CN114920312A - 一种光吸收材料与水分离的向下蒸发的界面蒸发形式与盐水浓缩方法 - Google Patents
一种光吸收材料与水分离的向下蒸发的界面蒸发形式与盐水浓缩方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及光吸收材料与水分离的向下蒸发的界面蒸发形式与盐水浓缩方法，包括水、储水槽、上表面负载高效光热转化材料的导热体、输水通道（吸水性较好的材料或者能将水槽中的水输送至导热体下表面形成依附薄水层的输水方法）、薄水层。输水通道将水槽中的水输送至依附导热体下表面处形成薄水层。当入射光照射吸收材料后，吸收材料将光转化为热并经导热体传导至下部薄水层，使水加热蒸发。因为薄水层上部被导热体密封蒸汽无法从上部溢出，所以蒸汽会从下方溢出。本发明的有益效果是：涂覆于导热体上表面的吸收涂层因为与水隔离而不会受水和水中污染物的影响而导致吸光能力下降。由于负载光热转化层的导热体悬空放置，所以热量被更好地局域到导热体下部的薄水层中而不会流失到大水体中，从而提高了光热蒸发效率。同时可以利用重力作用，在收集蒸发水的过程中同时收集盐水浓缩液以及结晶盐，最终实现盐水分离的目的。
Description
技术领域
本发明涉及光热界面蒸发、海水淡化领域，尤其涉及一种光吸收材料与水分离的向下蒸发的界面蒸发形式与盐水浓缩方法。
背景技术
由于水资源短缺问题威胁着人类社会的可持续发展。所以越来越多的技术被开发利用于实现海水脱盐以生产干净的能被人类利用的水资源。目前，膜过滤和热蒸馏技术仍然是这一领域的主导。但是这两项技术的高能耗的缺点影响着能源和环境的可持续性。因此利用绿色能源和可持续能源的脱盐技术仍然具有强烈的社会需求。光驱动脱盐技术因为具有较低环境影响而成为一种有前景的技术。在这一技术中，太阳光被转化为热量用于加热海水蒸发脱盐。当下，光热技术具有两种形式，一种是加热大水体，另一种是仅仅加热蒸发界面处的薄层水。相对于加热水体而言，仅仅加热蒸发界面处的薄层水可以将光吸收产生的热量局域于蒸发界面处，限制了热量流失于大水体，因此大大提高了光热转化效率。相关文献有Liu H, Huang Z, Liu K等人在Advanced Energy MateriaIs, 2019, 9(21):1900310.1-1900310.17.上刊载的《lnterfacial Solar-to-Heat Conversion forDesalination》。
光热界面蒸发技术的优势在于大大减少了蒸发过程中的热损失。因此该技术通常需要利用导水通道等方式将少量海水汲取至光热转化材料表面。光热转化材料吸收入射光后将光转化为热量加热其四周少量的海水。这一过程虽然有效的减少了热量向大水体的流失，但是也同样致使吸收材料容易受结晶盐的污染而吸光能力下降。去处盐污的过程又常常难以避免破坏和消耗吸收材料。相关文献有Xia Y , Hou Q , Jubaer H , 等人在Energy andEnvironmental Science, 2019, 12(6):1840-1847. 上刊载的《Spatiallyisolating salt crystallisation from water evaporation for continuous solarsteam generation and salt harvesting》。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的缺点，提出一种光吸收材料与水分离的向下蒸发的界面蒸发形式并提出用这种形式进行盐水浓缩和盐水分离的方法。将吸收材料均匀负载于导热体上表面，并用输水方法在导热体下表面形成依附于导热体下表面的薄水层。实现上导热体上表面吸收，下表面蒸发的向下光热界面蒸发。
这种光吸收材料与水分离的向下蒸发的界面蒸发形式，包括水源、吸收层、导热层、薄水层、光源、输水通道。吸收材料被均匀负载于导热体上表面形成吸收层。通过输水通道使水源水在导热体下表面形成薄水层。当入射光入射吸收层后热量通过导热体传递给导热体下表面用以加热蒸发下表面的薄水层。
作为优选：水源包括无悬浮颗粒物的海水、淡水、盐水以及污水。
作为优选：吸收层所用吸收材料包括吸收率大于80%的各类能够均匀稳定负载于导热体表面的具有良好太阳光吸收能力的材料。
作为优选：导热层所用导热材料包括各种能在其表面形成稳定吸收层的导热率大于水的导热率0.59W/（m·K）的各种导热体。最主要是能够有效的将吸收层的热量传递至导热体下表面的薄水层。导热体下表面最好是偏亲水，这样有利于导热体下表面形成均匀薄水层。
作为优选：薄水层包括能用各种输水方法将水源水输送至依附在导热体下表面的薄水层。最主要是能够实现薄水层的快速加热和蒸发。薄水层厚度以能够实现快速加热蒸发，为优。
作为优选：光源包括自然太阳光、模拟太阳光和通过聚光设备得到的聚光太阳光。
作为优选：这种光吸收材料与水分离的向下蒸发的界面蒸发盐水浓缩和盐水分离方法包括以下步骤：
步骤1）、输水通道尽量选用吸水性好且表面光滑的材质或者容易在导热体下表面形成依附薄水层的各种方式。输水通道将水槽中的水输送至导热体下表面悬空位置处形成薄水层。如果采用纤维作为输水通道，则输水通道悬空位置要低于储水槽液面使水滴能从悬空位置滴下且热量不会流失至储水槽中。可以通过悬空位置的高低来控制水滴的滴速。
步骤2）、如果采用纤维作为输水通道时，吸收材料均匀负载于导热体上表面后将导热体紧贴放置于悬空位置处的输水通道上表面，或可将导热体下表面经亲水处理后将边缘处与输水通道连接。可以通过调节输水通道与被负载的导热体的尺寸差异来控制结盐面面积和湿盐滴的大小保证盐滴的顺利滴下。同时也可依此来调节蒸发面积的大小从而调控水的蒸发速率。
步骤3）、通过光阑来实现只有吸收层表面接受均匀的一个太阳光的光照。光照初期，盐水滴较快滴下。随着时间的延长，滴速逐渐变缓，液滴盐度逐渐变高直至超过饱和状态形成湿盐滴下。如果盐滴四周的输水通道结盐而难以顺利持续向盐滴供水时，可通过遮光板将光遮蔽。遮蔽后盐滴仍能顺利下落。
这种通过光吸收材料与水分离的向下蒸发的界面蒸发形式进行盐水浓缩和盐水分离的方法，出水槽中的盐水通过输水通道输送至负载光吸收层的导热体的下表面的薄水层。在光照下，吸收层吸收太阳光后转化为的热量，热量通过导热体传到至下表面输水通道中的薄水层，从而加热蒸发。在蒸发过程中伴随有导热体下方的薄水层的盐水浓缩液滴和湿盐滴的下落。从而达到盐水浓缩和盐水分离的目的。
本发明的有益效果是：通过导热体导热和蒸气向下流动的形式成功的将吸收材料与水分离。有效避免了吸收材料受水和水中污染物的影响。之后利用输水通道成功的将盐水送达导热体下表面薄水层进行加热蒸发。在采用纤维作为输水通道时，蒸发过程中通过调节输水通道的悬空的高度成功的实现浓缩盐水的下滴回收，甚至实现了结晶盐滴下滴回收，从而实现了盐水的分离。
附图说明
图1为本发明中光吸收材料与水分离的向下界面蒸发形式示意图。
图2为以纤维作为输水通道的利用此向下界面蒸发形式实现浓缩盐水和盐水分离回收的一种蒸发装置结构示意图。
图3为以底部喷淋为输水通道的利用此向下界面蒸发形式实现浓缩盐水和盐水分离回收的一种蒸发装置结构示意图。
具体实施方式
接下来通过实施例对本发明做进一步描述。下述实例只是用于更好的理解本发明。应当指出，在不脱离这种蒸发形式和原理的情况下，还可以对本发明进行更多改进，这些改进也落入本发明权利要求的保护范围。
参考图1，本发明是一种通过导热体将上表面光热材料与下表面薄水层彻底分开的蒸发形式，通过各种输水方法将水源水输送至导热体下表面形成薄水层。在光的照射下，吸收层将光能转化为热能传递给导热体下界面依附的薄水层，薄水层被加热蒸发。蒸汽因不能向上流动所以向下流动并经导热体四周向上流动。
依据图1的蒸发形式，我们通过表面较光滑的输水通道（棉布）两端分别浸没在两边的出水槽中将水输送至中部悬空位置。棉布尺寸为30cm×5cm。
参见图2左图，悬空位置低于出水槽液面2cm使其能够在自然状态下滴液滴。之后将光热材料通过磁控溅射的形式均匀负载于不锈钢表面。负载后的吸收层吸收率达到93%。最后将负载光热层的不锈钢片放置在棉布悬空位置并紧贴棉布。
以纤维作为输水通道的利用此向下界面蒸发形式实现浓缩盐水和盐水分离回收的蒸发实例如图2右图所示。吸收涂层被1kw/m2的光所照射。照射面积通过挡板控制在仅限于吸收层的0.16m2的范围内。光照初期，盐水滴较快滴下。相对于水槽中的盐水电导率而言，下滴盐水的电导率显著上升，从87mv上升到139mv。随着时间的延长，滴速逐渐变缓，液滴盐度逐渐变高直至超过饱和状态形成湿盐滴下。当盐滴四周的输水通道结盐而难以顺利持续向盐滴供水时通过遮光板将光遮蔽。遮蔽后盐滴仍能顺利下落。
以底部喷淋为输水通道的利用此向下界面蒸发形式实现浓缩盐水和盐水分离回收的另一种蒸发实例如图3所示。经磁控溅射负载的40cm×40cm的不锈钢片悬空放置。当吸收涂层被1kw/m2的太阳光照射后，温度从起初的23oC上升到最终稳定的95oC。待温度稳定后以喷水壶将盐度为20%的盐水自导热体下方向上喷洒至导热体下表面形成依附薄水层。薄水层中的水快速蒸发并形成结晶盐于下表面。喷水壶持续向导热体下表面喷水使结晶盐量越来越多以致在重力作用下从下表面脱落回收。
Claims (8)
1.一种光热转化材料与水分离的向下蒸发的界面蒸发形式与盐水浓缩方法，其特征在于：包括储水槽（1）、水（2）、输水通道（3）、光源（4）、导热体（5）、光热转化材料（6）和薄水层（7）；输水通道（3）将水槽（1）中的水（2）输送至低于储水槽水面高度的位于导热体（5）下表面的悬空位置，保证蒸发时导热材料（5）底部形成薄水层（7）且薄水层会滴水，蒸汽能从输水通道（3）底部加热溢出；光热材料负载于导热体上表面（5）保证光源（4）的入射光被光热转化层（6）吸收后转化为热量通过导热材料传递给下部输水通道中的水。
2.根据权利要求1所述的基于一种光热转化材料与水分离的向下蒸发的界面蒸发形式，其特征在于储水槽（1）包括能沉放高浓度盐水和具有化学惰性的材料的容器。
3.根据权利要求1所述的基于一种光热转化材料与水分离的向下蒸发的界面蒸发形式，其特征在于水（2）包括无悬浮颗粒的海水、盐水、淡水。
4.据权利要求1所述的基于一种光热转化材料与水分离的向下蒸发的界面蒸发形式，其特征在于输水通道（3）包括具有润湿毛细性能的天然纤维束、尼龙、化学纤维或混纺纤维以及能将水槽中的水依附于导热体下表面形成薄水层的各种方式；输水通道将水槽（1）中的水输送至依附于导热体下表面的悬空位置形成薄水层。
5.根据权利要求1所述的基于一种光热转化材料与水分离的向下蒸发的界面蒸发形式，其特征在于导热材料包括以较高导热系数的金属和非金属类材料制作的导热系数高于水0.59W/（m·K），厚度为0.1-100mm的无空隙结构的板装、片装、球装、管装立方体。
6.根据权利要求1所述的基于一种光热转化材料与水分离的向下蒸发的界面蒸发形式，其特征在于光热转化层包括可以经喷涂、磁控溅射、刷等方式稳定均匀负载于导热体上表面的吸收率大于80%的金属和非金属类材料所形成的具有一定厚度的薄层。
7.根据权利要求1所述的基于一种光热转化材料与水分离的向下蒸发的界面蒸发形式，其特征在于薄水层包括能用各种输水办法将水源水依附在导热体下表面形成薄水层，最主要是能够实现薄水层的快速加热蒸发以及浓缩盐水滴和结晶盐滴在重力作用下顺利脱落。
8.根据权利要求1所述的基于一种光热转化材料与水分离的向下蒸发的界面蒸发盐水浓缩方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1）、输水通道将水槽中的水输送至悬空的导热体下表面位置处形成依附于导热体下表面的薄水层，如果采用纤维作为输水通道，则输水通道悬空位置要低于储水槽液面使水滴能从悬空位置滴下且热量不会流失至储水槽中；可以通过悬空位置的高低来控制水滴的滴速；
步骤2）、吸收材料均匀负载于导热体上表面后，将导热体置于悬空位置处的输水通道（纤维）上表面处并与其紧密连接，或可用输水通道（各种能够使导热体下表面形成依附的薄水层的方式）使水槽中的水在导热体下表面形成薄水层；可以通过调节输水通道与被负载的导热体的尺寸差异来控制结盐面面积和盐滴的大小保证盐滴的顺利滴下，同时也可依此来调节蒸发面积的大小从而调控水的蒸发速率；
步骤3）、通过光阑来实现只有吸收层表面接受均匀的一个太阳光的光照；光照初期，盐水滴较快滴下，随着时间的延长，滴速逐渐变缓，液滴盐度逐渐变高直至超过饱和状态形成湿盐滴下，如果盐滴四周的输水通道（纤维）结盐而难以顺利持续向盐滴供水时，可通过遮光板将光遮蔽，遮蔽后盐滴仍能顺利下落；
一种如权利要求1所述的光热转化材料与水分离的向下蒸发的界面蒸发盐水浓缩方法，其特征在于将光热转化材料（6）与水（2）完全隔离而不受水（2）和水（2）中污染物质的影响；当光源照射吸光材料时可实现蒸汽向下溢出，浓缩盐水与盐滴在重力作用下滴下回收，实现了浓缩盐水和盐水分离的目的。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20220819 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |