CN115180674B - 高效处理浓盐水的装置、制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高效处理浓盐水的装置、制备方法及应用，该装置包括基体材料，基体材料的内部划分为双层结构，上层为光热材料层，下层为隔热供水材料层；光热材料层与隔热供水材料层中均包含亲水基材；隔热供水材料层还包含低导热系数的隔热纤维粉体。该装置的光热材料层引入高吸光性的光热粉体，提高光热转换效率；下层的隔热供水材料层引入低导热系数的隔热纤维粉体，在提高亲水性的同时建立隔热屏障，防止热量散失。本发明的光热材料层和隔热供水材料层均含有大量亲水基团，可促进装置内水分子的快速输送、盐离子的快速交换，提高装置处理浓盐水的效果的同时，实现抗盐结晶的目的，实际应用价值高。
Description
技术领域
本发明涉及浓盐水处理技术领域，尤其涉及一种高效处理浓盐水的装置、制备方法及应用。
背景技术
随着人口增长、气候变化和水污染加剧，淡水供应不足的问题也日益显现。在海水淡化和污水处理领域，太阳能的光热效应已经被认为是生产清洁饮用水的一种理想的解决方案；相比传统的加热水沸腾制备蒸汽而言，新型的太阳能界面蒸汽产生技术具有更高的光热转化效率，且更加节约能源。然而，限制太阳能界面蒸发器的蒸发性能的因素仍然存在，例如蒸汽发生器内的水输送、蒸发界面处不可避免的热损失、蒸发过程中盐的严重累积、材料的成本以及蒸发器的制造和使用方便性等。一些研究者们为了克服上述限制，设计了多层级的蒸发装置，利用隔热层将水体与加热表面隔开，以达到更高的蒸发效率；但是，这种组装式的蒸发器存在制备工艺复杂且稳定性下降、供水量减少导致盐晶体产生等问题。
发明专利(公告号为CN 112897618 B)公开了一种能高效处理盐水和废水的三维光热转换材料及装置和方法，向光热转化装置的水容纳区域中加入待处理的盐水或废水，随后将光热转化装置置于光源下；盐水或废水通过吸水层与三维光热转换材料接触并以薄膜形式附着在三聚氰胺泡沫上，氧化石墨烯产生的热量迅速传递给周围的水分子，水分子迅速吸收热量并形成蒸汽，从三聚氰胺泡沫的孔道中蒸发并从溢出；蒸汽在遇到第一壳体常温的顶部时冷凝成液体，顺着第一壳体的内壁流至底部，实现盐水或废水的净化，得到纯净水。该方法材料光热转换率高，性能稳定性好，弹性好易裁剪，且制备流程简单；但是三维光热转换材料的蒸发界面的热损失较高，且该装置在应用时，废水或盐水只能置于水容纳区内，装置的处理效率低，无法进行大规模废水或盐水的处理；另外该装置不适用于浓盐水的处理，处理浓盐水时容易在三维光热转换材料表面形成盐结晶，影响装置的光热转换性能。
有鉴于此，有必要设计一种改进的高效处理浓盐水的装置、制备方法及应用，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效处理浓盐水的装置、制备方法及应用，通过设置光热材料层和隔热供水材料层的双层结构，在提高装置表面热量的同时促使热量局限化，避免热量散失至大体积水中导致损失；双层结构内部含有大量亲水基材，促进水分子的快速输送、盐离子的快速交换，提高装置处理浓盐水的效果的同时，实现抗盐结晶的目的。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种高效处理浓盐水的装置，所述装置包括基体材料，所述基体材料的内部划分为双层结构，上层为光热材料层，下层为隔热供水材料层；所述光热材料层与所述隔热供水材料层中均包含亲水基材；所述隔热供水材料层还包含隔热纤维粉体，所述隔热纤维粉体的导热系数低于0.15W/mk。
作为本发明的进一步改进，所述基体材料为间隔织物；所述基体材料的孔隙率为40％～80％，优选为70％～80％。
作为本发明的进一步改进，所述光热材料层包含光热粉体；所述光热粉体包括碳纤维、炭黑、活性炭、石墨、碳化锆粉体中的一种或多种，所述光热粉体优选为碳纤维粉体。
作为本发明的进一步改进，所述亲水基材包括羧基化纤维素纳米纤维、脂糖、甲基纤维素、透明质酸、明胶、壳聚糖、弹性蛋白样多肽中的一种或多种；所述亲水基材优选为羧基化纤维素纳米纤维。
作为本发明的进一步改进，所述基体材料内部的双层结构中，下层的所述隔热供水材料层的厚度占所述基体材料厚度的1/2～3/4。
作为本发明的进一步改进，所述隔热纤维粉体包括芳纶纤维、羊毛纤维、兔毛纤维、粘胶纤维、醋酯纤维、聚酰亚胺纤维中的一种或多种。
作为本发明的进一步改进，所述间隔织物为3D弹性纤维织物，所述3D弹性纤维织物为纤维经编鱼眼网状织物；所述纤维包括涤纶纤维、棉纤维、尼龙纤维、乙烯-乙烯醇共聚纤维中的一种或多种。
一种上述任一项所述的高效处理浓盐水的装置的制备方法，包括以下步骤：
S1、将隔热纤维粉体与亲水基材的水分散液进行混合，并加入交联剂，搅拌均匀后，得到隔热供水材料溶液；所述隔热纤维粉体与所述亲水基材的水分散液的质量比为(1～10):(90～99)；
S2、将光热粉体与亲水基材的水分散液进行混合，并加入交联剂，搅拌均匀后，得到光热材料溶液；所述光热粉体与所述亲水基材的水分散液的质量比为(1～10):(90～99)；
S3、将步骤S1得到的所述隔热供水材料溶液填充至基体材料的下层，直至填充至距离所述基体材料底部的1/2～3/4处，在-20～-40℃下冷冻定型；再将步骤S2得到的所述光热材料溶液填充至所述基体材料的上层剩余部分，直至无空隙、顶部无所述基体材料显露，在-20～-40℃下冷冻定型；最后在冻干机中冻干8～12h，即得所述高效处理浓盐水的装置。
作为本发明的进一步改进，所述亲水基材的水分散液的固含量不低于1％；所述交联剂的添加量为0.005～0.01mL/g的所述隔热供水材料溶液或所述光热材料溶液；所述交联剂包括戊二醛、甲醛、尿素、二元羧酸、二元醛、二元环氧化物中的一种。
一种上述任一项所述的高效处理浓盐水的装置的应用，所述高效处理浓盐水的装置用于处理10％～20％的浓盐水；在所述装置的隔热供水材料层的一侧设置漂浮材料层，用于支撑所述装置漂浮于待处理浓盐水的表面；所述漂浮材料层为多孔泡沫材料。
本发明的有益效果是：
1、本发明的一种高效处理浓盐水的装置、制备方法及应用，该装置包括基体材料，基体材料的内部划分为双层结构，上层为光热材料层，下层为隔热供水材料层；光热材料层与隔热供水材料层中均包含亲水基材；隔热供水材料层还包含隔热纤维粉体，隔热纤维粉体的导热系数低于0.15W/mk。该装置具有独特的双层结构，上层的光热材料层引入具有高吸光性的光热粉体，可以提高光热转换效率；下层的隔热供水材料层引入具有低导热系数的隔热纤维粉体，在提高亲水性的同时建立隔热屏障，防止热量散失。该装置通过双层结构的协同作用，在提高装置表面热量的同时促使热量局限化，避免热量散失至大体积水中，导致热量的损耗。
2、本发明的光热材料层和隔热供水材料层均含有大量亲水基团，使得该装置在用于浓盐水的界面蒸发时，水分子能够快速输送至光热材料层中，光热材料层中的光热粉体材料可以高效地将太阳能转换成热能，使水分快速蒸发导致光热材料层盐浓度高于隔热供水材料层，形成盐浓度梯度；又由于大量亲水羟基的存在，使得盐离子通过渗透作用快速交换，回流进内层大体积水中，以促使盐离子不断从光热材料层中转出，实现抗盐结晶的目的，可有效的避免盐分在装置表面产生结晶。
3、本发明在双层结构中以基体材料作为支撑，基体材料为间隔织物，基体材料的孔隙率优选为70％～80％时，既能为水分的扩散提供大量的输送通道，又能使装置具有较好的结构稳定性，防止结构塌陷，使整个装置的使用寿命进一步提高。大量的水输送通道的存在会影响装置的隔热性，因此隔热供水材料层引入了具有低导热系数的隔热纤维粉体，既能发挥较好的隔热效果，同时由于隔热纤维粉体比表面积大、内部结构的多孔性，填充基体材料后不会影响基体材料的传输孔道，使装置仍然保持较好的水分扩散速率和盐离子的交换速率。
附图说明
图1为本发明实施例1的碳纤维粉体与芳纶纤维粉体的导热系数对比图。
图2为实施例1的装置的光热材料层顶部、侧部、水体和环境的温度随时间变化图。
图3为实施例1的装置在15％的NaCl溶液中蒸发8h的质量损失曲线及每小时对应的蒸发速率图。
图4为实施例1的装置在15％的NaCl溶液中蒸发0、2、4、6、8h的结盐情况图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
一种高效处理浓盐水的装置，包括基体材料，基体材料的内部划分为双层结构，上层为光热材料层，下层为隔热供水材料层；光热材料层与隔热供水材料层中均包含亲水基材；隔热供水材料层还包含隔热纤维粉体，隔热纤维粉体的导热系数低于0.15W/mk。其中，双层结构的下层的隔热供水材料层的厚度占基体材料厚度的1/2～3/4。该装置具有独特的双层结构，上层的光热材料层引入具有高吸光性的光热粉体，可以提高光热转换效率；下层的隔热供水材料层引入具有低导热系数的隔热纤维粉体，在提高亲水性的同时建立隔热屏障，防止光热气凝胶材料层的热量散失。该装置的双层结构协同作用，在提高装置表面热量的同时促使热量局限化，避免热量散失至大体积水中，导致热量损失。
特别地，光热材料层和隔热供水材料层均含有大量亲水基材，亲水基材为其提供大量的亲水基团，使得该装置在用于高浓度盐水的界面蒸发时，水分子能够快速输送至光热材料层中，光热材料层中的光热粉体材料可以将太阳能转换成热能，使水分快速蒸发导致光热材料层盐浓度高于隔热供水材料层，形成盐浓度梯度；又由于大量亲水羟基的存在，使得上层的盐离子通过渗透作用快速交换，回流进内层大体积水中，以促使盐离子不断从光热材料层中转出，实现抗盐结晶的目的，可有效的避免盐分在装置表面产生结晶。
在一些具体的实施例中，亲水基材包括羧基化纤维素纳米纤维、脂糖、甲基纤维素、透明质酸、明胶、壳聚糖、弹性蛋白样多肽中的一种或多种；亲水基材优选为羧基化纤维素纳米纤维。
具体地，基体材料为间隔织物，基体材料的孔隙率为40％～80％，优选为70％～80％。基体材料的孔隙率优选为70％～80％时，既能为水分的扩散提供大量的输送通道，又能使装置具有较好的结构稳定性，防止结构塌陷，使整个装置的使用寿命进一步提高。大量的水输送通道的存在会影响装置的隔热性，因此隔热供水材料层引入了具有低导热系数的隔热纤维粉体，既能发挥较好的隔热效果，同时由于隔热纤维粉体的比表面积大、内部结构的多孔性，填充基体材料后不会影响基体材料的传输孔道，使装置仍然保持较好的水分扩散速率和盐离子的交换速率。
在一些具体的实施例中，隔热纤维粉体包括芳纶纤维羊毛纤维、兔毛纤维、粘胶纤维、醋酯纤维、聚酰亚胺纤维中的一种或多种。
在一些具体的实施例中，间隔织物为3D弹性纤维织物，3D弹性纤维织物为纤维经编鱼眼网状织物；纤维包括涤纶纤维、棉纤维、尼龙纤维、乙烯-乙烯醇共聚纤维中的一种或多种。
具体地，光热材料层包含光热粉体；光热粉体包括包括碳纤维粉体、炭黑、活性炭、石墨、碳化锆粉体中的一种或多种，优选为碳纤维粉体。碳纤维粉体的内部结构为有序的结晶体和孔洞组成，可以提高材料的光热转换效率，进而提高该装置对高浓度盐水的处理效率。
一种高效处理浓盐水的装置的制备方法，包括以下步骤：
S1、将隔热纤维粉体与亲水基材的水分散液进行混合，并加入交联剂，搅拌均匀后，得到隔热供水材料溶液；隔热纤维粉体与亲水基材的水分散液的质量比为(1～10):(90～99)；
S2、将光热粉体与亲水基材的水分散液进行混合，并加入交联剂，搅拌均匀后，得到光热材料溶液；光热粉体与亲水基材的水分散液的质量比为(1～10):(90～99)；
S3、将步骤S1得到的隔热供水材料溶液填充至基体材料的下层，直至填充至距离基体材料底部的1/2～3/4处，在-20～-40℃下冷冻定型；再将步骤S2得到的光热材料溶液填充至基体材料的上层剩余部分，直至无空隙、顶部无基体材料显露，在-20～-40℃下冷冻定型；最后在冻干机中冻干8～12h，即得高效处理浓盐水的装置。
具体地，亲水基材的水分散液的固含量不低于1％；交联剂的添加量为0.005～0.01mL/g的隔热供水材料溶液或光热材料溶液；交联剂包括戊二醛、甲醛、尿素、二元羧酸、二元醛、二元环氧化物中的一种。交联剂的作用是使亲水基材与亲水基材之间发生化学键合，提高其分散性，形成均匀分散的水分散液；进而在后续填充基体材料时，亲水基材可以均匀的分布于基体材料的内部，发挥其亲水作用，促进水分在装置内部的传输。
一种高效处理浓盐水的装置的应用，高效处理浓盐水的装置适用于处理10％～20％的浓盐水，由于装置内部含有大量的均匀分布的亲水基材，且基体材料为孔隙率较高的3D弹性纤维间隔织物；所以该装置用于高浓度盐水时，水分子能够快速输送至光热材料层中并快速蒸发出去，又由于内部大量亲水羟基的存在，使得盐离子通过渗透作用快速交换，回流进内层大体积水中，以促使盐离子不断从光热材料层中转出，可有效的避免处理浓盐水时盐分容易在装置表面产生结晶的问题。
具体地，该装置在应用时，装置的隔热供水材料层的一侧设置漂浮材料层，用于支撑该装置漂浮于待处理浓盐水的表面；漂浮材料层为多孔泡沫材料。
实施例1
本实施例提供了一种高效处理浓盐水的装置及其制备方法，具体包括以下步骤：
S1、将5g的芳纶纤维粉体与95g的羧基化纤维素纳米纤维的水分散液进行混合，并加入1mL的戊二醛交联剂，机械搅拌分散均匀后，得到隔热供水材料溶液；其中，羧基化纤维素纳米纤维的水分散液的固含量为1％；
S2、将5g的碳纤维粉体与95g的羧基化纤维素纳米纤维的水分散液进行混合，并加入1mL的戊二醛交联剂，机械搅拌分散均匀后，得到光热材料溶液；其中，羧基化纤维素纳米纤维的水分散液的固含量为1％；
S3、将步骤S1得到的隔热供水材料溶液填充至间隔织物的下层，直至填充至距离其底部的3/4处，在-40℃下冷冻定型；再将步骤S2得到的光热材料溶液填充至间隔织物的上层剩余部分，直至无空隙、顶部无织物材料显露，在-40℃下冷冻定型；最后在冻干机中冻干12h，即得高效处理浓盐水的装置。
请参阅图1所示，图1为实施例1的碳纤维粉体与芳纶纤维粉体的导热系数对比图。从图中可以看出碳纤维粉体的导热系数比水的导热系数高，可以实现较好的光热转换效果；而芳纶纤维粉体的导热系数较低，其在装置中可以起到隔热的作用，促使热量局限化，避免热量散失至装置底部的大体积水中造成损失。
请参阅图2所示，图2为实施例1的装置的光热材料层顶部、侧部、水体和环境的温度随时间变化图。从图2中可以看出，该装置的光热转换性能较好，有利于提升水分的蒸发速率。
请参阅图3～4所示，将实施例1的装置进行浓度为15％的浓盐水的处理，得到图3，为实施例1的装置在15％的NaCl溶液中蒸发8h的质量损失曲线及每小时对应的蒸发速率图，以及图4的装置在15％的NaCl溶液中蒸发0、2、4、6、8h的结盐情况图。从图3可以看出浓盐水的蒸发速率在0～8h内保持稳定，说明随着时间的增加，该装置对于浓盐水的处理效果并不会变差，该装置的处理效果好且应用时间长。从图4中也可以看出装置在处理8h后表面并未出现结盐的情况，说明其适用于浓盐水的处理，且抗盐结晶的效果较好。
综上所述，本发明提供了一种高效处理浓盐水的装置、制备方法及应用，该装置包括基体材料，基体材料的内部划分为双层结构，上层为光热材料层，下层为隔热供水材料层；光热材料层与隔热供水材料层中均包含亲水基材；隔热供水材料层还包含隔热纤维粉体，隔热纤维粉体的导热系数低于0.15W/mk。该装置具有独特的双层结构，上层的光热材料层引入具有高吸光性的光热粉体，可以提高光热转换效率；下层的隔热供水材料层引入具有低导热系数的隔热纤维粉体，在提高亲水性的同时建立隔热屏障，防止热量散失。双层结构中以基体材料作为支撑，基体材料的孔隙率高，既能为水分的扩散提供大量的输送通道，又能使装置具有较好的结构稳定性，防止结构塌陷，使整个装置的使用寿命进一步提高。另外，本发明的光热材料层和隔热供水材料层均含有大量亲水基团，使得该装置在用于10％～20％的浓盐水界面蒸发时，水分子能够快速输送至光热材料层中，光热材料层中的光热粉体材料可以高效地将太阳能转换成热能，促进水分快速蒸发，导致光热材料层的盐浓度高于隔热供水材料层的盐浓度，形成盐浓度梯度；又由于大量亲水羟基的存在，使得上层的盐离子通过渗透作用快速交换，回流进内层大体积水中，以促使盐离子不断从光热材料层中转出，实现抗盐结晶的目的，可有效的避免盐分在装置表面产生结晶，扩宽了蒸发装置的应用范围，具有较高的实用价值。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (11)
1.一种高效处理浓盐水的装置，其特征在于，所述装置包括基体材料，所述基体材料的内部划分为双层结构，上层为光热材料层，下层为隔热供水材料层；所述光热材料层与所述隔热供水材料层中均包含亲水基材；所述隔热供水材料层还包含隔热纤维粉体，所述隔热纤维粉体的导热系数低于0.15W/mk；
所述基体材料为间隔织物，所述间隔织物为3D弹性纤维织物；所述光热材料层包含光热粉体；所述亲水基材包括羧基化纤维素纳米纤维、脂糖、甲基纤维素、透明质酸、明胶、壳聚糖、弹性蛋白样多肽中的一种或多种；所述隔热纤维粉体包括芳纶纤维、羊毛纤维、兔毛纤维、粘胶纤维、醋酯纤维、聚酰亚胺纤维中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的高效处理浓盐水的装置，其特征在于，所述基体材料的孔隙率为40%~80%。
3.根据权利要求2所述的高效处理浓盐水的装置，其特征在于，所述基体材料的孔隙率为70%~80%。
4.根据权利要求1所述的高效处理浓盐水的装置，其特征在于，所述光热粉体包括碳纤维、炭黑、活性炭、石墨、碳化锆粉体中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的高效处理浓盐水的装置，其特征在于，所述光热粉体为碳纤维。
6.根据权利要求1所述的高效处理浓盐水的装置，其特征在于，所述亲水基材为羧基化纤维素纳米纤维。
7.根据权利要求1所述的高效处理浓盐水的装置，其特征在于，所述基体材料内部的双层结构中，下层的所述隔热供水材料层的厚度占所述基体材料厚度的1/2~3/4。
8.根据权利要求1所述的高效处理浓盐水的装置，其特征在于，所述3D弹性纤维织物为纤维经编鱼眼网状织物；所述纤维包括涤纶纤维、棉纤维、尼龙纤维、乙烯-乙烯醇共聚纤维中的一种或多种。
9.一种权利要求1~8中任一项所述的高效处理浓盐水的装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将隔热纤维粉体与亲水基材的水分散液进行混合，并加入交联剂，搅拌均匀后，得到隔热供水材料溶液；所述隔热纤维粉体与所述亲水基材的水分散液的质量比为（1~10）:（90~99）；
S2、将光热粉体与亲水基材的水分散液进行混合，并加入交联剂，搅拌均匀后，得到光热材料溶液；所述光热粉体与所述亲水基材的水分散液的质量比为（1~10）:（90~99）；
S3、将步骤S1得到的所述隔热供水材料溶液填充至基体材料的下层，直至填充至距离所述基体材料底部的1/2~3/4处，在-20~-40℃下冷冻定型；再将步骤S2得到的所述光热材料溶液填充至所述基体材料的上层剩余部分，直至无空隙、顶部无所述基体材料显露，在-20~-40℃下冷冻定型；最后在冻干机中冻干8~12h，即得所述高效处理浓盐水的装置。
10.根据权利要求9所述的高效处理浓盐水的装置的制备方法，其特征在于，所述亲水基材的水分散液的固含量不低于1%；所述交联剂的添加量为0.005~0.01mL/g的所述隔热供水材料溶液或所述光热材料溶液；所述交联剂包括戊二醛、甲醛、尿素、二元羧酸、二元环氧化物中的一种。
11.一种权利要求1~8中任一项所述的高效处理浓盐水的装置的应用，其特征在于，所述高效处理浓盐水的装置用于处理10%~20%的浓盐水；在所述装置的隔热供水材料层的一侧设置漂浮材料层，用于支撑所述装置漂浮于待处理浓盐水的表面；所述漂浮材料层为多孔泡沫材料。
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