CN115159607A - 一种受光面和蒸发面分离的太阳能蒸发及盐结晶收集装置 - Google Patents

一种受光面和蒸发面分离的太阳能蒸发及盐结晶收集装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种受光面和蒸发面分离的太阳能蒸发及盐结晶收集装置，属于太阳能蒸发器技术领域。包括支撑架、蒸发器、倾斜透明冷凝顶盖和冷凝水收集槽；支撑架底部置于污水槽中，支撑架用于支撑凹面的蒸发器；支撑架上缠绕有吸水布，吸水布的上端与蒸发器下表面接触；蒸发器为表面氧化或硫化的铜片，蒸发器的上表面用于接收光线并转化为热能传导至下表面，蒸发器的下表面用于蒸发吸水布输送的液体；蒸发器正下方为结晶盐收集槽；所述倾斜透明冷凝顶盖位于蒸发器上方，冷凝水收集槽用于收集倾斜透明冷凝顶盖滴落的水滴。本发明防止了盐结晶对蒸发器的干扰，能量利用效率高，在净化污水时可同时获得干净的淡水和盐结晶两种产品。

Description

一种受光面和蒸发面分离的太阳能蒸发及盐结晶收集装置
技术领域
本发明属于太阳能蒸发器技术领域，更具体地，涉及一种受光面和蒸发面分离的太阳能蒸发及盐结晶收集装置。
背景技术
高盐废水一般是含盐质量分数大于1％的污水，主要来自纺织厂、纯碱厂、农药厂、抗生素药厂以及石油和天然气采集加工等过程。随着我国工业规模不断扩大，高盐废水每年仍以2％的速率增长。由于其成分复杂，盐浓度高，对微生物生长具有较强的抑制作用，因此其处理难度远比普通污水要大，是废水处理研究的难点和焦点。这种高盐废水若不经过妥善处理而直接排入水体，已被证明会对环境造成严重危害。且随着环保法规日益严格，这种直接或半直接排放的方法已不可取。因此，开发高效的高盐废水处理方法和技术已成为废水处理的重中之重。
目前高盐废水处理方法有膜分离法、焚烧法、生物法、传统蒸发法等，但这些方法存在对设备要求高、操作复杂、能耗大、成本高、产生二次污染等问题。并且由于盐结垢污染问题，所有基于膜的脱盐技术都不能用于接近饱和的高浓度盐水。近年来太阳能表面光蒸发生产清洁水的技术因具有能耗低、操作简单、能量利用率高等优点而受到广泛关注。由于水的蒸发只发生在表面，传统的整体蒸发方式热量损失严重，界面蒸发技术将热量集中在水-空气界面上，大大提高了能量利用效率。然而，目前太阳能界面蒸发技术主要应用于海水淡化，鲜有利用其处理高盐废水的研究报道。
在太阳能界面蒸发技术处理海水的过程中，太阳能收集和水蒸气产生都发生在水-空气界面上，然后水蒸气冷凝被收集成淡水。但在实际处理盐水的过程中，水从蒸发器表面蒸发会形成较高的盐浓度，导致盐析出并沉积在蒸发器表面。盐结晶在蒸发器表面积累，一方面会改变表面的光热材料的表面性质，影响太阳能吸收和光热转换，降低太阳能利用率；另一方面，污染物堆积会缩小甚至堵塞水渗透通道及水蒸气蒸发通道，进而降低蒸发速率。高盐废水相对于海水成分复杂，盐浓度更高，这种负面影响还会进一步加大。因此，探究光热转换效率高、抗盐污染性好的光热蒸发器对于太阳能表面光蒸发处理高盐废水至关重要。
发明内容
针对上述问题，本发明目的是提供一种受光面和蒸发面分离的太阳能蒸发及盐结晶收集装置，蒸发器为表面氧化或硫化的铜片，蒸发器的上表面用于接收光线并转化为热能传导至下表面，蒸发器的下表面用于蒸发吸水布输送的液体，使得受光面和蒸发面分离，防止了盐结晶对蒸发器的干扰，能量利用效率高，在净化污水时可同时获得干净的淡水和盐结晶两种产品。
根据本发明的目的，提供了一种受光面和蒸发面分离的太阳能蒸发及盐结晶收集装置，包括支撑架、蒸发器、倾斜透明冷凝顶盖和冷凝水收集槽；所述支撑架底部置于污水槽中，所述支撑架用于支撑凹面的蒸发器；所述支撑架上缠绕有吸水布，所述吸水布的上端与蒸发器下表面接触；
所述蒸发器为表面氧化或硫化的铜片，所述蒸发器的上表面用于接收光线并转化为热能传导至下表面，所述蒸发器的下表面用于蒸发吸水布输送的液体；所述蒸发器正下方为结晶盐收集槽，所述结晶盐收集槽用于收集蒸发器的下表面掉落的结晶盐；所述倾斜透明冷凝顶盖位于蒸发器上方，所述倾斜透明冷凝顶盖用于冷凝所述蒸发器的下表面蒸发出来的水分，所述冷凝水收集槽用于收集倾斜透明冷凝顶盖滴落的水滴。
优选地，所述蒸发器为将凹面的铜片置于NaOH和(NH4)2S2O8的混合溶液中加热，使铜片氧化得到；或者将凹面的铜片浸泡于NaOH和(NH4)2S2O8的混合溶液中氧化，再置于Na2S溶液中硫化得到。
优选地，所述蒸发器的下表面粘附有水凝胶层，所述水凝胶层用于增强蒸发器的导水性能。
优选地，所述水凝胶层为聚乙烯醇水凝胶。
优选地，所述聚乙烯醇水凝胶通过以下方法制备得到：将聚乙烯醇凝胶液涂敷在凹面的表面氧化或硫化的铜片的下表面，再放入戊二醛溶液中进行交联。
优选地，所述聚乙烯醇凝胶液为聚乙烯醇颗粒和水混合液加热搅拌制备得到。
优选地，所述吸水布的材料为聚酯纤维。
优选地，所述倾斜透明冷凝顶盖的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
优选地，所述倾斜透明冷凝顶盖为倒扣的锥面。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
(1)本发明基于受光面和蒸发面分离的太阳能蒸发及盐结晶收集装置的工作原理：太阳光穿过透明顶盖入射到蒸发器内侧，在蒸发器内部不断反射，以延长光照停留时间，提高能量效率；蒸发器上表面的微纳结构也进一步增加了受光面积。由于铜基材料良好的导热性，蒸发器上表面接受到的热量传导到外壁的过程中损失的热量几乎可以忽略不计；蒸发器下下表面的液膜受热蒸发，产生的水蒸气接触倾斜透明冷凝顶盖，冷凝形成水滴，并沿倾斜面流至冷凝水收集槽中。在蒸发过程中，由于蒸发器底部接受的光照最强，温度最高，蒸发较快，盐浓度增加，导致盐分在蒸发器底部结晶，落入结晶盐收集槽中。
(2)本发明选择无机金属材料铜作为基材，相比有机高分子材料具有更好的光热稳定性和防污性能。铜作为原材料容易获得，成本低，效果好。紫红色的铜氧化或硫化后呈黑色，具有优异的吸光性能，通过金属的等离子体共振效应，金属中与入射光的频率接近的离域电子被集体激发，产生热电子。热电子与入射电磁场相干振荡，将光能转化为热能。
(3)本发明中蒸发器具有3D结构，通过使太阳光在蒸发器内部多次反射提高能量效率；由于水分蒸发带走大量热，蒸发器下表面的温度低于环境温度，这使得3D蒸发器除了直接输入的太阳能外还可以从环境中获取额外能量，最终可以达到超过100％的能量效率。本发明结构简单，能量利用效率高，可广泛应用于海水淡化、高盐废水处理等领域。
(4)本发明将受光面和蒸发面分离，蒸发器内侧为受光面，外侧为蒸发面，使析出的盐结晶不会覆盖住用于吸收太阳光的光热材料，避免了盐结晶对光吸收的干扰，使蒸发器的蒸发速率能够长期保持稳定。由于蒸发器主体材料为铜，导热性好，有利于将蒸发器上表面的热量传导到下表面。通过吸水布输送的蒸发原液接触到超亲水的氧化铜或硫化铜下表面便迅速铺展成薄薄的水层，使太阳能界面蒸发能够发生。进一步地，在蒸发器下表面负载水凝胶层可以增强导水性和降低水的蒸发焓，从而提高蒸发速率。聚集在蒸发器下表面底部的盐结晶自行脱落至盐结晶收集槽中，不会造成水蒸发通道的阻塞。
附图说明
图1是本发明受光面和蒸发面分离的太阳能蒸发及盐结晶收集装置示意图，其中：1-支撑架、2-蒸发器、3-吸水布、4-倾斜透明冷凝顶盖、5-污水槽、6-结晶盐收集槽、7-冷凝水收集槽、8-水凝胶层。
图2是本发明实施例1蒸发器内表面扫描电镜图。
图3是本发明实施例1的太阳能蒸发器在1个太阳光强下蒸发纯水和氯化钠溶液的蒸发速率对比图。
图4为原始铜片、氧化铜片、硫化铜片吸光性能测试结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明受光面和蒸发面分离的太阳能蒸发及盐结晶收集装置，包括支撑架1、蒸发器2、吸水布3、倾斜透明冷凝顶盖4、污水槽5、结晶盐收集槽6、冷凝水收集槽7；所述支撑架1底部置于污水槽5中，通过缠绕在支撑架1上的吸水布2将污水槽5中的污水源源不断地运送到蒸发器2中进行蒸发处理；蒸发器2固定在支撑架1上端，蒸发器2内表面接受太阳光将其转化为热能传导至外侧，蒸发器下表面铺满吸水布输送的污水，发生蒸发；倾斜透明冷凝顶盖4置于污水槽5、结晶盐收集槽6和冷凝水收集槽7上方；装置底部的水槽由内到外由挡板隔开分成三个区域，分别是结晶盐收集槽6、污水槽5和冷凝水收集槽7，结晶盐收集槽6位于蒸发器2正下方，用于收集从蒸发器2底部掉落的盐结晶。
一些实施例中，支撑架1的材质为不锈钢。
一些实施例中，倾斜透明冷凝顶盖4的材质为聚甲基丙烯酸甲酯，倾斜透明冷凝顶盖4与水平面的夹角度为30°-70°。
一些实施例中，吸水布3材质为聚酯纤维。
一些实施例中，蒸发器2按如下方法制备得到：
(1)将裁剪好的铜片放入模具中，压制出3D结构，得到蒸发器雏形；
(2)将蒸发器雏形放入稀硝酸中超声清洗，洗去表面的氧化膜，再用去离子水超声冲洗；
(3)将洗净的蒸发器雏形浸泡在NaOH和(NH4)2S2O8的混合溶液中水浴加热，待铜氧化变黑后取出烘干，得到蒸发器主体；
(4)将聚乙烯醇凝胶液涂敷在(3)中得到的蒸发器外壁，放入戊二醛溶液中交联，增强外壁的导水性能。
一些实施例中，步骤(1)中，裁剪好的铜片为直径4-6cm的圆片。
一些实施例中，步骤(1)中，模具的形状为碗状、半球形或锥形。
一些实施例中，步骤(2)中，稀硝酸的质量浓度为0.5％，稀硝酸超声冲洗时间为10min，去离子水超声冲洗时间为5min。
一些实施例中，步骤(3)中，NaOH的浓度为2-2.5mol/L，(NH4)2S2O8的浓度为0.1-0.13mol/L。
一些实施例中，步骤(3)中，加热温度为60℃，加热时间为1h。
一些实施例中，步骤(4)中，聚乙烯醇凝胶液通过醇解度87％-89％的聚乙烯醇颗粒和水按1:10的比例在50℃下加热搅拌2h制备，戊二醛溶液质量浓度为2％，交联时间为2-4h。
实施例1
如图1，一种受光面和蒸发面分离的太阳能蒸发及盐结晶收集装置，包括支撑架1、蒸发器2、吸水布3、倾斜透明冷凝顶盖4、污水槽5、结晶盐收集槽6、冷凝水收集槽7。所述支撑架1底部置于污水槽中，通过缠绕在支撑架上的吸水布2将污水槽5中的污水源源不断地运送到蒸发器2中进行蒸发处理；蒸发器2固定在支撑架1上端，蒸发器2内侧接受太阳光将其转化为热能传导至外侧，蒸发器外侧铺满吸水布输送的污水，发生蒸发；倾斜透明冷凝顶盖4置于污水槽5、结晶盐收集槽6和冷凝水收集槽7上方；装置底部的水槽由内到外由挡板隔开分成三个区域，分别是结晶盐收集槽6、污水槽5和冷凝水收集槽7，结晶盐收集槽6位于蒸发器2正下方，用于收集从蒸发器2底部掉落的盐结晶。
支撑架1的材质为不锈钢。
倾斜透明冷凝顶盖4的材质为聚甲基丙烯酸甲酯。
倾斜透明冷凝顶盖4与水平面的夹角度为50°。
吸水布3材质为聚酯纤维。
蒸发器2按如下方法制备得到：
(1)将铜片裁剪成直径5cm的圆片，在碗状模具中压制出3D结构，得到蒸发器雏形；
(2)将蒸发器雏形放入质量浓度为0.5％的稀硝酸中超声清洗10min，洗去表面的氧化膜，再用去离子水超声冲洗5min；
(3)将洗净的蒸发器雏形浸泡在NaOH(2.5mol/L)和(NH4)2S2O8(0.13mol/L)的混合溶液中水浴加热1h，待铜氧化变黑后取出烘干，得到蒸发器2主体；
(4)醇解度87％-89％的聚乙烯醇颗粒和水按1:10的比例在50℃下加热搅拌2h制备PVA凝胶液，将凝胶液涂敷在步骤(3)中得到的蒸发器外壁，放入质量浓度为2％的戊二醛溶液中交联4h，增强外壁的导水性能。
实施例2
如实施例1所述的受光面和蒸发面分离的太阳能蒸发及盐结晶收集装置，所不同的是：
蒸发器2的制备方法中将其放入半球形模具中压制成型，其余操作、用量与实施例1相同。
实施例3
如实施例1所述的受光面和蒸发面分离的太阳能蒸发及盐结晶收集装置，所不同的是：
蒸发器2的制备方法中将其放入锥形模具中压制成型，其余操作、用量与实施例1相同。
实施例4
如实施例1所述的受光面和蒸发面分离的太阳能蒸发及盐结晶收集装置，所不同的是：
蒸发器2按如下方法制备得到：
(1)将铜片裁剪成直径5cm的圆片，在碗状模具中压制出3D结构，得到蒸发器雏形；
(2)将蒸发器雏形放入质量浓度为0.5％的稀硝酸中超声清洗10min，洗去表面的氧化膜，再用去离子水超声冲洗5min；
(3)将洗净的蒸发器雏形于常温下浸泡在NaOH(2.5mol/L)和(NH4)2S2O8(0.13mol/L)的混合溶液中30min取出，用去离子水冲洗数次后继续在常温下浸泡于Na2S(0.007mol/L)溶液中4h后取出烘干，得到蒸发器2主体；
(4)醇解度87％-89％的聚乙烯醇颗粒和水按1:10的比例在50℃下加热搅拌2h制备PVA凝胶液，将凝胶液涂敷在步骤(3)中得到的蒸发器外壁，放入质量浓度为2％的戊二醛溶液中交联4h，增强外壁的导水性能。
实施例5
实施例1中制备的氧化铜蒸发器表面的微观形貌如图2所示，表面生长有许多纳米颗粒，增加了受光面积。
对实施例1在1个太阳光强下蒸发纯水和氯化钠溶液的实验，结果如图3所示，由图3可知，蒸发器处理盐溶液时蒸发速率低于处理纯水时的数据，但随着氯化钠浓度增加，蒸发速率几乎没有降低，由此可认为该装置在处理高浓度含盐废水时有较大优势。
将原始铜片、氧化铜片、硫化铜片剪成同样大的面积进行吸光性能测试，结果如图4所示，由图4可知，硫化铜片吸光性能全面优于原始铜片和氧化铜片；氧化铜片在紫外-可见光区的吸光性能优于原始铜片，由于太阳辐射的能量主要集中在波长较短的可见光区域，因此氧化和硫化可以有效提高铜片的吸光性能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种受光面和蒸发面分离的太阳能蒸发及盐结晶收集装置，其特征在于，包括支撑架(1)、蒸发器(2)、倾斜透明冷凝顶盖(4)和冷凝水收集槽(7)；所述支撑架(1)底部置于污水槽(5)中，所述支撑架(1)用于支撑凹面的蒸发器(2)；所述支撑架(1)上缠绕有吸水布(3)，所述吸水布(3)的上端与蒸发器(2)下表面接触；
所述蒸发器(2)为表面氧化或硫化的铜片，所述蒸发器(2)的上表面用于接收光线并转化为热能传导至下表面，所述蒸发器(2)的下表面用于蒸发吸水布(3)输送的液体；所述蒸发器(2)正下方为结晶盐收集槽(6)，所述结晶盐收集槽(6)用于收集蒸发器(2)的下表面掉落的结晶盐；所述倾斜透明冷凝顶盖(4)位于蒸发器(2)上方，所述倾斜透明冷凝顶盖(4)用于冷凝所述蒸发器(2)的下表面蒸发出来的水分，所述冷凝水收集槽(7)用于收集倾斜透明冷凝顶盖(4)滴落的水滴。
2.如权利要求1所述的受光面和蒸发面分离的太阳能蒸发及盐结晶收集装置，其特征在于，所述蒸发器(2)为将凹面的铜片置于NaOH和(NH4)2S2O8的混合溶液中加热，使铜片氧化得到；或者将凹面的铜片浸泡于NaOH和(NH4)2S2O8的混合溶液中氧化，再置于Na2S溶液中硫化得到。
3.如权利要求1或2所述的受光面和蒸发面分离的太阳能蒸发及盐结晶收集装置，其特征在于，所述蒸发器(2)的下表面粘附有水凝胶层(8)，所述水凝胶层用于增强蒸发器(2)的导水性能。
4.如权利要求3所述的受光面和蒸发面分离的太阳能蒸发及盐结晶收集装置，其特征在于，所述水凝胶层(8)为聚乙烯醇水凝胶。
5.如权利要求4所述的受光面和蒸发面分离的太阳能蒸发及盐结晶收集装置，其特征在于，所述聚乙烯醇水凝胶通过以下方法制备得到：将聚乙烯醇凝胶液涂敷在凹面的表面氧化或硫化的铜片的下表面，再放入戊二醛溶液中进行交联。
6.如权利要求5所述的受光面和蒸发面分离的太阳能蒸发及盐结晶收集装置，其特征在于，所述聚乙烯醇凝胶液为聚乙烯醇颗粒和水混合液加热搅拌制备得到。
7.如权利要求1所述的受光面和蒸发面分离的太阳能蒸发及盐结晶收集装置，其特征在于，所述吸水布(3)的材料为聚酯纤维。
8.如权利要求1所述的受光面和蒸发面分离的太阳能蒸发及盐结晶收集装置，其特征在于，所述倾斜透明冷凝顶盖(4)的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
9.如权利要求1所述的受光面和蒸发面分离的太阳能蒸发及盐结晶收集装置，其特征在于，所述倾斜透明冷凝顶盖(4)为倒扣的锥面。
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