CN113003638A - 生物质蒸发装置、晒盐方法和晒盐系统 - Google Patents

生物质蒸发装置、晒盐方法和晒盐系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种生物质蒸发装置、晒盐方法和晒盐系统。所述生物质蒸发装置包括第一基板和与所述第一基板垂直连接的第二基板，其中第一基板为具有光热材料的生物质板，第二基板为生物质板。本发明的生物质蒸发装置采用类T型结构设计，利用生物质各向异性的孔道结构，限制盐水传输方向，使盐只在具有光热材料的两端析出，具有较高的水蒸发速率和盐析出速率，使得海水淡化、高盐废水处理成本大幅下降，晒盐速率加快，实用性强，工业化前景广阔。

Description

生物质蒸发装置、晒盐方法和晒盐系统
技术领域
本发明涉及能源利用及生物质复合材料技术领域，具体涉及一种生物质蒸发装置、晒盐方法和晒盐系统。
背景技术
近年来，世界各国人口普遍增多，各国，尤其是人口大国(包括我国)的一些地区已经出现了水资源短缺，因此，找到一种高效廉价的海水淡化方法已迫在眉睫。海水淡化为解决淡水短缺问题的有效方法之一，并在很大程度上缓解了部分地区的用水问题。
现行的主流海水淡化法主要有膜法和热法，膜法即反渗透膜法，通过给液体施压使其外压超过渗透压，从而使水析出，这种方式具有投资低、能耗低等优点，但对海水预处理要求高。热法的基本原理为蒸馏，人工热法效率高但成本高，并且有可能污染环境。太阳能作为一种清洁能源，发展潜力巨大，将太阳能用于海水淡化技术一定有良好的前景。
盐是人类日常生活、工业生产当中必不可少的材料，随着人口的增长和工业规模的扩大，各种盐类物质的需求量也逐渐提升，这对于晒盐过程中盐析出速度提出了新的要求。
莫纳什大学化学工程系报道了一种高效获得淡水同时实现了盐回收的光热法脱盐装置的结构，该装置以浸渍CNT的滤纸作为光热材料，并用棉线将给水中心限域至一点，在水蒸发的同时光热材料边缘的盐浓度会优先达到饱和并析出盐，在盐积累一定量后又会受重力作用自然脱落，从而实现获得清洁淡水的同时实现盐的回收。但由于滤纸的各向同性光热材料的形状被严格限制为圆形，故单个器件尺寸无法做大，限制了其应用化的前景。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供了一种生物质蒸发装置，该装置利用生物质各向异性的孔道结构，限制盐水传输方向，使盐只在具有光热材料的两端析出，有利于器件尺寸放大和便于盐的回收。
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种生物质蒸发装置，其包括第一基板和与所述第一基板垂直连接的第二基板，其中第一基板为具有光热材料的生物质板，第二基板为生物质板。
根据本发明的一些实施方式，所述生物质蒸发装置包括水平设置第一基板和与所述第一基板垂直连接的第二基板。
根据本发明的一些实施方式，所述生物质板具有阵列孔道结构。
根据本发明的一些实施方式，所述阵列孔道结构的孔径为1-100μm，例如1-5μm、20-30μm、30-50μm、50-80μm、50-100μm。
根据本发明的一些实施方式，所述生物质板的孔隙率为25-75％，例如30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％以及它们之间的任意值。
本发明对所述第一基板和/或第二基板的形状并无严格限制，可以采用本领域中常规的基板形状，例如矩形、圆形或椭圆形。在本发明的一些实施方式中，所述第一基板的形状选自矩形、圆形或椭圆形，第二基板的形状为矩形。在本发明的一些优选实施方式中，所述第一基板和第二基板的形状均为矩形。
根据本发明的一些实施方式，以平行于阵列孔道方向作为第一基板和第二基板的长度方向。
根据本发明的一些实施方式，所述第二基板的宽边与第一基板垂直连接。
根据本发明的一些实施方式，所述第二基板的宽边沿第一基板的宽度方向与第一基板垂直连接。
根据本发明的一些实施方式，所述第二基板在第一基板的投影与第一基板宽边方向的中心线距离为0至1/5的第一基板长度，优选为0。
根据本发明的一些实施方式，所述第二基板的宽边沿第一基板宽度方向的中心线与第一基板垂直连接，构成类T型结构。在本发明的一些优选实施方式，所述第一基板与第二基板垂直连接构成类T型结构，所述第一基板作为T型结构的“─”部分，所述第二基板作为T型结构的“│”部分。
在本发明的一些优选实施方式中，所述第一基板与第二基板垂直连接构成类T型结构，所述第一基板作为T型结构的“─”部分，所述第一基板的长度方向与T型结构中“─”部分的方向平行。
在本发明的一些优选实施方式中，所述第一基板与第二基板垂直连接构成类T型结构，所述第二基板作为T型结构的“│”部分，所述第二基板的长度方向与T型结构中“│”部分的方向平行。
根据本发明的一些实施方式，以平行于阵列孔道方向作为第一基板的长度方向，所述第一基板的长度与宽度的比值为1:1-10:1，例如2:1、4:1、6:1或8:1。根据本发明的一些实施方式，所述第一基板的长度为0.5-300cm，例如2cm、10cm、30cm、70cm、120cm、150cm、170cm、200cm或250cm以及它们之间的任意值。在本发明的一些优选实施方式中，所述第一基板的长度为0.5-100cm。根据本发明的一些实施例，所述第一基板的长度为0.5-50cm。
根据本发明的一些实施方式，所述第一基板的宽度为0.05-300cm，例如0.1cm、0.5cm、2cm、10cm、30cm、70cm、120cm、150cm、170cm、200cm或250cm以及它们之间的任意值。在本发明的一些优选实施方式中，所述第一基板的长度为0.5-100cm。根据本发明的一些实施例，所述第一基板的长度为0.5-30cm。
根据本发明的一些实施方式，所述第一基板的厚度为0.05-10cm，例如0.1cm、0.5cm、1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm或9cm。
根据本发明的一些实施方式，所述第二基板的长度为2-300cm，例如2cm、10cm、30cm、70cm、120cm、150cm、170cm、200cm或250cm以及它们之间的任意值。在本发明的一些优选实施方式中，所述第二基板的长度为2-100cm。根据本发明的一些实施例，所述第一基板的长度为2-50cm。
根据本发明的一些实施方式，所述第二基板的宽度大于或等于第一基板的宽度。
根据本发明的一些实施方式，所述第二基板的宽度大于第一基板宽度的0.5-20cm，例如大于0.5-10cm。在本发明的一些优选实施方式中，所述第二基板的宽度为2-100cm。
根据本发明的一些实施方式，所述第二基板的厚度为0.05-10cm，例如0.1cm、0.5cm、1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm或9cm。
根据本发明的一些实施方式，第一基板中，所述光热材料选自碳材料、共轭聚合物和纳米材料中的一种或多种。
根据本发明的一些实施方式，所述光热材料选自石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、高共轭聚合物、金属纳米颗粒和金属氧化物纳米颗粒中的一种或多种。
根据本发明的一些实施方式，所述第一基板为具有碳材料的生物质板。
根据本发明的一些实施方式，形成所述生物质板的生物质材料选自秸秆、木材、竹材和3D打印材料中的一种或多种。
根据本发明的一些实施方式，形成所述生物质板的木材选自巴尔沙木、椴木、松木和桐木中的一种或多种。
根据本发明的一些实施方式，所述生物质蒸发装置还包括第三基板，所述第三基板与第二基板相连接，用于使所述第一基板位于水面或水面之上。在本发明的一些实施方式中，所述第三基板用于使第一基板的上表面位于水面上。
根据本发明的一些实施方式，所述第三基板相与第二基板垂直连接。
根据本发明的一些实施方式，所述第三基板与第一基板的垂直距离大于0.2cm小于第二基板的长度。
根据本发明的一些实施方式，所述第三基板与第一基板的垂直距离为0.2-200cm。
根据本发明的一些实施方式，所述第三基板选自泡沫板和/或轻质聚合物板。
根据本发明的一些实施方式，所述轻质聚合物为珍珠棉等。
根据本发明的第二方面，本发明提供了第一方面所述的生物质蒸发装置的制备方法，其包括以下步骤：
S1：提供第一基板；
S2：将第一基板垂直嵌入第二基板的一端，优选将第一基板沿着第二基板的宽度方向垂直嵌入第二基板中；
以及任选的S3：将第二基板与第一基板相对的一端嵌入第三基板。
根据本发明的一些实施方式，所述提供第一基板包括：将生物质板与金属盐溶液混合、干燥，得到含有金属盐的生物质板；将所述含有金属盐的生物质板进行碳化，得到所述第一基板。
根据本发明的一些实施方式，所述金属盐选自碱金属盐、碱土金属盐和过渡金属盐中的一种或多种，优选选自氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化钙、氯化锌、氯化铝、氯化锰、氯化钴、氯化镍、氯化铜和氯化铁中的一种或多种。
根据本发明的一些实施方式，所述混合的时间为10min-60min。
根据本发明的一些实施方式，所述干燥的时间为10-36h，优选10-24h。在本发明的一些实施方式中，所述碳化的温度为300-750℃。在本发明的一些实施例中，所述碳化的时间为0.05-30min，例如0.1min、0.5min、1min、3min、5min、7min、9min、10min、13min、15min、20min、23min、25min、27min以及它们之间的任意值。
根据本发明的一些实施方式，所述金属盐溶液中，金属盐的质量浓度为5-30％。
根据本发明的一些实施方式，所述第一基板的制备方法包括以下具体步骤：将生物板放入5-30％金属盐溶液中并立刻取出风干10-24h，然后置于150-500℃电热板上加热0.05min-30min，使生物质板碳化，在室温下将其放入去离子水中清洗，测量清洗后去离子水的电导率值，重复此过程，直至去离子水的电导率值达到低于30μS/cm。
根据本发明的一些实施方式，所述提供第一基板包括：提供含光热材料的分散液，使用液相沉积法将所述光热材料沉积于生物质板，得到所述第一基板。
根据本发明的一些实施方式，所述的生物质蒸发装置的制备方法包括以下具体步骤：
步骤1：提供由木材制备的第一基板前体，将第一基板前体与金属盐溶液混合、干燥，得到含有金属盐的第一基板前体；将所述含有金属盐的第一基板前体进行碳化，得到所述第一基板，其中木材的生长方向为第一基板的长度方向，优选所述第一基板前体的长度为0.5-100cm，宽度为0.5-100cm，厚度为0.5-100mm；
步骤2：提供由木材制备的第二基板，其中木材的生长方向为第二基板的长度方向，沿宽度方向在第二基板开口，将步骤1的第一基板嵌入开口中，得到T型结构的光热脱盐材料，优选所述开口的宽度与厚度与第一基板宽度与厚度相同，所述开口距离第二基板宽边0-2cm，优选地，所述第二基板的长度为0.5-100cm，第二基板的宽度比步骤1所得第一基板的宽度大0.5-15cm，所述第二基板的厚度为0.5-100mm；
步骤3：在第三基板上开口，将步骤2所得的T型结构的光热脱盐材料中的与第一基板相对的第二基板端嵌入开口中，制得T型生物质蒸发装置，优选地，所述第三基板的开口长度与第二基板的相同，所述第三基板与第一基板的垂直距离为0.2-200cm。
根据本发明的一些实施方式，所述木材选自具有阵列孔道结构的木材，所述木材的生长方向与阵列孔道结构的孔道方向一致。
根据本发明的一些实施方式，形成第一基板和第二基板的木材相同或不同。
根据本发明的一些实施方式，所述生物质材料晒盐装置的制备方法包括以下具体步骤：
步骤1：取干燥的沿着生长方向木材加工成厚度为0.5-50mm的薄板，并裁剪成沿木材生长方向0.5-50cm，垂直于生长方向0.5-50cm的小片，将裁好的木片放入5-30％金属溶液中并立刻取出风干10-24h，然后置于150-500℃电热板上加热0.05-30min，使木片碳化在室温下将其放入去离子水中清洗，测量清洗后去离子水的电导率值，重复此过程，直至去离子水的电导率值达到低于30μS/cm；
步骤2：取与步骤1相同厚度木板，裁剪成沿生长方向0.5-20cm，垂直于生长方向较步骤1所得木炭片长0.5-10cm的木片，用电锯沿垂直于生长方向开一个与木炭片垂直生长方向长度相同的开口，并嵌入步骤1所得木炭片，制得T型生物质基光热脱盐材料；
步骤3：取0.5-3cm厚泡沫板，用电锯开一长度与步骤2长度相等的小口，并将步骤2所得光热材料插入泡沫板中使木炭片可以漂浮于盐水水面上，木炭片需与泡沫板保持0.2cm以上距离。
根据本发明的第三方面，本发明提供了一种晒盐方法，其包括采用第一方面所述的生物质蒸发装置或第二方面所述的方法制备的生物质蒸发装置进行盐水蒸发，其中，所述第一基板位于水面或者水面之上，优选包括以下步骤：
(1)将第一方面所述的生物质蒸发装置或第二方面所述的方法制备的生物质蒸发装置放置于装有盐水的装置中，使所述第一基板为于盐水面或者盐水面之上；
(2)在光照射下，使盐水在所述生物质蒸发装置的第一基板表面蒸发，得到蒸发水和结晶盐。
根据本发明的一些实施方式，所述盐水包括所有地区海水、咸水湖水、工业高盐废水。
根据本发明的第四方面，本发明提供了一种晒盐系统，其包括晒盐池、设置于晒盐池内的第一方面所述的生物质蒸发装置或第二方面所述的方法制备的生物质蒸发装置，所述第一基板位于水面或者水面之上、设置于晒盐池上侧的透明罩、设置于透明罩上端的蒸发水收集装置。
根据本发明的一些实施方式，所述蒸发水收集装置包括设置于透明罩上端的换气扇、冷凝器、淡水储水槽。
根据本发明的一些实施方式，将所述的生物质蒸发装置放置于装有盐水的晒盐池中，使所述生物质蒸发装置中的第一基板位于盐水面或盐水面之上，晒盐池中的盐水由于生物质蒸发装置中各向异性的孔道结构的限制，盐只在具有光热材料的第一基板两端析出，蒸发的水蒸气凝结于透明罩内，由蒸发水收集装置进行回收。
采用本发明制备的生物质蒸发装置，具有如下优点：循环利用稳定性好；水蒸发速率快，可达1.5-3.5kg·m-2·h-1，具有较高的光热转化效率，可达90％以上；原材料可再生，成本低；采用了T型的材料设计，其材料具有光热蒸发水和盐回收双功能。
附图说明
图1为本发明实施例1中的T型生物质蒸发装置的示意图。
图2为本发明实施例1中的T型生物质蒸发装置的原理图。
图3为本发明实施例1中的T型生物质蒸发装置的实际应用示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步阐述和说明，但并不构成对本发明的任何限制。
实施例1
步骤1：将干燥的孔径主要为20-30μm，空隙率为47.1％的巴尔沙木木材沿着生长方向(阵列孔道方向)加工成厚度为1mm的薄板，并裁剪成沿木材生长方向(长度方向)1.5cm，垂直于生长方向(宽度方向)1.5cm的小片，将裁好的木片放入15％氯化铁盐溶液中并立刻取出风干24h，然后置于250℃电热板上加热20s，使木片碳化在室温下将其放入去离子水中清洗，测量清洗后去离子水的电导率值，重复此过程，直至去离子水的电导率值达到低于30μS/cm；
步骤2：取与步骤1相同厚度的巴尔沙木木板，裁剪成沿生长方向(长度方向)2cm，垂直于生长方向(宽度方向)2cm的木片，用电锯沿垂直于生长方向开一个1.5cm的开口，所述开口距离木片短边的距离为0-0.5cm，并嵌入步骤1所得木炭片，制得T型生物质基光热脱盐材料；
步骤3：取0.5cm厚泡沫板，用电锯开一2cm的小口，并将步骤2所得T型生物质基光热脱盐材料插入泡沫板中使材料可以漂浮于盐水水面上，木炭片需与泡沫板保持0.2cm以上距离，制得如图1所示的T型生物质蒸发装置。
采用上述T型生物质蒸发装置进行晒盐，将上述T型生物质蒸发装置放置于装有盐水的盐水池中，使T型生物质蒸发装置的木炭片“─”部分漂浮于盐水面上，如图2所示，盐水通过T型生物质蒸发装置的孔道传输至木炭片中，在光照射下，木炭片中的盐水在传输过程中逐渐蒸发，最终在木炭片的两侧析出结晶盐。在1个标准太阳光(1kW·m-2)照射下，该装置的水蒸发速率达2.8kg·m-2·h-1，光热转化效率达到92.5％，盐回收效率达到80g·m-2·h-1。
实施例2
步骤1：将干燥的孔径主要为20-30μm，空隙率为47.1％的巴尔沙木木材沿着生长方向加工成厚度为50mm的薄板，并裁剪成沿木材生长方向15cm，垂直于生长方向15cm，将裁好的木片放入15％氯化铁盐溶液中并立刻取出风干24h，然后置于250℃电热板上加热20s，使木片碳化在室温下将其放入去离子水中清洗，测量清洗后去离子水的电导率值，重复此过程，直至去离子水的电导率值达到低于30μS/cm；
步骤2：取与步骤1相同厚度的巴尔沙木木板，裁剪成沿生长方向20cm，垂直于生长方向20cm的木片，5cm厚，用电锯沿垂直于生长方向开一个15cm的开口，所述开口距离木片短边的距离为0-0.5cm，并嵌入步骤1所得木炭片，制得T型生物质基光热脱盐材料；
步骤3：取5cm厚泡沫板，用电锯开一20cm的小口，并将步骤2所得T型生物质基光热脱盐材料插入泡沫板中使材料可以漂浮于盐水水面上，木炭片需与泡沫板保持0.2cm以上距离。
与实施例1方法相同，采用上述T型生物质蒸发装置进行晒盐，上述T型生物质蒸发装置在1个标准太阳光(1kW·m-2)照射下，该放大装置的水蒸发速率达2.75kg·m-2·h-1，光热转化效率达到93.5％，盐回收效率达到80.2g·m-2·h-1。
实施例3
步骤1：将干燥的孔径主要为20-30μm，空隙率为47.1％的巴尔沙木木材沿着生长方向加工成厚度为50mm的薄板，并裁剪成沿木材生长方向50cm，垂直于生长方向50cm，将裁好的木片放入15％氯化铁盐溶液中并立刻取出风干24h，然后置于250℃电热板上加热20s，使木片碳化在室温下将其放入去离子水中清洗，测量清洗后去离子水的电导率值，重复此过程，直至去离子水的电导率值达到低于30μS/cm；
步骤2：取与步骤1相同厚度的巴尔沙木木板，裁剪成沿生长方向50cm，垂直于生长方向60cm的木片，5cm厚，用电锯沿垂直于生长方向开一个50cm的开口，所述开口距离木片短边的距离为0-0.5cm，并嵌入步骤1所得木炭片，制得T型生物质基光热脱盐材料；
步骤3：取5cm厚泡沫板，用电锯开一60cm的小口，并将步骤2所得生物质基光热脱盐材料插入泡沫板中使材料可以漂浮于盐水水面上，木炭片需与泡沫板保持0.2cm以上距离。
与实施例1方法相同，采用上述T型生物质蒸发装置进行晒盐，上述T型生物质蒸发装置在1个标准太阳光(1kW·m-2)照射下，该放大装置的水蒸发速率达2.9kg·m-2·h-1，光热转化效率达到94.5％，盐回收效率达到79.6g·m-2·h-1。

Claims (10)

1.一种生物质蒸发装置，包括第一基板和与所述第一基板垂直连接的第二基板，其中第一基板为具有光热材料的生物质板，第二基板为生物质板。
2.根据权利要求1所述的生物质蒸发装置，其特征在于，所述生物质板具有阵列孔道，优选所述阵列孔道的孔径为1-100μm，和/或所述生物质板的孔隙率为25-75％；
优选地，以平行于阵列孔道方向作为第一基板和第二基板的长度方向，所述第二基板的宽边与第一基板垂直连接，更优选地，所述第二基板的宽边沿第一基板宽度方向与第一基板垂直连接，进一步优选，所述第二基板在第一基板的投影与第一基板宽边方向的中心线距离为0至1/5的第一基板长度，优选为0。
3.根据权利要求1或2所述的生物质蒸发装置，其特征在于，所述第一基板的长度与宽度的比值为1：1-10：1，优选地，所述第一基板的长度为0.5-300cm，更优选为0.5-100cm；所述第一基板的厚度为0.05-10cm；
和/或所述第二基板的长度为2-300cm，优选为2-100cm；所述第二基板的宽度大于或等于第一基板的宽度，优选大于第一基板宽度的0.5-20cm；所述第二基板的厚度为0.05-10cm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的生物质蒸发装置，其特征在于，第一基板中，所述光热材料选自碳材料、共轭聚合物和纳米材料中的一种或多种，优选自石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、金属纳米颗粒和金属氧化物纳米颗粒中的一种或多种；
和/或形成所述生物质板的生物质材料选自秸秆、木材、竹材和3D打印材料中的一种或多种，优选地，所述木材选自巴尔沙木、椴木、松木和桐木中的一种或多种。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的生物质蒸发装置，其特征在于，所述生物质蒸发装置还包括第三基板，所述第三基板与第二基板相连接，用于使所述第一基板位于水面或者水面之上，优选所述第三基板与第一基板的垂直距离大于0.2cm小于第二基板的长度，更优选为0.2cm-200cm；
优选地，所述第三基板选自泡沫板和/或轻质聚合物板。
6.一种权利要求1-5中任一项所述的生物质蒸发装置的制备方法，其包括以下步骤：
S1：提供第一基板；
S2：将第一基板垂直嵌入第二基板的一端，优选将第一基板沿着第二基板的宽度方向垂直嵌入第二基板中；
以及任选的S3：将第二基板与第一基板相对的一端嵌入第三基板。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述提供第一基板包括：将生物质板与金属盐溶液混合、干燥，得到含有金属盐的生物质板；将所述含有金属盐的生物质板进行碳化，得到所述第一基板；
优选地，所述金属盐选自碱金属盐、碱土金属盐和过渡金属盐中的一种或多种，优选选自氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化钙、氯化锌、氯化铝、氯化锰、氯化钴、氯化镍、氯化铜和氯化铁中的一种或多种；
和/或所述混合的时间为10min-60min，所述干燥的时间为10-36h，所述碳化的温度为300-750℃，所述碳化的时间为0.05min-30min。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述提供第一基板包括：提供含光热材料的分散液，使用液相沉积法将所述光热材料沉积于生物质板，得到所述第一基板。
9.一种晒盐方法，其包括采用权利要求1-5中任一项所述的生物质蒸发装置或根据权利要求6-8中任一项所述的方法制备的生物质蒸发装置进行盐水蒸发，其中，所述第一基板位于水表面或水面之上，优选包括以下步骤：
(1)将权利要求1-5中任一项所述的生物质蒸发装置或根据权利要求6-8中任一项所述的方法制备的生物质蒸发装置放置于装有盐水的装置中，使第一基板位于盐水面或盐水面之上；
(2)在光照射下，使盐水在所述生物质蒸发装置的第一基板表面蒸发，得到蒸发水和结晶盐。
10.一种晒盐系统，其包括：
晒盐池；
设置于晒盐池内的权利要求1-5中任一项所述的生物质蒸发装置或根据权利要求6-8中任一项所述的方法制备的生物质蒸发装置，所述第一基板位于水面或者水面之上；
设置于晒盐池上侧的透明罩；
设置于透明罩上端的蒸发水收集装置。
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