为滤纸、无纺布、棉网和布条中的一种或几种。
其他步骤与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：一种解决圆锥形蒸发器盐沉积的方法，按以下步骤完成：
一、采用抽滤的方法将疏水的碳化钼@碳材料均匀分布在微孔滤膜的一个面上，得到具有柔性的光热转换薄膜，然后以分布有碳化钼@碳材料的一侧为内表面将光热转换薄膜折成圆锥形状，采用双面胶粘贴，得到圆锥形光热转换膜，所述圆锥形光热转换膜的垂直高度与直径的比值为0.9：1。
二、在具有隔热效果的圆柱形聚苯乙烯泡沫的上端面加工一个圆锥形凹槽，所述圆柱形聚苯乙烯泡沫的圆锥形凹槽与圆锥形光热转换膜为配合尺寸，并且在圆锥形凹槽底部的中心位置处沿轴向方向加工通孔，然后将一根棉绳的一端从通孔的上端伸入直至从通孔的下端露出，棉绳的另一端停留在圆锥形凹槽底部的中心位置处，再将圆锥形光热转换膜放置在圆柱形聚苯乙烯泡沫的圆锥形凹槽上，并且保证圆锥形光热转换膜圆锥部位的亲水部分与棉绳充分接触。
三、将圆柱形聚苯乙烯泡沫置于海水水面上，保证棉绳的一端浸入至海水中，实现连续供水，然后将棉网包覆在圆柱形隔热装置的圆周面上并紧密贴合，同时将棉网的一端均布在圆锥形光热转换膜的上沿，将棉网的另一端浸入至海水中，棉绳-圆锥形光热转换膜亲水层-棉网这三部分构成了闭合的水/盐回路，棉绳吸取海水并将海水运送到圆锥形光热转换膜的亲水层，水分在圆锥形光热转换膜亲水层被加热蒸发，到达圆锥形光热转换膜上端后经其连接的棉网导回海水水体，在海水水体和圆锥形光热转换膜上端之间形成一个水/盐的闭合回路，实现圆锥形蒸发器原位抗盐沉积的功能。
实施例2：一种解决圆锥形蒸发器盐沉积的方法，按以下步骤完成：
一、采用抽滤的方法将疏水的石墨烯材料均匀分布在微孔滤膜的一个面上，得到具有柔性的光热转换薄膜，然后以分布有石墨烯材料的一侧为内表面将光热转换薄膜折成圆锥形状，采用双面胶粘贴，得到圆锥形光热转换膜，所述圆锥形光热转换膜的垂直高度与直径的比值为0.9：1。
二、在具有隔热效果的圆柱形聚苯乙烯泡沫的上端面加工一个圆锥形凹槽，所述圆柱形聚苯乙烯泡沫的圆锥形凹槽与圆锥形光热转换膜为配合尺寸，并且在圆锥形凹槽底部的中心位置处沿轴向方向加工通孔，然后将一根棉绳的一端从通孔的上端伸入直至从通孔的下端露出，棉绳的另一端停留在圆锥形凹槽底部的中心位置处，再将圆锥形光热转换膜放置在圆柱形聚苯乙烯泡沫的圆锥形凹槽上，并且保证圆锥形光热转换膜圆锥部位的亲水部分与棉绳充分接触。
三、将圆柱形聚苯乙烯泡沫置于海水水面上，保证棉绳的一端浸入至海水中，实现连续供水，然后将滤纸包覆在圆柱形隔热装置的圆周面上并紧密贴合，同时将滤纸的一端均布在圆锥形光热转换膜的上沿，将滤纸的另一端浸入至海水中，棉绳-圆锥形光热转换膜亲水层-滤纸这三部分构成了闭合的水/盐回路，棉绳吸取海水并将海水运送到圆锥形光热转换膜的亲水层，水分在圆锥形光热转换膜亲水层被加热蒸发，到达圆锥形光热转换膜上端后经其连接的滤纸导回海水水体，在海水水体和圆锥形光热转换膜上端之间形成一个水/盐的闭合回路，实现圆锥形蒸发器原位抗盐沉积的功能。
实施例3：一种解决圆锥形蒸发器盐沉积的方法，按以下步骤完成：
一、采用抽滤的方法将疏水的碳纳米管材料均匀分布在微孔滤膜的一个面上，得到具有柔性的光热转换薄膜，然后以分布有碳纳米管材料的一侧为内表面将光热转换薄膜折成圆锥形状，采用双面胶粘贴，得到圆锥形光热转换膜，所述圆锥形光热转换膜的垂直高度与直径的比值为0.9：1。
二、在具有隔热效果的圆柱形聚乙烯泡沫的上端面加工一个圆锥形凹槽，所述圆柱形聚乙烯泡沫的圆锥形凹槽与圆锥形光热转换膜为配合尺寸，并且在圆锥形凹槽底部的中心位置处沿轴向方向加工通孔，然后将一根棉绳的一端从通孔的上端伸入直至从通孔的下端露出，棉绳的另一端停留在圆锥形凹槽底部的中心位置处，再将圆锥形光热转换膜放置在圆柱形聚乙烯泡沫的圆锥形凹槽上，并且保证圆锥形光热转换膜圆锥部位的亲水部分与棉绳充分接触。
三、将圆柱形聚乙烯泡沫置于海水水面上，保证棉绳的一端浸入至海水中，实现连续供水，然后将无纺布包覆在圆柱形隔热装置的圆周面上并紧密贴合，同时将无纺布的一端均布在圆锥形光热转换膜的上沿，将无纺布的另一端浸入至海水中，棉绳-圆锥形光热转换膜亲水层-无纺布这三部分构成了闭合的水/盐回路，棉绳吸取海水并将海水运送到圆锥形光热转换膜的亲水层，水分在圆锥形光热转换膜亲水层被加热蒸发，到达圆锥形光热转换膜上端后经其连接的无纺布导回海水水体，在海水水体和圆锥形光热转换膜上端之间形成一个水/盐的闭合回路，实现圆锥形蒸发器原位抗盐沉积的功能。
实施例4：一种解决圆锥形蒸发器盐沉积的方法，按以下步骤完成：
一、采用抽滤的方法将疏水的SiO2材料均匀分布在微孔滤膜的一个面上，得到具有柔性的光热转换薄膜，然后以分布有SiO2材料的一侧为内表面将光热转换薄膜折成圆锥形状，采用双面胶粘贴，得到圆锥形光热转换膜，所述圆锥形光热转换膜的垂直高度与直径的比值为0.9：1。
二、在具有隔热效果的圆柱形聚乙烯泡沫的上端面加工一个圆锥形凹槽，所述圆柱形聚乙烯泡沫的圆锥形凹槽与圆锥形光热转换膜为配合尺寸，并且在圆锥形凹槽底部的中心位置处沿轴向方向加工通孔，然后将一根棉绳的一端从通孔的上端伸入直至从通孔的下端露出，棉绳的另一端停留在圆锥形凹槽底部的中心位置处，再将圆锥形光热转换膜放置在圆柱形聚乙烯泡沫的圆锥形凹槽上，并且保证圆锥形光热转换膜圆锥部位的亲水部分与棉绳充分接触。
三、将圆柱形聚乙烯泡沫置于海水水面上，保证棉绳的一端浸入至海水中，实现连续供水，然后将无纺布包覆在圆柱形隔热装置的圆周面上并紧密贴合，同时将无纺布的一端均布在圆锥形光热转换膜的上沿，将无纺布的另一端浸入至海水中，棉绳-圆锥形光热转换膜亲水层-无纺布这三部分构成了闭合的水/盐回路，棉绳吸取海水并将海水运送到圆锥形光热转换膜的亲水层，水分在圆锥形光热转换膜亲水层被加热蒸发，到达圆锥形光热转换膜上端后经其连接的无纺布导回海水水体，在海水水体和圆锥形光热转换膜上端之间形成一个水/盐的闭合回路，实现圆锥形蒸发器原位抗盐沉积的功能。
试验：
如图2所示，采用上述实施例1中的圆锥形蒸发器，在0.1W cm-2的模拟太阳光光照下，对模拟海水进行淡化12h/d，30d后圆锥形蒸发器没有出现任何积盐现象，且能够保持稳定的光蒸水速率；模拟海水由NaCl(27.2g)、MgCl2(3.8g)、MgSO4(1.7g)、CaSO4(1.4g)、K2SO4(0.6g)和KBr(0.1g)溶解在1.0L去离子水中制成。
如图3-图5所示，采用上述实施例1中的圆锥形蒸发器，在20％的NaCl溶液中连续蒸发400小时以后，光蒸水速率保持稳定，而且圆锥形蒸发器没有出现任何积盐现象；20％NaCl溶液由50g NaCl溶解在200mL去离子水中制成。
如图6所示，采用上述实施例1中的圆锥形蒸发器，在0.3W cm-2的模拟太阳光光照下，进行连续海水淡化12h没有出现任何积盐现象，且能够保持稳定的光蒸水速率；模拟海水由NaCl(27.2g)、MgCl2(3.8g)、MgSO4(1.7g)、CaSO4(1.4g)、K2SO4(0.6g)和KBr(0.1g)溶解在1.0L去离子水中制成。

Claims (1)

1.一种解决圆锥形蒸发器盐沉积的方法，其特征在于该方法按以下步骤完成：
一、采用抽滤的方法将疏水的碳化钼@碳材料均匀分布在微孔滤膜的一个面上，得到具有柔性的光热转换薄膜，然后以分布有碳化钼@碳材料的一侧为内表面将光热转换薄膜折成圆锥形状，采用双面胶粘贴，得到圆锥形光热转换膜，所述圆锥形光热转换膜的垂直高度与直径的比值为0.9：1；
二、在具有隔热效果的圆柱形聚苯乙烯泡沫的上端面加工一个圆锥形凹槽，所述圆柱形聚苯乙烯泡沫的圆锥形凹槽与圆锥形光热转换膜为配合尺寸，并且在圆锥形凹槽底部的中心位置处沿轴向方向加工通孔，然后将一根棉绳的一端从通孔的上端伸入直至从通孔的下端露出，棉绳的另一端停留在圆锥形凹槽底部的中心位置处，再将圆锥形光热转换膜放置在圆柱形聚苯乙烯泡沫的圆锥形凹槽上，并且保证圆锥形光热转换膜圆锥部位的亲水部分与棉绳充分接触；
三、将圆柱形聚苯乙烯泡沫置于海水水面上，保证棉绳的一端浸入至海水中，实现连续供水，然后将棉网包覆在圆柱形隔热装置的圆周面上并紧密贴合，同时将棉网的一端均布在圆锥形光热转换膜的上沿，将棉网的另一端浸入至海水中，棉绳-圆锥形光热转换膜亲水层-棉网这三部分构成了闭合的水/盐回路，棉绳吸取海水并将海水运送到圆锥形光热转换膜的亲水层，水分在圆锥形光热转换膜亲水层被加热蒸发，到达圆锥形光热转换膜上端后经其连接的棉网导回海水水体，在海水水体和圆锥形光热转换膜上端之间形成一个水/盐的闭合回路，实现圆锥形蒸发器原位抗盐沉积的功能。
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