CN112523303A - 一种新型的空气取水装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及空气取水技术领域，特别涉及一种新型的空气取水装置及其应用。该装置包括依次设置的辐射制冷层、导热介质层、液态吸水剂层以及透气层，所述透气层允许气体穿过，阻挡液体穿过。本发明的取水装置不需要外界能量的输入，且增强了界面处与体相内的物质交换，使得吸水装置可以铺设大厚度的吸水剂，从而提升吸水装置的吸水量。

Description

一种新型的空气取水装置及其应用
技术领域
本发明涉及空气取水技术领域，特别涉及一种新型的空气取水装置及其应用。
背景技术
随着全球人口的增长，以及世界各国工业化进程的加快，全球淡水资源短缺变得愈加严重。尤其是一些岛礁与内陆干旱地区淡水资源短缺，且居民住所分散无法集中供水。基于太阳能驱动的吸附式空气取水有效地提供了分布式供水的解决方案。该技术在夜间用吸湿剂捕获空气中的水蒸气，继而在太阳能驱动下解吸再生吸湿剂，从吸湿剂中释放出水蒸气并通过冷凝收集液态水。相比于工作在露点为15摄氏度以上湿润地区的电驱动冷凝式取水技术，太阳能驱动的吸附式取水技术通过吸附解吸循环提高循环空气的露点，在露点低于5摄氏度的干旱地区实现高效率捕获淡水，且无需额外电耗。然而现有的吸附式取水机组，因受场地限制，必须铺设有一定厚度的吸水剂。以50%氯化钙溶液为例，当其溶液厚度超过8mm以后，其吸水量则无明显提升，其原因是随着溶液厚度的提升，由于吸水面处和体相里的吸水剂浓度差异所带来的扩散作用有限，无法使8mm以下的体相内的吸水剂扩散到到吸水面处进行吸水，导致了这部分吸水剂的浪费，限制了夜间的总体吸水量，进一步导致了白天的蒸水量的不足。因此引入一种更加强烈的对流方式成为了增大吸水量的一种有效方式。
辐射制冷技术是近几年来出现的一种新兴的被动制冷方式。其特点是不利用外部能量输入即可实现物体本身的降温。其基本原理为，地球大气层有一个波长范围从8-13 μm的透射窗口,通过调节材料本征的化学结构，可以使其在8-13μm波长处实现高的发射率(>90%)，从而自发的从地球向外太空辐射这一波段的能量，实现给自身降温。由于辐射制冷技术是利用辐射制冷材料自己主动向外辐射能量，与传统的利用电能驱动的主动降温器件有本质区别，真正实现了不需耗能即可实现物体的降温。理论上辐射制冷的制冷功率最高可达 150 W/m2。
发明内容
为了解决上述问题，本发明旨在提供一种新型的空气取水装置，以解决太阳能驱动的空气取水装置夜间取水量不足的问题，促进其实际应用。
为了实现上述目的，本发明具体采用如下技术方案：
一种新型的空气取水装置，包括依次设置的辐射制冷层、导热介质层、液态吸水剂层以及透气层，所述透气层允许气体穿过，阻挡液体穿过。
优选的，所述辐射制冷层选自具有辐射制冷作用的高聚物材料、蚕丝材料或黑体碳基材料。
优选的，所述导热介质层选自玻璃、金属、石墨、石墨烯或碳纤维。导热介质层的材料需要选择导热性能好的材料。
优选的，所述的液态吸水剂层为具有吸水作用的离子液体。也即，吸水剂层中的材料是可以流动的。
优选的，所述液态吸水剂层选自具备吸水作用的盐溶液。
优选的，所述液态吸水剂层选自氯化钙溶液，氯化锂溶液。
优选的，所述液态吸水剂层厚度为8mm-20mm。
优选的，所述透气层选自碳掺杂的高聚物材料。也即透气层是透气吸光层，兼具透气和吸光的功能。
优选的，所述透气层选自聚四氟乙烯/炭黑薄膜，所述聚四氟乙烯/炭黑薄膜采用静电纺丝法制备，纤维直径为500纳米，炭黑的质量含量为2%。透气层在夜晚时候允许水蒸气透过进入吸水剂中，从而使得空气中的水气被吸纳；而在白天的时候，透气层又兼具蒸发层的功能，碳黑的加入使得其可以更好的吸收太阳光的热量，通过对太阳光的强吸收，将该层处的温度加热至70℃以上，形成一个高温界面。将吸水剂通过毛细作用汲取到该层，通过加热的方式将水分子与吸水剂分子的结合键断开，实现将水分子蒸发、冷凝、收集的过程，获取可以饮用的淡水。
前述所述的装置的应用，夜晚时，依次从上向下设置辐射制冷层、导热介质层、液态吸水剂层以及透气层进行吸水作用；白天时，依次从上向下设置透气层、液态吸水剂层、导热介质层以及辐射制冷层进行水蒸发作用。
其本发明中的白天结构为夜间结构的倒置。夜间该装置从上至下为辐射制冷层（白天为透气层），导热介质层（白天为液态吸水剂层），液态吸水剂层（白天为导热介质层），透气层（白天为辐射制冷层）。夜间工作时，吸水剂的上部为低温液体，其密度较大，吸水剂的下部为高温液体，其密度较小。吸水剂的上下部密度差使得吸水剂在竖直方向产生强烈的对流，使得远离吸水界面处的吸水剂通过对流方式到达吸水界面处进行吸水，从而使得全部的吸水剂得到有效利用，从而提升取水装置的夜间取水量。在白天通过界面加热的方式，利用太阳光的能量将水从吸水剂中蒸发出来，通过冷凝实现水的收集，从而得到可饮用的淡水资源。
有益效果
（1）本发明装置产生温差过程以及蒸发过程均不需要外界能量输入，节约能源；
（2）通过引入对流机制，增强界面处和体相内的物质交换，使得吸水装置可以铺设大厚度的吸水剂，从而提升吸水装置的吸水量；
（3）本发明通过简单的倒置即可适应夜间和白天需要，简化了空气取水的过程以及工作量。
附图说明
图1本发明装置结构图
图2实施例1装置在夜间和白天的结构图。
图3 纺丝制备的聚氧化乙烯纤维膜实物图。
图4聚氧化乙烯纤维膜扫描电镜图。
图5 聚四氟乙烯/炭黑纤维膜实物图。
图6聚四氟乙烯/炭黑纤维膜扫描电镜图。
图7聚氧化乙烯薄膜和聚二甲基硅氧烷的红外光谱图。
图8实施例1夜间靠近辐射制冷层溶液、靠近透气层溶液、环境温度数据。
图9实施例1和对照组夜间空气吸水量数据图。
图10 实施例1和对照组白天蒸发水数据图。
图11 实施例2夜间靠近辐射制冷层溶液、靠近透气层溶液、环境温度数据。
图12 对照组、实施例1、实施例2空气取水装置夜间吸水量数据图。
图1中，1-辐射制冷层；2-导热介质层；3-液态吸水剂层；4-以及透气层；5-聚氧化乙烯薄膜；6-玻璃表面皿；7-氯化钙溶液；8-聚四氟乙烯/炭黑薄膜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
下面结合附图对本发明进行详细说明，以方便本领域技术人员理解本发明。
如图1所示，本发明的新型的空气取水装置，包括依次设置的辐射制冷层1、导热介质层2、液态吸水剂层3以及透气层4，所述的透气层4允许气体穿过，阻挡液体穿过。该空气取水装置在白天和夜晚的设置次序相反，也即：夜晚时，该发明装置依次从上向下设置辐射制冷层1、导热介质层2、液态吸水剂层3以及透气层4进行吸水作用；白天时，依次从上向下设置透气层4、液态吸水剂层3、导热介质层2以及辐射制冷层1进行水蒸发作用。
所述辐射制冷层1选自具有辐射制冷作用的高聚物材料、蚕丝材料或黑体碳基材料；所述导热介质层2选自玻璃、金属、石墨、石墨烯或碳纤维。所述的液态吸水剂层3为具有吸水作用的离子液体，例如具备吸水作用的盐溶液，具体而言可以为氯化钙溶液，氯化锂溶液。
本发明中的液态吸水剂层3为8mm-20mm。
本发明中所述透气层4选自碳掺杂的高聚物材料，例如聚四氟乙烯/炭黑薄膜。
实施例1
如图2所示为本实施例的具体装置，其包括一个内高2cm的玻璃表面皿6，玻璃表面皿内装满氯化钙溶液7，该氯化钙溶液7是通过如下方法制作而成的：将50克的氯化钙固体加入50ml去离子水中，搅拌1h至澄清透明得到。装满后，在玻璃表面皿6开口上覆盖一层聚四氟乙烯/炭黑薄膜8，聚四氟乙烯/炭黑薄膜8的厚度为100微米，纤维直径为500纳米。碳的含量为2%质量分数。该层薄膜通过如下方式制备：
将2g的聚四氟乙烯固体粉末和0.4g的炭黑溶于17.6g的二甲基甲酰胺中，配置聚四氟乙烯和炭黑的共混溶液。然后使用静电纺丝机制备聚四氟乙烯/炭黑薄膜。其中溶液体积为5毫升,溶液推射速度为1毫升/小时，施加电压为15千伏，接收距离为10厘米。图5为制备的聚四氟乙烯/炭黑纤维膜实物图，图6为聚四氟乙烯/炭黑纤维膜扫描电镜图。
在玻璃表面皿6的杯底覆盖一层聚氧化乙烯薄膜5（PEO）作为辐射制冷层，聚氧化乙烯薄膜5的厚度为200微米，纤维直径为1微米，玻璃厚度为1毫米，该层薄膜通过如下方式制备：
将1g的聚氧化乙烯固体粉末溶于19g的乙腈中，配置质量分数为5%的聚氧化乙烯（PEO）溶液。然后使用静电纺丝机在表面皿底部上制备聚氧化乙烯薄膜作为辐射制冷层。接收端为表面皿，其中溶液体积为10毫升,溶液推射速度为1毫升/小时，施加电压为20千伏，接收距离为20厘米。图3为纺丝制备的聚氧化乙烯纤维膜实物图，图4为聚氧化乙烯纤维膜扫描电镜图。图7中展示了聚氧化乙烯薄膜5的红外光谱图。可以看出聚氧乙烯薄膜在8-13微米处有90%以上的发射率。
其中，聚氧化乙烯薄膜5为辐射制冷的材料，玻璃表面皿6既可以充当导热介质层，又可以支撑整个装置，氯化钙溶液7则为液态吸水剂，聚四氟乙烯/炭黑薄膜8为透气层。
将实施例1制备完成的装置置于天平上，夜间时，装置的聚氧化乙烯薄膜5在上面，置于户外吸水，白天时，聚氧化乙烯薄膜5在最底层，进行水蒸发。
对照组
对照组的其他结构与本发明实施例1中的设置完全相同，不同的是对照组不含辐射制冷层，也即聚氧化乙烯薄膜5。
夜间，使用热电偶记录实施例1组的靠近辐射制冷层的溶液温度，靠近透气层的溶液温度以及环境在夜间的温度。结果如图8所示，可以看出，夜间，靠近辐射制冷层的溶液相较于环境平均降温了5.5摄氏度，靠近透气层的溶液相较于环境平均升温了1摄氏度。两者产生的温差为6.5摄氏度。
如图9所示，为夜间实施例1和对照组的空气吸水量数据图。经过计算，在同样的实验环境下，在夜间，对照组的夜间吸水总量为22.85克，实施例1组夜间吸水总量为34.25克，实验组空气吸水量提升了51%。
如图10所示，为白天实施例1和对照组的蒸发水数据，根据计算，对照组可持续蒸发淡水总量为22.1克，且蒸发水过程只能持续5.5小时左右，实验组可持续蒸发淡水总量为33.9克，且一直持续8小时，实验组总获水量提升53.9%。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，其辐射制冷层为聚二甲基硅氧烷（PDMS）。制备方法仍为静电纺丝方法。
图7中展示了PDMS的红外发射光谱，可以观察到在8-13微米，PDMS的红外发射率明显低于聚氧化乙烯(PEO)，因此其辐射制冷效果也低于聚氧化乙烯(PEO)。
使用热电偶记录实施例2组的靠近辐射制冷层PDMS的溶液温度，靠近透气层溶液温度以及环境在夜间的温度，如图11所示，为本实施例装置的夜间温度记录数据图，经过计算，靠近辐射制冷层PDMS的溶液在夜间的平均比环境温度降温3摄氏度左右。其靠近透气层的溶液相对环境平均升温1摄氏度。所产生温差为4摄氏度左右。
图12为实施例2的PDMS空气取水装置、实施例1的PEO空气取水装置以及对照组的夜间吸水量。经过计算，在同样的实验环境下， PDMS组夜间吸水总量为29.2克，高于对照组的22.85克，低于PEO组的夜间吸水量34.25克。图12表明，辐射制冷层降温越多，带来的温差越大，所产生对流越明显，其夜间吸水量越大。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。

Claims (10)

1.一种新型的空气取水装置，其特征在于，包括依次设置的辐射制冷层（1）、导热介质层（2）、液态吸水剂层（3）以及透气层（4），所述透气层（4）允许气体穿过，阻挡液体穿过。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辐射制冷层（1）选自具有辐射制冷作用的高聚物材料、蚕丝材料或黑体碳基材料。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导热介质层（2）选自玻璃、金属、石墨、石墨烯或碳纤维。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的液态吸水剂层（3）为具有吸水作用的离子液体。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述液态吸水剂层（3）选自具备吸水作用的盐溶液。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述液态吸水剂层（3）选自氯化钙溶液，氯化锂溶液。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液态吸水剂层（3）厚度为8mm-20mm。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述透气层（4）选自碳掺杂的高聚物材料。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述透气层（4）选自聚四氟乙烯/炭黑薄膜，所述聚四氟乙烯/炭黑薄膜采用静电纺丝法制备，纤维直径为500纳米，炭黑的质量含量为2%。
10.权利要求1-9任一项所述的装置的应用，其特征在于，夜晚时，依次从上向下设置辐射制冷层（1）、导热介质层（2）、液态吸水剂层（3）以及透气层（4）进行吸水作用；白天时，依次从上向下设置透气层（4）、液态吸水剂层（3）、导热介质层（2）以及辐射制冷层（1）进行水蒸发作用。
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