CN114506892A - 一种光热界面蒸发器及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光热界面蒸发器及其制备方法和应用。所述光热界面蒸发器，包括：基座，所述基座为亲水性基座，具有承载面，所述承载面为呈阵列分布的多个尖状凸起的上表面；和光热膜，位于承载面之上。本发明通过呈阵列分布的多个尖状凸起控制承载面的总面积，可以大幅缩小基座与光热膜之间的接触面积，有效降低从光热膜到基座之间的热传导，构成具有低热耗散、高热聚积的光热界面蒸发器。相比于常规蒸发器，该光热界面蒸发器有效抑制了热耗散，改善了热聚积，提高了光热界面蒸发体系的蒸发速率和能量效率，可以将蒸发速率提高10‑100％。
Description
技术领域
本发明属于材料领域，涉及一种光热界面蒸发器及其制备方法和应用。
背景技术
水资源危机和水污染问题是当代社会面临的重大问题。目前已经开发了一系列的生产干净淡水的方法，如多级闪蒸海水淡化、反渗透工艺和纳滤技术等。提高干净淡水生产的能效，降低能耗，是全球关注的前沿课题。
太阳能是来源最广泛、可持续性最强的可再生能源，具有易获取、储量丰富、无污染等优点。近些年来，利用太阳能驱动的光热界面蒸发技术可以从海水、盐水、苦咸水、污染水中生产干净淡水，成为最受关注的生产净水方式、水处理新技术之一。
太阳能驱动的光热界面蒸发系统通常由两种部分组成：一个用于传输水的亲水性材料和一个具有强吸光能力的光热材料。现有技术中常见的可用于传输水的亲水性材料主要包括木材、亲水性多孔材料、棉花、无机泡沫(或气凝胶)、高分子泡沫等多孔亲水性材料。最常用的光热材料主要包括碳基多孔材料、金属基材料、无机半导体材料、高分子聚合物材料等。两者的结合，使水分子可以顺着基座被传输到光热材料上，水分子受到光热材料因为光热转化而产生的高温，形成界面蒸发。两种材料可以是两种不同的材料，有时也可以由一种材料同时承担两者的角色。
提高光热界面蒸发系统能效的主要原理是：减少热量耗散，尽量将光热转化得到的热量积聚在光热材料表面用于水的蒸发。然而，由于物质固有的热扩散、热辐射等行为，光热材料转化得到的热量会不可避免地耗散到周围环境和材料中。水广泛分布于光热界面蒸发系统中，水的导热系数高达0.6 W/mK，因此很大一部分热量会通过热扩散的方式从光热材料传向润湿的亲水材料和水体，不能被界面蒸发有效利用。这种热损耗对于追求高蒸发速率和高蒸发效率的光热界面蒸发系统是不可忽视的。因此，如何充分地抑制这种热耗散，提高热界面蒸发速率和效率，成为一个技术难点。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种光热界面蒸发器、制备方法及其用途，所述光热界面蒸发器具有高的光热界面蒸发效率，可以高效率实现光热界面蒸发。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
一种光热界面蒸发器，包括：
基座，所述基座为亲水性基座，具有承载面，所述承载面为呈阵列分布的多个尖状凸起的上表面；和
光热膜，位于承载面之上。
上述光热界面蒸发器在一种可实施的方案中，所述基座为亲水性多孔材料。
上述光热界面蒸发器在一种可实施的方案中，所述亲水性多孔材料的类型包括亲水性的泡沫、海绵、气凝胶或生物质材料中的一种或者至少两种的组合。
上述光热界面蒸发器在一种可实施的方案中，所述亲水性多孔材料的材质包括亲水性无机多孔材料、亲水性有机多孔材料、亲水性高分子多孔材料、亲水性生物多孔材料或它们的复合多孔材料。
上述光热界面蒸发器在一种可实施的方案中，所述亲水性多孔材料选自三聚氰胺泡沫、聚氨酯泡沫、酚醛树脂泡沫、聚乙二醇泡沫、聚乙烯醇泡沫、聚氧化乙烯泡沫、聚马来酸泡沫、二烯丙基季铵盐聚合物泡沫、聚丙烯酰胺泡沫、植物胶泡沫、聚乙烯吡咯烷酮泡沫、聚天冬氨酸泡沫、聚环氧琥珀酸泡沫、纤维素醚泡沫、甲壳质泡沫、黄原胶泡沫、淀粉泡沫、粘土泡沫、纤维素泡沫、纳米纤维素泡沫、木质素泡沫、软木、疏松轻质木材、硅酸盐泡沫、硫酸盐泡沫、碳酸盐泡沫、酸化碳纤维泡沫、羧基化碳纤维泡沫、羟基化碳纤维泡沫、软木、三聚氰胺海绵、聚氨酯海绵、聚乙二醇海绵、聚乙烯醇海绵、聚氧化乙烯海绵、聚马来酸海绵、二烯丙基季铵盐聚合物海绵、聚丙烯酰胺海绵、植物胶海绵、聚乙烯吡咯烷酮海绵、聚天冬氨酸海绵、聚环氧琥珀酸海绵、纤维素醚海绵、甲壳质海绵、黄原胶海绵、淀粉海绵、纤维素海绵、纳米纤维素海绵、木质素海绵、石墨烯气凝胶、氧化石墨烯基气凝胶、二氧化硅气凝胶等碳、羧基化碳纳米管气凝胶或羟基化碳纳米管气凝胶中的至少一种。
本发明所述光热界面蒸发器可以根据不同条件做成任意呈阵列的尖状凸起。上述光热界面蒸发器在一种可实施的方案中，所述呈阵列的尖状凸起的横截面为圆形、n边形、椭圆形或不规则异形面，所述n边形中，n为大于3 的整数，例如：3、4、5、6、7、8、9、10或15、100或1000等。
可选地，所述n边形包括三角形、四边形、五边形、六边形、七边形、八边形或九边形。
示例性的尖状凸起的形状例如为：棱锥、圆锥、圆柱、不规则异形体、三棱柱或横截面不规则的长方体等。
所述尖状凸起可以根据不同条件例如使用条件等做成任意大小和数量，其数量为多个，即，大于1个。
上述光热界面蒸发器在一种可实施的方案中，所述尖状凸起沿垂直于所述承载面方向的尺寸(即凸出的高度)为0.5～5cm。优选地，所述尺寸为1～3cm。
示例性的可以通过切割、切削或3D打印等方法在基座上制备呈阵列的尖状凸起。
上述光热界面蒸发器在一种可实施的方案中，所述光热膜包括碳基材料、半导体材料、金属基材料和有机聚合物材料构成的具有光热转化能力的膜材料。
上述光热界面蒸发器在一种可实施的方案中，所述碳基材料选自氧化石墨烯、碳石墨烯、碳纤维、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨、炭黑、煤炭、人工石墨、膨胀石墨、活性炭、无定形碳、碳灰、生物质碳、木炭等中的至少一种。
上述光热界面蒸发器在一种可实施的方案中，金属基材料选自金属材质的纳米线、金属材质的纳米片、金属材质的纳米颗粒、金属材质的微米粉末或MXene中的至少一种。
上述光热界面蒸发器在一种可实施的方案中，所述半导体材料选自碳化硅、氮化硅、氮化钛或二氧化钛中的至少一种。
上述光热界面蒸发器在一种可实施的方案中，所述有机聚合物材料选自聚苯胺或聚吡咯中的至少一种。
所述原材料应通过一定的工艺制备出如上所述的光热界面蒸发器。工艺种类不做限制。典型但非限制性的光热界面蒸发器的制备方法包括：
在基座的承载面上形成呈阵列的尖状凸起；和
将光热膜放置于承载面上。
本发明还提供了一种光热界面蒸发系统，包括如上所述的光热界面蒸发器。
本发明还提供了一种如上所述的光热界面蒸发器或光热界面蒸发系统在制取干净水、太阳能蒸发海水淡化、光热集水、污水纯化、废水处理或液体分离等领域中的应用。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明中，基座的承载面上设置多个呈阵列分布的尖状凸起，顶部放置光热膜。其中，基座和呈阵列的尖状凸起提供水输运的能力，光热膜提供光热转化和热界面蒸发的能力，尖状凸起阵列提供低热耗散、高热聚积能力。由于从光热膜向基座的热耗散主要通过热传导的方式进行，传导速率和通量主要取决于光热膜和基座之间的接触面积。本发明的核心创新是：通过控制尖状凸起的数量和顶部面积，大幅缩小了基座与光热膜之间的接触面积，有效降低了从光热膜到基座之间的热传导，降低了热耗散，构成具有低热耗散、高热聚积的光热界面蒸发器。该光热界面蒸发器抑制了热耗散，改善了热聚积，有效提高了光热界面蒸发体系的蒸发速率和能量效率。相比于常规蒸发器，可以将蒸发速率提高10-100％。
此外，本发明首次提出通过尖状凸起阵列实现有效抑制界面热耗散，并同时保留足够高的水输运通量，使热通量与水通量达到良好的匹配，有效提高光热界面蒸发器的蒸发速率。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定。在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
图1是本发明实施例1中制备的三聚氰胺泡沫棱锥凸起阵列的数码照片。
图2是本发明实施例1中制备的光热膜的数码照片。
图3是本发明实施例1中制备的光热界面蒸发器的数码照片。
图4是本发明实施例1中描述的使用三聚氰胺泡沫棱锥凸起阵列的光热界面蒸发体系在1kw/m2的模拟太阳光光照下照射60min的红外照射照片。
图5是本发明实施例1中描述的使用三聚氰胺泡沫的常规光热界面蒸发体系在1kw/m2的模拟太阳光光照下照射60min的红外照射照片。
图6是本发明实施例2中制备的聚乙烯醇泡沫三角条凸起阵列的数码照片。
图7是本发明实施例3中制备的聚氨酯海绵异形凸起阵列的数码照片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的组成部分，而并未排除其它其它组成部分。
另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实施例中，对于本领域技术人员熟知的原料、方法、手段等未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
以下各实施例中所用原料均为市售产品。
实施例1
将一块长方体三聚氰胺泡沫(5cm×5cm×3cm)的上表面切割成棱锥凸起阵列，棱锥凸起个数为5×5(图1)，棱锥高度约1.5cm。图1是本发明实施例1中制备的具有棱锥凸起阵列的三聚氰胺泡沫基座的数码照片。
将50g浓度为1wt％的氧化石墨烯水分散液，2.5g碳纤维，32.5g去离子水混合均匀，高速剪切混合10min，铺在PET基膜上晾干，制得光热膜。图 2是本发明实施例1中制备的晾干后的光热膜的数码照片。
将三聚氰胺泡沫棱锥凸起阵列吸满水，把光热膜裁成合适尺寸，表面用水润湿，然后将光热膜放置在阵列上，轻压使两者贴合紧密，组成光热界面蒸发器。图3是本发明实施例1中制备的光热界面蒸发器的数码照片。
将上述光热界面蒸发器浸泡在水中，即可进行光热界面蒸发。图4是本发明实施例1中描述的光热界面蒸发体系在1kw/m2的模拟太阳光光照下照射 60min的红外照射照片。从图4可以看出，使用实施例1的光热界面蒸发器后蒸发器的侧面温度仅为21.3℃，与环境温度(22±0.5℃)基本相同，说明光热界面蒸发器上的热量很少被传递到三聚氰胺泡沫棱锥凸起阵，具有良好的抑制热耗散的效果。此时测得的蒸发速率为3.2kg·m-2·h-1。
将同样的光热膜放在未裁切的长方体三聚氰胺泡沫(5cm×5cm×3cm) 上，组成常规的光热界面蒸发器，图5是本发明实施例1中描述的常规光热界面蒸发器在1kw/m2的模拟太阳光(1个太阳辐照强度)光照下照射60min 的红外照射照片。此时测得的蒸发速率为1.7kg·m-2·h-1。从图5可以看出，蒸发器侧面温度为26.6℃，明显高于环境温度和图4中测得的温度，说明光热界面蒸发器上的热量有较多被传递到三聚氰胺泡沫上，有较多热量被耗散，不能用于界面蒸发。
通过图4和图5的三聚氰胺泡沫温度对比，可以直观地证明，采用本发明实施例1的棱锥凸起阵列之后，可以有效抑制热耗散。通过两种光膜界面蒸发体系的蒸发速率的对比，可以证明，采用本发明实施例1的棱锥凸起阵列之后，可以有效提高光热界面蒸发的速率和效率。
实施例2
将一块长方体聚乙烯醇泡沫的上表面切割成三角条凸起阵列，泡沫尺寸为5cm×4cm×2cm，凸起的高度约1cm。图6是本发明实施例2中制备的聚乙烯醇泡沫三角条凸起阵列的数码照片。
将30g浓度为2wt％的铜纳米线水分散液和10g浓度为2％的聚苯胺水分散液通过高速剪切混合均匀，然后铺在PTFE膜上晾干，制得光热膜。
将聚乙烯醇泡沫三角条凸起阵列吸满水，把光热膜裁成合适尺寸，表面用水润湿，然后将光热膜放置在阵列上，轻压使两者贴合紧密，组成光热界面蒸发器。以纯水为蒸发对象，在1kw/m2的模拟太阳光光照下测试光热界面蒸发性能，测得蒸发速率为2.8kg·m-2·h-1。与此对比，当采用没有切割为凸起阵列的平整的聚乙烯醇泡沫作为亲水性基座时，使用同样的光热界面蒸发器和相同的测试条件，蒸发速率为1.6kg·m-2·h-1。
实施例3
将一块长方体聚氨酯海绵的上表面切割成异形凸起阵列，泡沫尺寸为6cm ×5cm×3cm，凸起的高度约1.5cm。图7是本发明实施例3中制备的聚氨酯海绵异形凸起阵列的数码照片。
将5g炭黑和20g浓度为1％的聚吡咯分散液通过高速剪切混合均匀，然后铺在聚丙烯膜上晾干，制得光热膜。
将聚氨酯海绵异形凸起阵列吸满水，把光热膜裁成合适尺寸，表面用水润湿，然后将光热膜放置在阵列上，轻压使两者贴合紧密，组成光热界面蒸发器。以海水为蒸发对象，在1kw/m2的模拟太阳光光照下测试光热界面蒸发性能，测得蒸发速率为2.5kg·m-2·h-1。与此对比，当采用没有切割为凸起阵列的平整的聚氨酯海绵作为亲水性基座时，使用同样的光热界面蒸发器和相同的测试条件，蒸发速率为1.8kg·m-2·h-1。
实施例4
将一块长方体轻质软木的上表面切割成圆台形凸起阵列，软木尺寸为 20cm×20cm×5cm，圆台形凸起的高度约2cm。
将20g浓度为10wt％的细煤粉100g浓度为2％的氧化石墨烯分散液通过高速剪切混合均匀，然后铺在PET膜上晾干，制得光热膜。
将轻质软木圆台形凸起阵列在水中浸泡，使之内部充分吸水，把光热膜裁成合适尺寸，表面用水润湿，然后将光热膜放置在阵列上，轻压使两者贴合紧密，组成光热界面蒸发器。以含盐量为2％的模拟盐湖卤水为蒸发对象，在1kw/m2的模拟太阳光光照下测试光热界面蒸发性能，测得蒸发速率为1.7 kg·m-2·h-1。与此对比，当采用没有切割为凸起阵列的平整的轻质软木作为亲水性基座时，使用同样的光热界面蒸发器和相同的测试条件，蒸发速率为1.2 kg·m-2·h-1。
实施例5
将一块长方体三聚氰胺泡沫的上表面切割成圆柱形凸起阵列，三聚氰胺泡沫的尺寸为10cm×10cm×5cm，圆柱形凸起的高度约2cm。
将5g细煤粉，5g碳化硅纤维，100g浓度为2％的氧化石墨烯分散液通过高速剪切混合均匀，然后铺在PET膜上晾干，制得光热膜。
将三聚氰胺泡沫圆柱形凸起阵列吸满水，把光热膜裁成合适尺寸，表面用水润湿，然后将光热膜放置在阵列上，轻压使两者贴合紧密，组成光热界面蒸发器。以垃圾渗滤液为蒸发对象，在1kw/m2的模拟太阳光光照下测试光热界面蒸发性能，测得蒸发速率为2.5kg·m-2·h-1。与此对比，当采用没有切割为凸起阵列的平整的三聚氰胺作为亲水性基座时，使用同样的光热界面蒸发器和相同的测试条件，蒸发速率为1.4kg·m-2·h-1。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (10)
1.一种光热界面蒸发器，其特征在于，包括：
基座，所述基座为亲水性基座，具有承载面，所述承载面为呈阵列分布的多个尖状凸起的上表面；和
光热膜，位于承载面之上。
2.如权利要求1所述的光热界面蒸发器，其特征在于，所述基座为亲水性多孔材料；
可选地，所述亲水性多孔材料的类型包括亲水性的泡沫、海绵、气凝胶或生物质材料中的一种或者至少两种的组合。
3.如权利要求2所述的光热界面蒸发器，其特征在于，所述亲水性多孔材料的材质包括亲水性无机多孔材料、亲水性有机多孔材料、亲水性高分子多孔材料、亲水性生物多孔材料或它们的复合多孔材料。
4.如权利要求2或3所述的光热界面蒸发器，其特征在于，所述亲水性多孔材料选自三聚氰胺泡沫、聚氨酯泡沫、酚醛树脂泡沫、聚乙二醇泡沫、聚乙烯醇泡沫、聚氧化乙烯泡沫、聚马来酸泡沫、二烯丙基季铵盐聚合物泡沫、聚丙烯酰胺泡沫、植物胶泡沫、聚乙烯吡咯烷酮泡沫、聚天冬氨酸泡沫、聚环氧琥珀酸泡沫、纤维素醚泡沫、甲壳质泡沫、黄原胶泡沫、淀粉泡沫、粘土泡沫、纤维素泡沫、纳米纤维素泡沫、木质素泡沫、软木、疏松轻质木材、硅酸盐泡沫、硫酸盐泡沫、碳酸盐泡沫、酸化碳纤维泡沫、羧基化碳纤维泡沫、羟基化碳纤维泡沫、软木、三聚氰胺海绵、聚氨酯海绵、聚乙二醇海绵、聚乙烯醇海绵、聚氧化乙烯海绵、聚马来酸海绵、二烯丙基季铵盐聚合物海绵、聚丙烯酰胺海绵、植物胶海绵、聚乙烯吡咯烷酮海绵、聚天冬氨酸海绵、聚环氧琥珀酸海绵、纤维素醚海绵、甲壳质海绵、黄原胶海绵、淀粉海绵、纤维素海绵、纳米纤维素海绵、木质素海绵、石墨烯气凝胶、氧化石墨烯基气凝胶、二氧化硅气凝胶等碳、羧基化碳纳米管气凝胶或羟基化碳纳米管气凝胶中的至少一种。
5.如权利要求1所述的光热界面蒸发器，其特征在于，所述呈阵列的尖状凸起的横截面为圆形、n边形、椭圆形或不规则异形面；
所述n边形中，n为大于3的整数；
可选地，所述n边形包括包括三角形、四边形、五边形、六边形、七边形、八边形或九边形。
6.如权利要求1所述的光热界面蒸发器，其特征在于，所述尖状凸起沿垂直于所述承载面方向的尺寸，即凸出的高度，为0.5～5cm；优选地，所述尺寸为1～3cm。
7.如权利要求1所述的光热界面蒸发器，其特征在于，所述光热膜包括碳基材料、半导体材料、金属基材料或有机聚合物材料构成的具有光热转化能力的膜材料。
8.如权利要求7所述的光热界面蒸发器，其特征在于，所述碳基材料选自氧化石墨烯、碳石墨烯、碳纤维、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨、炭黑、煤炭、人工石墨、膨胀石墨、活性炭、无定形碳、碳灰、生物质碳、木炭等中的至少一种；
可选地，金属基材料选自金属材质的纳米线、金属材质的纳米片、金属材质的纳米颗粒、金属材质的微米粉末或MXene中的至少一种；
可选地，所述半导体材料选自碳化硅、氮化硅、氮化钛或二氧化钛中的至少一种；
可选地，所述有机聚合物材料选自聚苯胺或聚吡咯中的至少一种。
9.一种光热界面蒸发系统，包括如权利要求1-8任一项所述的光热界面蒸发器。
10.一种如权利要求1-8任一项所述的光热界面蒸发器或权利要求9所述的光热界面蒸发系统在制取干净水、太阳能蒸发海水淡化、光热集水、污水纯化、废水处理或液体分离等领域中的应用。
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