CN114644375A - 一种滴灌式聚氨酯海绵海水蒸发结构及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种滴灌式聚氨酯海绵海水蒸发结构及其应用，涉及海水淡化技术领域。本发明所述的滴灌式聚氨酯海绵海水蒸发结构，包括双层蒸发结构和滴灌式加水管；所述双层蒸发结构包括亲水性光热层和疏水性隔热层；所述滴灌式加水管设置于所述亲水性光热层上方；所述双层蒸发结构的材料为聚氨酯海绵，其一侧利用改性的光热亲水材料进行改性得到所述亲水性光热层；未改性的一侧为疏水性隔热层。本发明所述的滴灌式聚氨酯海绵海水蒸发结构的制备，工艺简单、成本低廉、利用浸泡、涂敷工艺即可实现，适于规模化生产。

Description

一种滴灌式聚氨酯海绵海水蒸发结构及其应用
技术领域
本发明涉及海水淡化技术领域，尤其涉及一种滴灌式聚氨酯海绵海水蒸发结构及其应用。
背景技术
由于不断加速的气候变化和沙漠干旱等特定地区的水资源短缺日益严重，基于可再生能源的淡水生产是人类面临的最重要的全球挑战之一。太阳能是最丰富和最有前途的可再生能源。在自然界中，太阳能驱动的水蒸发无处不在，太阳能可以把待处理水转化为蒸汽。由于纯水是透明的，不能有效吸收太阳光谱，为此，将吸光颗粒分散到水中是增强太阳光吸收的有效方式，但在这种方式中，太阳光的吸收发生在水体中，从而不可避免地加热待蒸发的水体。然而，由于水的蒸发只能发生在水体表面上，并且水是热的良导体，由太阳光产生的热量很容易散失到水体内部，这些散失到水体内部的热量不直接用于蒸发。为了解决热量损失问题，研究人员提出一种界面式太阳能蒸发器。界面式太阳能蒸发器由两部分组成，即基底和光热层。光热层在水和空气界面吸收太阳光实现蒸发，基底通过毛细现象向光热层传输水，同时将光热层与水体进行隔离，减少热损失。但是，这种利用毛细现象传输水的结构，并不能完全限制从光吸收层产生的热量向待淡化水体内部扩散，还是会有大量的热量损失在水体内部。为此，研究人员又采用了一种在界面蒸发层下面附加隔热绝缘层并进一步减小界面蒸发层与水体接触的一体化设计结构，尽可能减少热量的散失。可是，在这种方式中，待淡化的水体还是会不可避免的与光热层接触，导致热量的散失；同时，由于待淡化的水体与光热层的接触部分被设计得很小，难以保证足够的水传输，从而限制了待淡化水体的蒸发。为此，开发一种彻底断绝待蒸发水体与光热层接触、提高水蒸发效率的蒸发结构具有重大意义。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中热量的散失、水体蒸发受限的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种滴灌式聚氨酯海绵海水蒸发结构及其应用。提出一种全新的输水方式用于海水蒸发实现高效的水蒸发和热管理，在普通聚氨酯海绵表面附着光热亲水材料制备具有双层结构的光热蒸发材料，并将待淡化水从上面滴加到光热层避免热量的损失，充分利用热能，加速海水蒸发。
本发明的第一个目的是提供一种滴灌式聚氨酯海绵海水蒸发结构，包括双层蒸发结构和滴灌式加水管；所述双层蒸发结构包括亲水性光热层和疏水性隔热层；所述滴灌式加水管设置于所述亲水性光热层上方；所述双层蒸发结构的材料为聚氨酯海绵，其一侧利用改性的光热亲水材料进行改性得到所述亲水性光热层；未改性的一侧为疏水性隔热层。
在本发明的一个实施例中，所述滴灌式加水管置于亲水性光热层上方，用于给光热转化层输送待淡化水体。
在本发明的一个实施例中，所述疏水性隔热层具有良好的疏水效果，使得待淡化水体被限制在光热转换亲水层内。聚氨酯海绵具有多孔性和隔热性，多孔性的三维网状结构可用于增加“陷光”，从而提高太阳光的吸收，隔热性是防止光热材料吸光转换的热量通过热传导转移到大气或水体中导致能量损失，即对产生光热材料吸光转换的热量限制性地储存在光热转换层，用来集中加热“气-水界面”上的水分子，充分利用热能，减少热量损失，具有良好的隔热保温效果。
在本发明的一个实施例中，所述光热亲水材料为碳基亲水材料和/或聚合物亲水材料。用于吸收太阳光能并将其转化为热能，以使待淡化水体升温蒸发，并且光热转化层具有良好的亲水性，便于待淡化水体在光热转化层的均匀分布。
在本发明的一个实施例中，所述碳基亲水材料为石墨烯、氧化石墨、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨粉、石墨微片、碳纳米管、活性炭、介孔碳、碳纤维、富勒烯、炭黑、乙炔黑、科琴黑和油墨中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，所述聚合物亲水材料为聚吡咯、聚多巴胺、单宁酸和羧甲基纤维素钠中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，所述双层蒸发结构的厚度为5mm-10mm。
在本发明的一个实施例中，所述亲水性光热层的厚度为0.5mm-3.5mm。
在本发明的一个实施例中，所述聚氨酯海绵为40-80PPI的黑色聚氨酯海绵和/或白色聚氨酯海绵。
在本发明的一个实施例中，所述亲水性光热层为深黑色或黑色。
在本发明的一个实施例中，所述双层蒸发结构的制备方法为将预处理的聚氨酯海绵部分浸入光热亲水材料，后进行烘干。
在本发明的一个实施例中，所述预处理的聚氨酯海绵是将聚氨酯海绵进行2-6次洗涤，再将聚氨酯海绵在75-85℃的烘箱中烘4-5h。
在本发明的一个实施例中，所述烘干的温度为75-85℃；烘干的时间为3-4h。
本发明的第二个目的是提供一种所述的滴灌式聚氨酯海绵海水蒸发结构在水体淡化中的应用。
本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明首次提出一种全新的输水方式用于海水淡化实现高效的水蒸发和热管理，基于一种在普通聚氨酯海绵表面附着光热材料制备具有双层结构的光热蒸发材料，并将待淡化水从上面滴加到光热层避免热量的损失。聚氨酯海绵和简单的光热材料均具有良好的经济效益和环境友好性，表明该方法具有低成本的特点。最重要的是，在1.0kW/m2的太阳照射下，达到了1.602kg/(m2h)的蒸发效率。
(2)本发明所述的滴灌式聚氨酯海绵海水蒸发结构上层采用亲水的光热层，下层疏水保温绝热的特殊结构，使得光热转化材料能够实现“气液界面”加热。该结构以碳基材料、聚合物材料等改性的聚氨酯海绵为光热转化材料，充分利用热能，减少热量损失，加速海水蒸发。
(3)本发明所述的滴灌式聚氨酯海绵海水蒸发结构的制备，工艺简单、成本低廉、利用浸泡、涂敷工艺即可实现，适于规模化生产。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1为本发明的装置示意图。
图2为本发明测试例1的不同海绵的SEM形貌；其中，图a和图b为对比例3黑色纯聚氨酯海绵的图像；图c和图d为对比例4白色纯聚氨酯海绵的图像；图e和图f为实施例1附着光热材料的均匀改性海绵的图像。
图3为本发明测试例2的双层蒸发结构的接触角图像；其中，图a为下层疏水隔热层的水接触角图像，水接触角为114°；图b为上层亲水光热层的水接触角图像，水接触角为0°。
图4为本发明测试例3的不同蒸发器的重量减小情况图。
图5为本发明测试例4的不同蒸发器的重量减小情况图。
图6为本发明测试例5的不同蒸发器的重量减小情况图。
附图标记说明：1-第一水箱、2-支架、3-滴灌式加水管、4-双层蒸发结构、5-第三水箱、6-第二水箱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明涉及的计算方法如下：
太阳能转换效率(Evaporation efficiency)的计算公式为：
Figure BDA0003513432840000041
其中：η代表太阳能转换效率，ν代表一个太阳辐射下的稳定蒸发率，hV代表液-汽转换阶段的焓变，P0代表标准一个太阳强度，Copt代表一个标准太阳光强度的倍数。
实施例1
参照图1所示，一种滴灌式聚氨酯海绵海水蒸发结构，包括支架2、水箱、双层蒸发结构4和滴灌式加水管3；水箱包括第一水箱1、第二水箱6和第三水箱5；第一水箱1设置于支架2顶部；第二水箱6设置于支架2的一侧；第三水箱5设置于第二水箱6背离支架2的一侧；第二水箱6表面设有双层蒸发结构4；疏水性隔热层与第二水箱6表面相邻；滴灌式加水管3连接第一水箱1和第三水箱5；滴灌式加水管3与第一水箱1的连接口高于滴灌式加水管3与第三水箱5的连接口。
双层蒸发结构4包括亲水性光热层和疏水性隔热层；亲水性光热层采用光热亲水材料；疏水性隔热层为聚氨酯海绵。
双层蒸发结构4具体为一种KH550@TA@FeCl3.6H2O均匀改性聚氨酯海绵的光热转化材料(记为PU-1)，包括多孔聚氨酯海绵，以及均匀及吸附在多孔聚氨酯海绵上的KH550@TA@FeCl3.6H2O。
其中，多孔聚氨酯海绵为商用的高密度白色的聚氨酯海绵。
光热转化材料采用如下方法制备而成：
S1、净化聚氨酯海绵：
将普通10mm聚氨酯海绵用去离子水和酒精反复超声三次，每次超声10min，将超声后的聚氨酯海绵在80℃的烘箱中烘4.5h使其彻底干燥。
S2、负载KH550@TA@FeCl3.6H2O：
在缓冲液(Tris-HCl，pH为8.5，100mL)中加入单宁酸(TA)(0.2g)，然后在TA溶液中加入含硅烷偶联剂KH550(0.2g)的乙醇(20mL)溶液，并使其混合均匀，对单宁酸(TA)进行改性；将净化聚氨酯海绵浸入混合物中，在海绵浸入KH550@TA@FeCl3.6H2O溶液时，通过控制溶液和海绵接触的厚度，使2.0mm的聚氨酯海绵得到处理。室温静置24h；将改性后的材料在FeCl3.6H2O(2mg/mL)溶液中室温浸泡3h使其变黑。
S3、将均匀改性的海绵在80℃条件下烘干3.5h；烘干后，再将黑色海绵在去离子水下反复按压冲洗，直到没有剥离物脱落；冲洗后，再放入80℃条件下烘干3.5h，得到KH550@TA@FeCl3.6H2O均匀改性聚氨酯海绵的光热转化材料。
实施例2
结构同实施例1，双层蒸发结构具体为一种CMC-Na@TA@FeCl3.6H2O均匀改性聚氨酯海绵的光热转化材料，包括多孔聚氨酯海绵，以及均匀及吸附在多孔聚氨酯海绵上的CMC-Na@TA@FeCl3.6H2O。.
其中，多孔聚氨酯海绵为商用的高密度白色的聚氨酯海绵。
光热转化材料采用如下方法制备而成：
S1、净化聚氨酯海绵：
将普通10mm聚氨酯海绵用去离子水和酒精反复超声三次，每次超声10min，将超声后的聚氨酯海绵在80℃的烘箱中烘4.5h使其彻底干燥；
S2、负载CMC-Na@TA@FeCl3.6H2O：
在50mL去离子水中加入0.2-0.5g羧甲基纤维素钠(CMC-Na)和100mg单宁酸(TA)，使其搅拌4h达到均匀状态(记为溶液A)，对羧甲基纤维素钠(CMC-Na)进行改性。将溶液A与2mg/mL的FeCl3.6H2O溶液30mL混合搅拌得到溶液B，使其变黑。将得到的溶液B均匀涂敷到白色聚氨酯海绵上，在海绵涂敷CMC-Na@TA@FeCl3.6H2O溶液时，通过控制溶液和海绵接触的厚度，使2.0mm的聚氨酯海绵得到处理。然后放入80℃条件下烘干3.5h，得到CMC-Na@TA@FeCl3.6H2O黑色均匀改性聚氨酯海绵的光热转化材料。
实施例3
结构同实施例1，双层蒸发结构具体为一种油墨均匀改性聚氨酯海绵的光热转化材料，包括多孔聚氨酯海绵，以及均匀及吸附在多孔聚氨酯海绵上的油墨。
其中，多孔聚氨酯海绵为商用的高密度白色的聚氨酯海绵。
光热转化材料采用如下方法制备而成：
S1、净化聚氨酯海绵：
将普通10mm聚氨酯海绵用去离子水和酒精反复超声三次，每次超声10min，将超声后的聚氨酯海绵在80℃的烘箱中烘4.5h使其彻底干燥。
S2、负载油墨：
将油墨均匀涂敷在白色聚氨酯海绵上，在海绵涂敷油墨时，通过控制溶液和海绵接触的厚度，使2.0mm的聚氨酯海绵得到处理。然后放入80℃条件下烘干3.5h，得到油墨均匀改性聚氨酯海绵的光热转化材料。
对比例1
装有50mL水的烧杯。
对比例2
将没有改性的10mm纯聚氨酯海绵放入装有50mL水的烧杯中，该纯聚氨酯海绵为黑色，在纯水中按压海绵，使整块海绵完全吸水，并且使海绵的顶面与水面相齐。
对比例3
基本同实施例1，其中纯聚氨酯海绵为黑色，将10mm海绵处理成完全亲水性的。将海绵完全浸入KH550@TA@FeCl3.6H2O溶液，使10.0mm的聚氨酯海绵得到处理。
对比例4
基本同实施例1，其中纯聚氨酯海绵为白色，将海绵1.2mm处理成亲水性的。
测试例1
对实施例1和对比例3、4制备的海绵进行SEM形貌表征，结果如图2所示。图a和图b为对比例3黑色纯聚氨酯海绵的SEM图像，从图a图b中我们可以看到表面未附着其它材料，为黑色聚氨酯海绵本身；图c和图d为对比例4白色纯聚氨酯海绵的图像，从图c和图d中我们可以看到表面未附着其它材料，为白色聚氨酯海绵本身；图e和图f为实施例1附着光热材料的均匀改性海绵的图像，从图e和图f中我们可以看到在白色聚氨酯海绵上附着有纳米小球，这些纳米小球又互相聚集形成纳米小球层，使其能更好的进行吸光。
测试例2
对实施例1的双层蒸发结构进行接触角测试，结果如图3所示，图a为样品下层的隔热层，它的接触角为114°，具有一定的疏水性，与海绵的三维多孔结构共同作用起到隔热保温的作用，避免热量的散失。图b为样品上层的光热层，它的接触角为0°，具有良好的亲水性，便于从上滴加的水均匀地分散在光热层中。
测试例3
对对比例1-3的蒸发器进行重量减小测试，在由太阳能模拟器提供的宽频带太阳辐射下，配备可调组件，太阳强度控制为1.0个太阳(1.0kW/m2)。用光辐射计测量了太阳强度，(对比例3通过从上滴水的方式进行水蒸发)，用电子校准天平测量了烧杯中水的质量变化(Mass change)，结果如图4所示。
对比例1通过换算得到在1.0kW/m2太阳光照射下，其蒸发速率为0.284kg/(m2h)，将其记为纯水(Pure water)。
对比例2通过换算得到在1.0kW/m2太阳光照射下，其蒸发速率为0.747kg/(m2h)，将其记为PU-Black1。
对比例3通过换算得到在1.0kW/m2太阳光照射下，其蒸发速率为1.382kg/(m2h)，将其记为PU-Black2。通过比较可得，使用从上往光热层输水且蒸发结构有保温绝热层的方式比纯水蒸发速率提高4.86倍，比传统的从下输水往光热层输水的方式蒸发速率提高1.75倍。
测试例4
对实施例1-3和对比例1、4的蒸发器进行重量减小测试，由太阳能模拟器提供的宽频带太阳辐射下，配备可调组件，光照控制为1.0kW/m2。用光辐射计测量了太阳强度，通过从上滴水的方式进行水蒸发(对比例1不进行该操作)，用电子校准天平测量了海绵和水的质量变化，结果如图5所示。
实施例1通过换算得到在1.0个太阳1.0k W/m2照射下，其蒸发速率为1.454kg/(m2h)，将其记为PU-1。通过比较可得，比纯水蒸发速率提高5.11倍。
实施例2通过换算得到在1.0个太阳1.0kW/m2照射下，其蒸发速率为1.464kg/(m2h)，将其记为PU-2。通过比较可得，比纯水蒸发速率提高5.15倍。
实施例3通过换算得到在1.0个太阳1.0kW/m2照射下，其蒸发速率为1.602kg/(m2h)，将其记为PU-3。通过比较可得，比纯水蒸发速率提高5.64倍。
对比例1通过换算得到在1.0kW/m2太阳光照射下，其蒸发速率为0.284kg/(m2h)，将其记为纯水(Pure water)。
对比例4通过换算得到在1.0kW/m2太阳光照射下，其蒸发速率为0.8257kg/(m2h)，将其记为PU-White。
通过比较可得，与1sun下纯水的蒸发效率相比，使用从上往光热层输水且蒸发结构有保温绝热层的方式比纯水蒸发速率提高5倍以上，加速水蒸发效果明显。
测试例5
为进一步研究分层海绵光热层的厚度最佳条件，基本同实施例1，将不同厚度(0.5mm、2mm和3.5mm)的纯黑色聚氨酯海绵处理成亲水性的，然后再由太阳能模拟器提供的宽频带太阳辐射下，配备可调组件，光照控制为1.0kW/m2。用光辐射计测量了太阳强度，通过从上滴水的方式进行水蒸发，用电子校准天平测量了海绵和水的质量变化，结果如图6所示。
通过换算得到在1.0kW/m2太阳光照射下，亲水性光热层为0.5mm时，其蒸发速率为1.382kg/(m2h)，将其记为PU-Black 0.5mm；亲水性光热层为2mm时，其蒸发速率为1.417kg/(m2h)，将其记为PU-Black 2mm；亲水性光热层为3.5mm时，其蒸发速率为1.347kg/(m2h)，将其记为PU-Black 3.5mm。可以看出，亲水性光热层厚度为0.5mm-3.5mm，具有较好的蒸发效果。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种滴灌式聚氨酯海绵海水蒸发结构，其特征在于，包括双层蒸发结构和滴灌式加水管；所述双层蒸发结构包括亲水性光热层和疏水性隔热层；所述滴灌式加水管设置于所述亲水性光热层上方；所述双层蒸发结构的材料为聚氨酯海绵，其一侧利用改性的光热亲水材料进行改性得到所述亲水性光热层；未改性的一侧为疏水性隔热层。
2.根据权利要求1所述的滴灌式聚氨酯海绵海水蒸发结构，其特征在于，所述光热亲水材料为碳基亲水材料和/或聚合物亲水材料。
3.根据权利要求2所述的滴灌式聚氨酯海绵海水蒸发结构，其特征在于，所述碳基亲水材料为石墨烯、氧化石墨、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨粉、石墨微片、碳纳米管、活性炭、介孔碳、碳纤维、富勒烯、炭黑、乙炔黑、科琴黑和油墨中的一种或多种。
4.根据权利要求2所述的滴灌式聚氨酯海绵海水蒸发结构，其特征在于，所述聚合物亲水材料为聚吡咯、聚多巴胺、单宁酸和羧甲基纤维素钠中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的滴灌式聚氨酯海绵海水蒸发结构，其特征在于，所述双层蒸发结构的厚度为5mm-10mm。
6.根据权利要求1所述的滴灌式聚氨酯海绵海水蒸发结构，其特征在于，所述亲水性光热层的厚度为0.5mm-3.5mm。
7.根据权利要求1所述的滴灌式聚氨酯海绵海水蒸发结构，其特征在于，所述聚氨酯海绵为40-80PPI的黑色聚氨酯海绵和/或白色聚氨酯海绵。
8.根据权利要求1所述的滴灌式聚氨酯海绵海水蒸发结构，其特征在于，所述双层蒸发结构的制备方法为将预处理的聚氨酯海绵部分浸入或涂敷改性的光热亲水材料得到，后进行烘干。
9.根据权利要求8所述的滴灌式聚氨酯海绵海水蒸发结构，其特征在于，所述烘干的温度为75-85℃；烘干的时间为3-4h。
10.权利要求1-9任一项所述的滴灌式聚氨酯海绵海水蒸发结构在水体淡化中的应用。
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