CN114835183B - 一种具有定向结盐功能的用于处理高浓度盐水的三维太阳能蒸发器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有定向结盐功能的用于处理高浓度盐水的三维太阳能蒸发器及其制备方法，属于海水淡化领域。所述的太阳能蒸发器是通过将多孔海绵进行黑色超亲水以及黑色超疏水改性。然后将其进行竖着相间叠放成三维的多个的Janus结构，解决了普通三维太阳能蒸发器的蒸发面积小、气体溢出孔道不足以及能量流失大而导致蒸发效率不高的问题。并且，所述的太阳能蒸发器解决了普通蒸发器在处理高浓度盐水时其蒸发面会结盐而导致蒸发速率大幅度降低甚至是蒸发器的失效的问题。所述的太阳能蒸发器具有蒸发效率高，可处理高浓度盐水，经济环保等优点。

Description

一种具有定向结盐功能的用于处理高浓度盐水的三维太阳能 蒸发器及其制备方法
技术领域
本发明属于海水淡化领域，具体涉及一种具有定向结盐功能的用于处理高浓度盐水的三维太阳能蒸发器及其制备方法。
背景技术
随着人类的生活质量不断提高和生产不断增长，人类对淡水需求也越来越大。世界上大约有五亿人生活在严重缺乏淡水的情况下。并且据预测，未来的三年后有50％的国家将面临淡水危机。这将对人类文明的发展带来严重的负面影响。因此解决淡水短缺问题已经成为全球人类急需要解决的问题。目前人类已经开发了许多去获取淡水资源的技术，例如蒸馏法、反渗透法、渗析法、冷冻法等方法。而这些方法中，反渗透法最为广泛使用。当处理低浓度盐水的时候，反渗透法具有比较好的效果。然而在处理高浓度盐水时，由于高浓度盐水对膜的污染比较大，不利于膜的循环使用。此外，高浓度盐水具有较高的渗透压而需要更大的压力来进行淡化，这意味着需要消耗更多的能量。且上述方法所消耗的能量都是主要消耗煤、石油等不可再生化石燃料为代价而获取淡水，因此人类想要通过上述方法长期获取淡水是不理想的。近年来，太阳能驱动的界面蒸发已被提出，并证明对海水淡化有相当大的前景。然而太阳能界面蒸发在处理高浓度盐水时，随着表面蒸发，盐的浓度会逐渐升高，当达到饱和时，其光热材料表面会有盐析出，当盐积累到一定程度时会增加光反射、阻碍光吸收、阻碍水运输、阻碍蒸汽的溢出从而使得蒸发效率大幅度降低，甚至导致蒸发器的损坏。因此处理高浓度盐水时，解决盐污染问题是必不可少的。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种既能够解决处理高浓度盐水效率低的问题又能解决盐污染的问题的太阳能蒸发器及其制备方法，所述太阳能蒸发器通过将海绵分别进行超亲水和超疏水化改性，然后将相反浸湿性的海绵竖着相间叠放成三维的多个的Janus结构用亲水的黑色棉绳进行捆绑固定。通过超亲水海绵给蒸发过程提供充分的水，而超疏水海绵在此蒸发器的作用不仅是给水蒸气提供孔道，而且增加了蒸发面积和传热介质从而大幅度的提高了蒸发效率。最重要的是，在由于处理高浓度盐水时，结盐的问题是不可避免的，而我们设计的蒸发器的在处理高浓度盐水时也会有盐结出，但是其盐不是在蒸发器的表面结出，而是在侧面进行结盐，从而不影响蒸发的效率，并且可以将盐和水进行分离，具有很高的经济收益。以此，我们的蒸发器不仅解决了处理高浓度盐水的效率低的问题，还解决了盐污染的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明要解决的第一个技术问题是提供一种太阳能蒸发器解决了以往处理高浓度盐水蒸发效率低的问题。所述的太阳能蒸发器是通过将相反浸湿性的海绵竖着相间叠放。通过超亲水海绵给蒸发过程提供充分的水分，而超疏水海绵在此蒸发器的作用不仅是给水蒸气提供孔道，而且增加了蒸发面积和传热介质从而大幅度的提高了蒸发效率。
进一步，上述太阳能蒸发器中，所述海绵为聚氨酯海绵、聚酰亚胺海绵、聚苯乙烯海绵、密胺海绵、聚氯乙烯海绵或聚乙烯海绵中的一种。所述的相反浸湿性的海绵都为密胺海绵，将其分别进行了超亲水改性得到超亲水海绵和进行超疏水改性得到超疏水海绵。
进一步，超疏水海绵与超疏水海绵是竖着相间叠放，增加了蒸发面积、提供了水蒸气的溢出孔道、热量传递。
进一步，超亲水海绵和超疏水海绵有足够强而宽的光吸收范围，一般为黑色。
本发明要解决的第二个技术问题是提供一种太阳能蒸发器解决以往处理高浓度盐水存在的盐污染问题。所述的太阳能蒸发器是通过超亲水海绵与超疏水海绵竖着相间叠放，然后通过亲水黑色棉绳进行捆绑固定。超亲水海绵为蒸发过程提供水分，参与蒸发。而超疏水海绵由于海绵中无水分，因此不参与水分的蒸发，其超疏水海绵的温度会高于超亲水海绵的温度，因此可以为参与蒸发的超亲水海绵提供热量以促进蒸发效率。并且超疏水海绵内部的孔道可用于蒸汽的逸出。此外，而对用于捆绑海绵的亲水黑色细绳，靠近超亲水海绵的部分供水充分且迅速；靠近超疏水海绵的细绳部分的水分是由靠近超亲水海绵细绳部分传递而来，水分的供给是远比靠近超亲水海绵部分的细绳慢。此外，靠近超亲水海绵的细绳的温度低于靠近超疏水海绵细绳的温度。由此，对于靠近超疏水海绵的细绳其供水的速率慢、蒸发速度快导致紧挨着超疏水海绵的细绳的盐离子浓度容易达到饱和而产生盐晶体，并且由于超疏水海绵处的盐晶体结出而相当于在此处投入了晶种而使得盐晶体只在紧挨着超疏水海绵的细绳上结出而其他地方不会有盐析出。对于处理高浓度盐水，结盐是不可避免的问题，而我们把盐在蒸发器的侧面结出，不在上表面结出从而不影响蒸发效率，进而解决了以往处理高浓度盐水存在的盐污染问题。
本发明要解决的第三个技术问题是具有定向结盐功能的用于处理高浓度盐水的三维太阳能蒸发器可用于光热海水淡化、海水脱盐。所述太阳能蒸发器，在较宽的波长范围(200至2200nm)内表现出优异的太阳吸收特性(≈98％)，在用氙灯模拟一个太阳辐射功率(1kw m-2)的照射下，处理20wt％NaCl溶液时其平均蒸发率可以达到1.88kg m-2 h-1。
本发明要解决的第四个技术问题是具有定向结盐功能的太阳能蒸发器的超亲水海绵与超疏水海绵的制备：
步骤一：将海绵浸入含多酚类物质、具有氨基基团的硅烷偶联剂和pH＝8.5的Tris-HCl缓冲溶液中反应12h。
步骤二：将步骤一反应结束后的海绵放入铁离子溶液中反应2h得到黑色超亲水海绵。
步骤三：将步骤二中的部分超亲水海绵浸入具有超长疏水链段的硅烷偶联剂的乙醇溶液中，反应24h后得到黑色超疏水海绵。
进一步，所述的多酚类物质为单宁酸或者没食子酸中的一种或者它们的混合物、具有氨基基团的硅烷偶联剂为3-氨基丙基三乙氧基硅烷。所述的铁离子溶液为硫酸铁溶液、氯化铁溶液的一种。多酚类物质/3-氨基丙基三乙氧基硅烷/铁离子浓度为2/3/2mg/mL。
进一步，所述具有超长疏水链段的硅烷偶联剂为十八烷基三甲氧基硅烷。
进一步，所述步骤一中将海绵放入混合溶液中时，反应的前4小时最为关键，因为此阶段的多酚类物质浓度高，其中的羟基能够更加快速的氧化为羰基进而更加容易与具有氨基基团的3-氨基丙基三乙氧基硅烷进行反应。因此前4小时放在摇床上进行反应是很关键的。
进一步，所述的步骤三中最终得到的黑色超疏水海绵其在反应结束后最好是用去离子水进行清洗而不能够用乙醇进行清洗，否则其超疏水性会失效。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
1、本发明通过将海绵改性为相反浸湿性的超亲材料，然后将相反浸湿性能的海绵相间叠放用黑色亲水细绳进行捆绑固定，最后在其最顶部盖一层较薄的黑色超亲水海绵得到三维太阳能蒸发器。这样的结构不仅大大的增加了蒸发面积，还为水蒸气提供了充分的逸出孔道以及为热量的传递提供了良好的条件以免热量的大量流失于环境，更重要的是我们的结构还为处理高浓度盐水结盐提供了位点，不仅解决了以往处理高浓度盐水其蒸发效率不高的问题，还解决了处理高浓度盐水避免不了的盐污染问题。
2、所述的具有定向结盐功能用于处理高浓度盐水的三维太阳能蒸发器具有优良的海水淡化性能。在用氙灯模拟一个太阳的太阳辐射功率(1kw m-2)的照射下，处理20wt％NaCl溶液其蒸发率可以稳定的达到1.88kg m-2 h-1。
3、所述的具有定向结盐功能用于处理高浓度盐水的三维太阳能蒸发器具有良好的收集盐性能。在处理高浓度盐水时，不仅面对的有蒸发效率低的问题，还有所蒸发析出的盐会污染蒸发器甚至使得蒸发器失效的问题。而本发明的太阳能蒸发器将蒸发析出的盐定向的结在了不参与蒸发的侧面超疏水部分。并且能够达到盐和水的完全分离。因此可以分别收集蒸馏水以及结出的盐，达到一个很好的经济效益。
4、所述的具有定向结盐功能用于处理高浓度盐水的三维太阳能蒸发器具有良好的蒸发效率长期稳定性，制备简单、成本低、可拓展、环保等优点。
附图说明
图1为原始海绵、黑色超亲水海绵、黑色超疏水海绵的真实水接触角图以及不同倍数的扫描电镜图片；
图2为制备的相反浸湿性的超亲海绵进行组装为具有定向结盐功能用于处理高浓度盐水的三维太阳能蒸发器组装图片；
图3为具有定向结盐功能用于处理高浓度盐水的三维太阳能蒸发器在处理高浓度盐水的蒸发以及结盐示意图；
图4为定向结盐以及盐自动溶解机理图；
图5为水在超亲/疏水海绵中传输的速率不同而使得盐定向结出的机理图；
图6为超亲/疏水海绵的温度不同而使得盐定向结出的机理图；
图7为用氙灯模拟太阳处理20wt％NaCl蒸发效率图；
图8为每天用氙灯模拟光照10小时，持续照射21天，处理20wt％NaCl蒸发效率的稳定图。
具体实施方式
以下实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限定本发明的保护范围，凡根据本发明实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
具有定向结盐功能用于处理高浓度盐水的三维太阳能蒸发器的制备方法为：
将密胺海绵浸入含有鞣酸(2mg mL-1)和3-氨基丙基三乙氧基硅烷(3mg mL-1)的Tris-HCl混合溶液中，放于摇床上反应12h后得到超亲水海绵。反应完毕之后，用去离子水进行洗涤2～3次，然后放于硫酸铁溶液(2mg mL-1)中浸泡两小时得到黑色超亲水海绵。将制备的黑色超亲水海绵浸入十八烷基三甲氧基硅烷溶液(2mg mL-1)中反应24h后得到黑色超疏水海绵。原始海绵、黑色超亲水海绵、黑色超疏水海绵的真实水接触角图以及不同倍数的扫描电镜图片如图1所示。将相反浸湿性的超亲海绵竖着相间叠放用黑色亲水细绳进行捆绑固定，最后在其最顶部盖一层较薄的黑色超亲水海绵得到三维太阳能蒸发器，如图2所示。三维太阳能蒸发器在处理高浓度盐水的蒸发以及结盐示意图如图3所示。定向结盐以及盐自动溶解机理如图4所示。图5、图6为定向结盐的机理图，图5为水在超亲/疏水海绵中传输的速率不同而使得盐定向结出的机理图，图6为超亲/疏水海绵的温度不同而使得盐定向结出的机理图。
利用氙灯模拟一个太阳的辐射功率(1kw m-2)，对20wt％NaCl溶液进行蒸发率的测试，蒸发过程中，质量变化与时间的关系如图7所示，经实验测得，所述的太阳能蒸发器的蒸发率为1.88kg m-2 h-1。
具有定向结盐功能用于处理高浓度盐水的三维太阳能蒸发器进行长时间稳定测试，每天用氙灯模拟光照10小时，持续照射21天如图8。记录每天每小时记录光照的蒸发率以及温度与湿度。本发明的太阳能蒸发器的蒸发率基本在1.88kg m-2 h-1左右稳定波动。并且我们发现在温度基本保持在2～3℃的波动下，其蒸发速率受气压的影响是比较大的，然而这个点是以往研究这个领域的科学家们没有提出来过的，我们将首先提出这一要点。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种具有定向结盐功能的用于处理高浓度盐水的三维太阳能蒸发器，其特征在于：
所述太阳能蒸发器是通过将相反浸湿性的海绵竖着相间叠放用亲水的黑色棉绳进行捆绑固定；所述相反浸湿性的海绵为将海绵分别进行超亲水改性得到超亲水海绵和进行超疏水改性得到超疏水海绵。
2.根据权利要求1所述的具有定向结盐功能的用于处理高浓度盐水的三维太阳能蒸发器，其特征在于：所述海绵为聚氨酯海绵、聚酰亚胺海绵、聚苯乙烯海绵、密胺海绵、聚氯乙烯海绵或聚乙烯海绵中的一种。
3.一种具有定向结盐功能的用于处理高浓度盐水的三维太阳能蒸发器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将海绵浸入含多酚类物质、具有氨基基团的硅烷偶联剂、弱碱性缓冲溶液中进行超亲水改性得到超亲水海绵；
步骤二：将步骤一中制备的超亲水海绵浸入铁离子溶液中，得到黑色超亲水海绵；
步骤三：将步骤二中制备的部分黑色超亲水海绵浸入具有超长疏水链段的硅烷偶联剂的乙醇溶液中进行黑色超疏水改性得到黑色超疏水海绵；
步骤四：将步骤二和步骤三改性的黑色超亲水海绵与黑色超疏水海绵进行竖着相间叠放，然后用黑色亲水棉绳进行捆绑固定得到具有定向结盐功能的用于处理高浓度盐水的三维太阳能蒸发器；
所述多酚类物质为单宁酸或者没食子酸中的一种或者它们的混合物；
所述具有氨基基团的硅烷偶联剂为3-氨基丙基三乙氧基硅烷；
所述弱碱性缓冲溶液为Tris-HCl溶液；
所述铁离子溶液为硫酸铁溶液、氯化铁溶液的一种；
所述具有超长疏水链段的硅烷偶联剂为十八烷基三甲氧基硅烷。
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