CN112919713A - 一种悬挂式太阳能海水淡化及降解污染物一体化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种悬挂式太阳能海水淡化及降解污染物一体化装置，包括上水槽(1)、下水槽(2)和亲水性光热转换材料(5)。本发明不需外力被污染的海水就可自发自上而下流下，通过悬挂式的亲水性光热转换材料实现了海水淡化和去除污染物的双功能一体化应用，降低了成本，节省了时间，装置简单且避免固体盐的结晶收集了可直接饮用的淡水，同时，可通过调节高度差，间接调节了去污的速率和海水蒸发速率，具有良好的市场应用前景。

Description

一种悬挂式太阳能海水淡化及降解污染物一体化装置
技术领域
本发明属于海水净化领域，特别涉及一种悬挂式太阳能海水淡化及降解污染物一体化装置。
背景技术
随着人类社会的发展，水资源日益短缺。海水覆盖了地球表面积的75％，是地球上最丰富的自然资源之一。因此，淡化海水是解决淡水短缺问题的最有效方法之一。淡化方法包括电渗析、反渗透、多效蒸馏、多级闪蒸、低温蒸馏、太阳能等。传统的淡化技术存在能耗高、不可再生、有污染等缺点限制了海水淡化技术进一步的发展。近年来，太阳能作为可再生能源因储存丰富无污染等优点引起了广泛关注。研究者已成功制备出高效光热转化膜漂浮在水-气界上增加了太阳光驱动海水蒸发的速率。但随着蒸发过程的进行，水不断被蒸发掉，盐/溶质被留在蒸发位置，最终结晶出的盐颗粒屏蔽了太阳光辐射，阻塞了内部供水和蒸汽扩散通道，从而降低了蒸发能力。因此，许多抗析盐的方法和装置被相继报道进一步提高了蒸发效果。但随着经济的发展海水污染严重，淡化出来的淡水不能直接供人类饮用，因此还需要再投入资金进行进一步净化，装置比较繁琐，浪费时间和投资成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种悬挂式太阳能海水淡化及降解污染物一体化装置，该装置可实现被污染海水的高效蒸发和去污，降低成本，避免固体盐的结晶，收集干净安全的可食用淡水。
本发明提供了一种悬挂式太阳能海水淡化及降解污染物一体化装置，包括上水槽、下水槽和亲水性光热转换材料；所述上水槽与下水槽存在高度差；所述亲水性光热转换材料两端分别悬挂于上水槽、下水槽边缘，且所述高度差使得亲水性光热转换材料保持拉伸平坦状态。
所述亲水性光热转换材料包括亲水性织物基底和光热转换材料或者为具有强度和韧性的亲水性光热转换材料。
所述亲水性织物基底为天然纤维、再生纤维素纤维和化学纤维中的至少一种制成的针织织物、机织织物或非织物。
所述天然纤维为棉、麻、丝、毛或者纸浆，所述再生纤维素纤维为Lyocell纤维、Modal纤维、竹纤维、甲壳素纤维或者铜氨纤维，所述化学纤维为涤纶、氨纶、腈纶、锦纶、维纶或者丙纶。
所述非织物为无纺布。
所述光热转换材料为金属纳米颗粒、碳纳米材料、有机光热材料和半导体光热纳米材料中的至少一种。
所述金属纳米颗粒为金纳米颗粒、钯纳米颗粒、铂纳米颗粒或者铝纳米颗粒；所述碳纳米材料为碳黑、碳粉、多孔碳、碳纳米管、石墨烯或者富勒烯；所述有机光热材料为聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚多巴胺、吲哚菁绿或者普鲁士蓝；所述半导体光热纳米材料为硫化铜、硒化铜、硫化铋、硒化铋、硫化钨、氧化钨、二氧化钛、三氧化二钛、硫化铁或者硫化钼。
所述光热转换材料的状态为气凝胶、水凝胶或泡沫。
所述亲水性光热转换材料还包括半导体光催化剂，包括二氧化钛、C3N4、氧化锌、氧化锡、二氧化锆、硫化镉中的至少一种。
所述上水槽用于存放被污染的海水，所述下水槽用于存放洁净浓盐水。
所述上水槽通过置于支架之上实现与下水槽之间的高度差；所述高度差可调节。
所述装置为一个单元或多个单元形成的系统。
所述多个单元指增加上下水槽和亲水型光热转换材料的个数。
本发明提供了一种悬挂式太阳能海水淡化及降解污染物一体化装置的应用。
本发明上水槽中被污染的海水首先被吸收到亲水性光热转换材料中，一方面，亲水性光热转换材料吸收太阳光产生热量进行水蒸发，另一方面，吸收太阳光进行光降解污染物，最终剩余的洁净浓盐水渗入下水槽中。本发明不需外力被污染的海水就可自发自上而下流下，实现了海水淡化和去除污染物的双功能一体化应用，降低了成本，节省了时间，装置简单且避免固体盐的结晶，收集了可直接饮用的淡水，同时，可通过调节高度差，间接调节了去污的速率和海水蒸发速率。
所述污染物可以是有机污染物如罗丹明B等，也可以是无机物如重金属等。
有益效果
(1)相比漂浮模型用于海水蒸发和降解污染物装置，本发明能够避免热量向海水内部的纵向流失，提高了海水蒸发效率；且悬挂式装置较水平装置可最大程度地吸收太阳能，从而使自身温度升温更快更高，用来蒸发海水和降解有机物(如图3所示)，悬挂的亲水性光热转化材料的两个表面充分与空气接触，提高太阳能蒸发效率，同时，避免了固体盐的结晶对蒸发速率产生不利影响。
(2)本发明上下水槽和亲水性光热转换材料的个数可调节，可保持上下水槽的高度差不变，设计成多级净化淡化系统，获得不同浓度和净化程度的盐水，通过改变亲水性光热转化材料的组分，设计成淡化和净化同时进行的一体化系统，也可先净化后淡化或者先淡化后净化的一体化系统。
(3)本发明上下水槽的高度差可调节。因此，可通过改变高度差调节被污染物的流速，获得不同浓度和净化程度的盐水，用于海水制盐工艺。
(4)本发明利用太阳能一方面将光能转换成热能进行海水蒸发，一方面刺激光催化剂降解污染物净化淡水，充分利用了太阳能源，节约了成本，工艺简单易操作。
(5)本发明利用自身重力使被污染的海水自上槽流入下槽，不需外力，节约了能源，减少了能源的浪费。将太阳光转换成热能，对海水进行加热蒸发，可得到安全可饮用的淡水，节能环保，降低成本。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明多级装置的结构示意图；
图3为C/C3N4气凝胶光热织物分别在悬挂状态和漂浮状态下在1倍模拟太阳光下的升温对比图；
图4为织物(a、b)和C/C3N4气凝胶光热织物(c、d)的SEM图片；
图5为C/C3N4气凝胶光热织物悬挂状态下在太阳模拟器(1kw·m-2，3kw·m-2，5kw·m-2)照射下升温情况；
图6为C/C3N4气凝胶光热织物水蒸发光降解污染物实验中在太阳模拟器(1kw·m-2，3kw·m-2，5kw·m-2)照射下累计蒸汽产生量；
图7为C/C3N4气凝胶水蒸发光降解污染物实验中，在1倍太阳光照射下该样品对有机物罗丹明B的降解率；
图8为木质/C3N4气凝胶光热织物水蒸发光降解污染物实验中在太阳模拟器(1kw·m-2，3kw·m-2，5kw·m-2)照射下累计蒸汽产生量；
图9为木质/C3N4气凝胶水蒸发光降解污染物实验中，在太阳光照射下该样品对有机物罗丹明B的降解率。
以下对图1和图2作补充说明：
1-上水槽，2-下水槽，3-被污染的海水，4-洁净浓盐水，5-亲水性光热转换材料，6-支架，7-太阳光。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
称取10g三聚氰胺加入坩埚中，之后在550℃空气气氛下煅烧4h，得到黄色的C3N4粉末。
将6g葡萄糖加入盛有35ml蒸馏水的烧杯中，充分搅拌15min完全溶解后，将该混合物移至带有金属外壳的聚四氟乙烯内衬中，在180℃水热处理8h，之后用V水/V乙醇＝1：1的混合溶液洗涤至无色，在60℃下干燥16h，得到炭球。
在烧杯中加入0.05g C3N4、0.25g炭球和10ml蒸馏水经1-2小时超声后再加入0.15g海藻酸钠得到分散液。将分散液在50℃下温和搅拌2h，冷却至室温。之后将分散液(5.45g)移至白色硅胶模具(宽：3cm；长：3cm；高：0.3cm)中，然后将长10cm、宽6cm的织物盖在模具的上面，冷冻干燥经修剪之后得长为10cm、宽为3cm的C/C3N4气凝胶织物，最后将此材料在氯化钙水溶液中浸泡一晚上，再冷冻干燥得表面修饰的C/C3N4气凝胶织物。
将C/C3N4气凝胶织物拉伸成平面，并在不同高度放置两个水槽。其上边缘浸入上水槽1中，装满被罗丹明B污染的海水，下水槽2空着收集洁净盐水。在模拟不同太阳光照强度下(1kw·m-2，3kw·m-2，5kw·m-2)，进行海水蒸发实验(图1)。随着时间的推移，记录其重量变化和温度变化，并可计算出相应的水分蒸发率，罗丹明B降解率。
本实验中采用的是经处理的白色棉布，表面几乎没有杂质。图4(a，b)为该棉布的SEM图像，且在高分辨率观测下发现，它是由平均宽度约为245μm的纤维束编织而成。纤维束由直径约为9μm的单根纤维组成(图4b)，且纤维表面非常光滑。在制备光热布的过程中，将C/C3N4和棉布表面交联之后，白色棉布表面被黑褐色的气凝胶所覆盖，气凝胶呈现粗糙多孔的状态(图4c,4d)。有利于更好地吸附水分子，从而提高水蒸发的效率。
图5是采用近红外热呈现仪分别测试了只有被污染的海水，棉布和有悬挂C/C3N4气凝胶棉布在一倍模拟太阳光下的温度升温情况，它们依次升温了2℃，5℃，15℃，以及悬挂C/C3N4气凝胶棉布分别在3倍和5倍光强下升温情况，它们依次升温了29℃，37℃。
图6为进一步探究光照强度对水蒸发速率的影响，实时记录不同光照强度下有机玻璃容器中模拟被污染的海水(3.5wt％NaCl溶液)的重量损失(图6)。在一倍光强下照射悬挂的悬挂式C/C3N4气凝胶光热转换材料来蒸发模拟海水时，蒸发速率达到了2.09kg·m-2·h-1。随着光照强度进一步增加至3kW·m-2和5kW·m-2时，蒸发速率达到了3.86kg·m-2·h-1和5.17kg·m-2·h-1。以上结果表明悬挂式C/C3N4气凝胶光热转换材料的水蒸发速率会随着光强的增加而增大，同时可保持相对稳定的水蒸发效率。因此，C/C3N4气凝胶光热转换材料是一种用于太阳能驱动下海水淡化的理想材料。
图7为进一步验证本实施例装置光降解污染物的能力，将此装置同时应用在了降解罗丹明B的实验中，发现在经历暗处理和模拟太阳光照射供2h后，降解率高达61％。所以本发明不仅可以应用在海水淡化又能应用在光降解污染物，降低了使用成本，保护了环境。
实施例2
称取10g三聚氰胺加入坩埚中，之后在550℃空气气氛下煅烧4h，得到黄色的C3N4粉末。
将6g葡萄糖加入盛有35ml蒸馏水的烧杯中，充分搅拌15min完全溶解后，将该混合物移至带有金属外壳的聚四氟乙烯内衬中，在180℃水热处理8h，之后用V水/V乙醇＝1：1的混合溶液洗涤至无色，在60℃下干燥16h，得到炭球。
采用选择性去除木质素和部分半纤维素的方法制备了木质气凝胶。首先将木片浸入含有2％氯化钠(pH约为4.6)的溶液中，煮沸6小时，直到木片完全变白。脱去木质素的木片然后用纯水冲洗三次以去除残留的化学物质。用8％NaOH溶液在80℃下进一步处理，去除半纤维素，然后用乙醇和纯水依次洗涤。最后，通过冷冻干燥得到木质气凝胶。
在烧杯中加入0.05g C3N4、0.25g炭球和10ml蒸馏水经1-2小时超声后再加入0.15g海藻酸钠得到分散液。将分散液在50℃下温和搅拌2h，冷却至室温。之后将分散液(1.45g)涂覆在木质气凝胶(宽：1cm；长：4cm；高：0.1cm)上，冷冻干燥，最后将此材料在氯化钙水溶液中浸泡一晚上，再冷冻干燥得表面修饰的木质/C3N4气凝胶。
将木质/C3N4气凝胶拉伸成平面，并在不同高度放置两个水槽。其上边缘浸入上水槽1中，装满被罗丹明B污染的海水，下水槽2空着收集洁净盐水。在模拟不同太阳光照强度下(1kw·m-2，3kw·m-2，5kw·m-2)，进行海水蒸发实验。随着时间的推移，记录其重量变化和温度变化，并可计算出相应的水分蒸发率，罗丹明B降解率。
图8为进一步探究光照强度对水蒸发速率的影响，实时记录不同光照强度下有机玻璃容器中模拟被污染的海水(3.5wt％NaCl溶液)的重量损失。在一倍光强下照射悬挂的悬挂式木质/C3N4气凝胶光热转换材料来蒸发模拟海水时，蒸发速率达到了0.84kg·m-2·h-1。随着光照强度进一步增加至3kg·m-2和5kg·m-2时，蒸发速率达到了3.36kg·m-2·h-1和5.01kg·m-2·h-1。以上结果表明悬挂式木质/C3N4气凝胶光热转换材料的水蒸发速率会随着光强的增加而增大，同时可保持相对稳定的水蒸发效率。因此，木质/C3N4气凝胶光热转换材料是一种用于太阳能驱动下海水淡化的理想材料。
图9为进一步验证本实施例装置光降解污染物的能力，将此装置同时应用在了降解罗丹明B的实验中，发现在经历暗处理和模拟太阳光照射供2h后，降解率高达47.6％。所以本发明不仅可以应用在海水淡化又能应用在光降解污染物，降低了使用成本，保护了环境。
实施例3
根据实施例1同样方法制备C/C3N4气凝胶织物。
将2个C/C3N4气凝胶织物拉伸成平面，并在不同高度放置三个水槽。上边缘浸入放置位置最高的水槽中，最高的水槽装满被罗丹明B污染的海水，较低的空水箱依次收集洁净盐水，经多次循环，盐水被浓缩，罗丹明B被降解掉(图2)。在模拟不同太阳光照强度下(1kg·m-2，3kg·m-2，5kg·m-2)，进行海水蒸发实验。随着时间的推移，记录其重量变化和温度变化，并可计算出相应的水分蒸发率，罗丹明B降解率。在1倍光强下，平均每个悬挂的光热材料的蒸发效率均可达到2.0kg/m2/h，5倍光强下降解罗丹明的效率可达61％，由此可见，通过设计多级装置，可节约时间，创造更高价值。

Claims (10)

1.一种悬挂式太阳能海水淡化及降解污染物一体化装置，其特征在于：包括上水槽(1)、下水槽(2)和亲水性光热转换材料(5)；所述上水槽(1)与下水槽(2)存在高度差；所述亲水性光热转换材料(5)两端分别悬挂于上水槽(1)、下水槽(2)边缘，且所述高度差使得亲水性光热转换材料(5)保持拉伸平坦状态。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述亲水性光热转换材料(5)包括亲水性织物基底和光热转换材料或者为具有强度和韧性的亲水性光热转换材料。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述亲水性织物基底为天然纤维、再生纤维素纤维和化学纤维中的至少一种制成的针织织物、机织织物或非织物。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述光热转换材料为金属纳米颗粒、碳纳米材料、有机光热材料和半导体光热纳米材料中的至少一种。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述光热转换材料的状态为气凝胶、水凝胶、或泡沫。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述亲水性光热转换材料(5)还包括半导体光催化剂。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述上水槽(1)用于存放被污染的海水(3)，所述下水槽(2)用于存放洁净浓盐水(4)。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述上水槽(1)通过置于支架(6)之上实现与下水槽(2)之间的高度差；所述高度差可调节。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置为一个单元或多个单元形成的系统。
10.一种如权利要求1所述的悬挂式太阳能海水淡化及降解污染物一体化装置的应用。
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