CN113307321B - 太阳能界面蒸发器及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太阳能界面蒸发器及其应用，本发明以微藻提油残渣为原材料，经过清洗、干燥、碳化、活化扩孔等过程，开发了一种对环境友好，低碳的光热转换材料，同时开发了优化输水性能设计的隔热基底，二者结合成太阳能界面蒸发器，并将其用于太阳能海水淡化领域，所制得的界面蒸发器有着合适的水通道和优异的光热性能，具有良好的太阳能水蒸发性能。

Description

太阳能界面蒸发器及其应用
技术领域
本发明涉及太阳能蒸发材料，尤其涉及一种太阳能界面蒸发器及其应用。
背景技术
能源问题与水资源问题是世界两大重要难题。在水资源方面，地球上淡水资源本就很少，淡水资源只占地球水总量的3％，其中的2/3还是冰川、深层地下水之类的人类无法利用的淡水。本就不多的淡水资源，在现代工业不断扩张，城市化不断发展的影响下又受到了很多污染，导致淡水资源日益紧张。海水淡化是获取淡水资源的方法之一，传统的海水淡化方法需要消耗大量能源。
而在能源方面，化石燃料日益耗尽，人类需要将目光转向可再生能源，其中，太阳能取之不尽，用之不竭。利用太阳能淡化海水，可以兼顾解决这两个难题，利用太阳能将海水，污水等无法利用的水转变为淡水，丰富了水资源的来源渠道。并且，太阳能水蒸发的水蒸气也可以用于蒸汽发电，能直接减少其他能源的消耗。因此，利用太阳能进行水蒸发在海水淡化，污水净化，杀菌，蒸汽发电等领域都有广阔的应用前景。
目前大多数太阳能界面蒸发器的光吸收层中所使用的光热转化材料都采用具有等离子体效应的金属纳米粒子、半导体材料、碳基材料等。金属纳米粒子如金、铝、铟纳米粒子，在太阳照射下，将进行表面等离子体共振，在入射光诱导电场的作用下生成自由移动电子。电子集体激发从而吸收太阳能，随后将光能转换为热能。半导体材料吸收太阳辐射时会产生电子-空穴对，而这些电子和空穴在非辐射弛豫过程中能产生大量的热。碳基材料如石墨烯，氧化石墨烯等材料，其本身对太阳光具有高的吸收率，是良好的光热材料。
上述这些材料都是良好的太阳能蒸发器的吸收材料，近年来太阳能蒸发器发展很多依赖于这些材料的不断延伸与发展。但是也不可避免存在一些缺陷，如具有等离子体效应的金属纳米粒子、半导体材料不仅成本高，且制作工艺复杂。白炳林(基于碳复合材料光热转换太阳能蒸汽海水淡化实验研究，内蒙古工业大学，2020)设计了一种用于太阳能界面蒸发的新型青砖-石墨烯3D倒圆锥结构，发现青砖-石墨烯蒸发器具有导热系数低，供水能力强，光吸收性能高的特点，通过对不同浓度石墨烯层的测试结果得出9.6mg/mL石墨烯浓度的光热转换层是最合适的高效光吸收器。但石墨烯等碳基材料大都由人工合成制得，并非取自自然。它们在自然环境中难以降解，对环境造成了不良的影响。昂贵的造价和低的环境适应性使得这些材料无法大规模广范围的应用，对于当今时代需要处理的水资源问题与能源问题的处理能力较低。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种太阳能界面蒸发器，本发明采用多层设计，优化了隔热性能和输水性能，同时光热转换材料为微藻碳基材料，从自然取材，便于降解，得到一种对环境友好、高效、低碳的海水淡化方式。
本发明的一种太阳能界面蒸发器，包括隔热基底，隔热基底上均布有多个通孔，通孔内穿设有输水结构，隔热基底的一侧表面依次设有第一PVDF层、光吸收层及第二PVDF层，光吸收层的材质包括微藻生物碳材料和PVDF，第一PVDF层涂覆在隔热基底上，第二PVDF层处于隔热基底与光吸收层之间。太阳光蒸发器简易原理示意图如图1所示。
本发明的太阳能界面蒸发器，光吸收层吸收光，将光能转化为热能；输水结构将水导向光吸收层；第一PVDF层减少光吸收层向空气的热散失，提高热效率；第二PVDF层处于基底与光吸收层之间，起促进输水与加强隔热的作用；光吸收层中PVDF粘结微藻生物炭，使得生物炭均匀的分布在光吸收层中，微藻生物炭具有的多孔结构使得水蒸气和水分可以快速地在光吸收层内运输，保证了光吸收层的蒸发速率。
进一步地，第一PVDF层、光吸收层及第二PVDF层的厚度比为0.9-1.1:1.8-2.2:0.9-1.1。
进一步地，光吸收层中，微藻生物碳材料和PVDF的质量比为4.5-5.5:0.95-1.05。
进一步地，通孔的孔径为6.5-7.5mm，通孔呈内外两圈分布且内圈通孔与外圈通孔不位于同一半径方向上，内圈通孔中心距基底中心11.5-12.5mm，外圈通孔中心距基底中心24.5-25.5mm，隔热基底上的孔密度为0.16-0.165。优选地，隔热基底上通孔的排布如图2所示。
“孔密度”指的是所有通孔的总面积/隔热基底的面积。
进一步地，输水结构包括吸水纤维棉、吸水海绵、吸水棉布中的一种或几种。
进一步地，微藻生物碳材料由以下步骤制备得到：在保护气氛下，将微藻渣与造孔剂混合后于300-500℃下反应，得到微藻生物碳材料；其中，微藻渣与造孔剂的质量比为1:4-10。微藻碳化过程中添加造孔剂的目的是活化扩孔，从而提高微藻生物碳的孔隙率，改善光热转换性能。
进一步地，造孔剂包括NaCl、CuCl2和KOH中的一种或几种。
进一步地，反应时间为2-3h。
进一步地，微藻生物碳材料制备过程中，反应完成后，还包括研磨的步骤。
进一步地，微藻渣的制备步骤包括将干燥的微藻与萃取剂混合后在50-70℃下处理，处理完毕后，提取出藻细胞中的脂质并分离出微藻渣。
进一步地，萃取剂为甲醇和氯仿，二者体积比为2:1。
进一步地，微藻渣制备过程中，处理完毕后，还包括冷却后用去离子水反复冲洗后并烘干的步骤。
本发明不使用制作复杂、造价昂贵的石墨烯等材料，而是选用微藻作为碳材料的原料。微藻具有含油量高、生长速度快、不占用耕地、减排二氧化碳等独特优点，其转化太阳能为生物质能的量子效率高达2-10％，是普通陆生植物的20-100倍，每天生物质的增长量可达到1-3倍。另，微藻生物质具有高附加值，可提取油脂用于生产生物柴油等，提取油脂以后的藻渣往往被遗弃，而其仍含有大量的蛋白质等有机物。利用微藻提油残渣生物质制备海水淡化的光热转化材料，有效解决了造价昂贵，制作复杂等问题，并且可以较大规模使用。
进一步地，水分吸热蒸发后，在蒸发器上方用收集器收集冷凝水，得到淡水。
进一步地，隔热基底的材质为绝热聚合物，如聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫等可在水面自浮的材料。隔热基底可以防止光热转换材料转化的热量向其另一侧的水体传递，有效提高光吸收层温度，提高能量利用效率。同时通孔及通孔内的输水结构提供良好的输水通道，提高水分向光热转换层的传输速率。
本发明还要求保护上述太阳能界面蒸发器在海水淡化中的应用。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
(1)本发明的太阳能界面蒸发器具有良好的太阳能蒸发性能，在紫外和可见光区域内的光吸收率近95％，在近红外光区域内的吸收率超过90％，总的光吸收率达到90.8-91.1％。当太阳光照强度为1kW/m 2时，太阳能水蒸发效率达到81-83％。
(2)本发明的隔热基底一侧表面具有很多大量极性亲水性基团如OH、CN、C＝O、C-O等，这些亲水基团使得蒸发器具有很好的润亲水特性，有助于水分的输送，促进水的蒸发。
(3)本发明微藻碳化后的材料保留了微藻多孔的特性，对材料进行微观形貌分析发现，它的比表面积和孔隙率很高，且具有良好的水通道供水分与水蒸气流通。微藻生物碳材料的比表面积很大，为水蒸气的汽化以及光的捕捉提供了良好的条件。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。
附图说明
图1为太阳光蒸发器简易原理示意图；
图2为本发明隔热基底的结构示意图；
图3为实施例1制备的微藻生物碳材料的表面形貌图；
图4为实施例1制备的微藻生物碳材料的拉曼光谱图；
图5为实施例1制备的微藻生物碳材料的XRD图；
图6为自然微藻与实施例1制备的微藻生物碳材料的FTIR对比图；
图7为自然微藻与实施例1制备的微藻生物碳材料的XPS对比图；
图8为自然微藻与实施例1制备的微藻生物碳材料的吸收光谱对比图；
图9为对比例的隔热基底的孔径分布示意图；
图10为三种孔洞分布的基底吸水性能比较图；
图11为实施例1制备的蒸发器所在系统与纯海水系统的水质量变化图；
图12为实施例1制备的蒸发器与纯海水的蒸发速率比较图。
附图标记说明：
1-隔热基底；2-通孔。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1：
将500g干燥的微藻(Nannochloropsis sp.)与1.5L甲醇-氯仿(v/v＝2/1)的混合物混合在2L圆烧瓶中，并在60℃下反应2h。将混合物经真空过滤获得微藻细胞(LEA)，将LEA和造孔剂KOH以1：5的质量比放入管式炉，以2℃/min的升温速率在400℃的氮气流下加热2.5h，制备出微藻生物碳材料。
然后将微藻生物碳材料经研钵和杵研磨得到粉末。配置4％的PVDF溶液(溶于DMF)，将1g微藻生物碳材料与5mL PVDF溶液充分混合，得到微藻生物碳与PVDF混合物。以聚苯乙烯泡沫作为隔热基底1，在2.5厘米厚的聚苯乙烯泡沫上按如图2所示规则设置通孔2，通孔2中填充吸水纤维棉。在隔热基底1上覆一层PVDF膜，然后在PVDF膜上层涂抹一层微藻生物碳与PVDF混合物，放入50℃烘箱中干燥3h，形成光吸收层。烘干完成后继续在光吸收层的上层涂抹一层PVDF溶液，再放入烘箱干燥3h。最后将制得的成品用去离子水和乙醇清洗干净，得到界面蒸发器。
将界面蒸发器放在海水表面置于不同波长光照下进行海水蒸发，得到的界面蒸发器在紫外光和可见光区域的最低吸收率为94％，在近红外光区域的最低吸收率为91％。当太阳光照强度为1kW/m 2时，该材料的太阳能水蒸发效率达到81％。以海水为原水进行太阳能水蒸发收集到的淡水达到国家饮用水标准。
此外，以甲基橙溶液和罗丹明B溶液模拟染料废水为原水进行太阳能水蒸发，所收集到的淡水同样可达到国家饮用水标准。
对上述制备的微藻生物碳材料进行微观形貌分析，其表面形貌图、拉曼光谱图与XRD图如图3、4和5所示，自然微藻与碳化微藻对比的FTIR图、XPS分析图和吸收光谱图如图6、7和8所示。
图3显示出了碳化微藻多孔的表面与结构。图4和图5体现了实施例1制备的微藻生物碳材料的石墨化程度，可见由于微藻本身的结构和氯仿的破壁等多种原因，其石墨化程度低、结构无序。
微藻中亲水基团的存在由图6与图7所示。如图6，结合二者的红外光谱，炭化后的微拟球藻保留了自然微藻中含有的大量亲水基团，C-O、C＝O、N-O/N-H的信号分别记录在1049、1631和3433cm-1处。图7中XPS分析的结果也印证了这一点：碳化后的微藻生物炭保留了自然微藻中的部分亲水基团，这些亲水基团有利于水分的传输与分散，水分充满碳材料间的孔隙中，充分吸收碳材料吸收光产生的热能，有利于水蒸气的产生。
图8为微藻的吸收光谱图，将自然的微拟球藻与微拟球藻生物炭粉末的吸收光谱进行对比发现，经过炭化后的微拟球藻，在400nm-2200nm的波长段具有更高、更稳定的光吸收率。对于AM1.5G的标准太阳光，炭化后的微拟球藻的有效光吸收率约为94.1％，远高于自然微拟球藻的48.7％。
实施例2：
将500g干燥的微藻(Nannochloropsis sp.)与1.5L甲醇-氯仿(v/v＝2/1)的混合物混合在2L圆烧瓶中，并在70℃下反应1.5h。将混合物经真空过滤获得微藻细胞(LEA)，将LEA和造孔剂CuCl2以1：10的质量比放入管式炉中放入管式炉中，以3℃/min的升温速率在500℃的氮气流下加热2h，制备出微藻生物碳材料。
然后将微藻生物碳材料经研钵和杵研磨得到粉末。配置3％的PVDF溶液(溶于DMF)，将1g微藻生物碳材料与5mL PVDF溶液充分混合，得到微藻生物碳与PVDF混合物。以聚苯乙烯泡沫作为隔热基底1，在2.5厘米厚的聚苯乙烯泡沫上按如图2所示规则设置通孔2，通孔2中填充吸水纤维棉。在隔热基底1上覆一层PVDF膜，然后在PVDF膜上层涂抹一层微藻生物碳与PVDF混合物，放入60℃烘箱中干燥2.5h，形成光吸收层。烘干完成后继续在光吸收层的上层涂抹一层PVDF溶液，再放入烘箱干燥2.5h。最后将制得的成品用去离子水和乙醇清洗干净，得到界面蒸发器。
将界面蒸发器放在海水表面置于不同波长光照下进行海水蒸发，得到的界面蒸发器在紫外光和可见光区域的最低吸收率为94.4％，在近红外光区域的最低吸收率为91.1％。当太阳光照强度为1kW/m 2时，该材料的太阳能水蒸发效率达到83％。以海水为原水进行太阳能水蒸发收集到的淡水达到国家饮用水标准。
此外，以甲基橙溶液和罗丹明B溶液模拟染料废水为原水进行太阳能水蒸发，所收集到的淡水同样可达到国家饮用水标准。
实施例3：
将500g干燥的微藻(Nannochloropsis sp.)与1.5L甲醇-氯仿(v/v＝2/1)的混合物混合在2L圆烧瓶中，并在50℃下反应2.5h。将混合物经真空过滤获得微藻细胞(LEA)，将LEA和造孔剂NaCl以1：4的质量比放入管式炉中放入管式炉中，1.5℃/min的升温速率在300℃的氮气流下加热3h，制备出微藻生物碳材料。
然后将微藻生物碳材料经研钵和杵研磨得到粉末。配置5％的PVDF溶液(溶于DMF)，将1g微藻生物碳材料与5mL PVDF溶液充分混合，得到微藻生物碳与PVDF混合物。以聚苯乙烯泡沫作为隔热基底1，在2.5厘米厚的聚苯乙烯泡沫上按如图2所示规则设置通孔2，通孔2中填充吸水纤维棉。在隔热基底1上覆一层PVDF膜，然后在PVDF膜上层涂抹一层微藻生物碳与PVDF混合物，放入40℃烘箱中干燥3.5h，形成光吸收层。烘干完成后继续在光吸收层的上层涂抹一层PVDF溶液，再放入烘箱干燥3.5h。最后将制得的成品用去离子水和乙醇清洗干净，得到界面蒸发器。
将界面蒸发器放在海水表面置于不同波长光照下进行海水蒸发，得到的界面蒸发器在紫外光和可见光区域的最低吸收率为94.1％，在近红外光区域的最低吸收率为90.8％。当太阳光照强度为1kW/m 2时，该材料的太阳能水蒸发效率达到82％。以海水为原水进行太阳能水蒸发收集到的淡水达到国家饮用水标准。
此外，以甲基橙溶液和罗丹明B溶液模拟染料废水为原水进行太阳能水蒸发，所收集到的淡水同样可达到国家饮用水标准。
对比例
对如图9所示的三种通孔分布不同的基底进行了供水能力的实验，A、B对照，C为本发明提供的基底，分别吸收用蓝色墨水染色的水，比较相同时间内水柱的高度结果如图10所示。
由图10可见，本发明基底的水柱高度在相同时间下，上升速率最快，上升高度最高，吸水性能最好。
由图11可见，实施例1制备的KOH活化后的微藻生物炭蒸发器所在的系统水质量下降速率远大于海水；由图12可见，KOH活化后的微藻生物炭蒸发器在一个太阳下的蒸发速率为1.165kg m-2h-1，纯海水在一个太阳下的蒸发速率为0.395kg m-2h-1，本发明将海水蒸发的速率提高了约195％，体现出了微藻生物炭在界面蒸发领域良好的应用前景。
以上仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种太阳能界面蒸发器，其特征在于：包括隔热基底，所述隔热基底上均布有多个通孔，所述通孔内穿设有输水结构，所述隔热基底的一侧表面依次设有第一PVDF层、光吸收层及第二PVDF层，所述光吸收层的材质包括微藻生物碳材料和PVDF；所述太阳能界面蒸发器由以下步骤制备得到：在隔热基底上覆一层PVDF膜；然后在PVDF膜上层涂抹一层微藻生物碳材料与PVDF的混合物，干燥，形成光吸收层；继续在光吸收层的上层涂抹一层PVDF溶液，干燥，得到所述太阳能界面蒸发器；
所述微藻生物碳材料由以下步骤制备得到：在保护气氛下，将微藻渣与造孔剂混合后于300-500℃下反应，得到所述微藻生物碳材料；其中，所述微藻渣与造孔剂的质量比为1:4-10；所述微藻渣的制备步骤包括将干燥的微藻与萃取剂混合后在50-70℃下处理，处理完毕后，提取出藻细胞中的脂质并分离出所述微藻渣；所述造孔剂为KOH。
2.根据权利要求1所述的太阳能界面蒸发器，其特征在于：所述第一PVDF层、光吸收层及第二PVDF层的厚度比为0.9-1.1:1.8-2.2:0.9-1.1。
3.根据权利要求1所述的太阳能界面蒸发器，其特征在于：所述光吸收层中，微藻生物碳材料和PVDF的质量比为4.5-5.5:0.95-1.05。
4.根据权利要求1所述的太阳能界面蒸发器，其特征在于：所述通孔的孔径为6.5-7.5mm，所述通孔呈内外两圈分布且内圈通孔与外圈通孔不位于同一半径方向上，内圈通孔中心距基底中心11.5-12.5mm，外圈通孔中心距基底中心24.5-25.5mm，所述隔热基底上的孔密度为0.16-0.165。
5.根据权利要求1所述的太阳能界面蒸发器，其特征在于：所述输水结构包括吸水纤维棉、吸水海绵和吸水棉布中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的太阳能界面蒸发器，其特征在于：反应时间为2-3h。
7.一种权利要求1所述的太阳能界面蒸发器在海水淡化中的应用。
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