CN115253325B - 一种太阳能界面水蒸馏器 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能界面水蒸馏器，用于制备蒸馏水，包括隔热支撑层、光热反射层、收集器。光热反射层是水蒸气发生的核心，由光热材料B构成，这种光热材料呈颗粒状，具有结构稳定，亲水溶胀的特点，克服了水蒸气发生器水分传输困难的问题。本发明专利实现了隔热、支撑、水蒸发和收集的一体化，具有效能明显、稳定性好和循环使用等优点，方便应用和规模化制备。

Description

一种太阳能界面水蒸馏器
技术领域
本发明专利涉及光热复合材料研制与应用领域，特别是涉及一种太阳能界面水蒸馏器。
背景技术
本发明的目的是提供一种用于直接从天然水体生产蒸馏水的装置和方法，这种蒸馏水的生产装置由两部分组成：太阳能界面水蒸发体系（光热反射层）和蒸发水收集体系。装置依靠光热材料产生蒸发水，水池和装置顶部之间的自然温度差作为冷凝水的方式。在主动的太阳能蒸馏中，将外部能量提供给水蒸馏器以增加光热反射层和收集器顶部之间的温度差。
太阳能界面水蒸发体系的设计通常需要兼顾考虑有效的光吸收、水分传输和热量管理与利用三个方面，考虑到其实际应用性能，还需要将成本控制与规模化制备纳入体系设计的考量范围。目前，研究人员针对这四个方面的研究也颇为丰富，各种不同的光热材料包括等离子体纳米材料、半导体纳米材料、纳米碳材料和聚合物纳米材料等被用于太阳能海水淡化或淡水蒸馏。研究人员通过优化输水通道提高了供水效率，通过引入低导热低密度材料如聚酰亚胺、聚苯乙烯泡沫、聚氨酯海绵、木材和气凝胶等作为隔热支撑层有效地降低了热量向水体的热传导损耗，通过选用廉价的纸张和纺织面料降低了材料成本。
存在最大技术问题是光能吸收、水分传输和热量管理。若光热材料与水接触充分可能妨碍光照，如果水分传输不够，热量又利用不足；光能吸收和水分传输不能很好兼顾。另外还有因光热隔热材料分离化而带来的使用不便利和水蒸气难以收集等问题。
发明内容
有鉴于此，本专利的目的在于提供一种太阳能界面水蒸馏器，该蒸馏器可以有效地解决水蒸馏器水分传输和光能吸收之间相互矛盾的问题。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种太阳能界面水蒸馏器，包括隔热支撑层、光热反射层、收集器，所述光热反射层为颗粒状亲水、吸水和导湿材料，颗粒材料表层为光热材料。颗粒之间留有输水孔道，这样的设计稳定了供水速率，解决了水分传输和光能吸收之间的冲突。此外，内载体颗粒载体、外聚合物光热材料的结合简化了光热反射层设计，强化了光热反射层结构，减少了光热反射层载体传导热量导致的热量散失，半球形透明顶盖的聚焦减少了阳光的散射；颗粒状的反射层可以很好接受太阳光的辐射，不存在辐射死角，不需要人为调整光热材料角度就可以充分吸收太阳能转化为热能，大大提高光热转化效能；系统循环使用中，轻微搅动光热反射层可以恢复水蒸发效率。
该水蒸馏器采取蒸发、收集一体设计，杜绝了光热隔热材料和收集分离化而带来的种种问题，提高了蒸汽收集效率。
水蒸汽产生于光热反射层，光热反射层由颗粒状光热材料复合材料组成，所述光热复合材料B 化学成分是P(St-DVB-MAA) /PPy，为颗粒状直径2-5mm，密度大于1。
所述光热复合材料B内层是P(St-DVB-MAA)，具有一定强度和亲水性，能吸附溶胀于溶液中，构成光热反射层载体；外层富集大量光热材料聚吡咯PPy，将转换而来的热量传递给水分子，使之气化，蒸发。
所述内置光热反射层接纳由隔热层进水口进入的液态水，接受经收集器顶盖射入的太阳光。颗粒状的光热反射材料B存在颗粒间缝隙，构成传输水分通道，使水分子在吸附和毛细作用下快速溶胀，并与颗粒状材料保证与阳光最大的接触面，在阳光照射下光能转化为热量并传导给附着在光热材料表面的水层，水分子受热发生蒸发作用。此外，光热反射层略高于自然水体水面，减少热量因传导造成的损失。
所述隔热支撑层为拒水发泡的聚酰亚胺制得，环形包围光热反射层。所述隔热支撑层外形为盆状容器，使得整个水蒸馏器系统漂浮在自然水面之上。由于环形包围光热反射层，以保证热量充分利用，保证水分子蒸发而不逸失。隔热支撑层厚度为5-10cm，可根据具体环境选用，热导率小于0.03W/(m·k)。
所述收集器，包括收集顶盖，导流管，收集管。
所述收集器顶盖呈半球状，聚丙烯材料构成，透明轻薄，厚度为0.5-1mm，容许阳光射入从而收集太阳能，为光热转换创造条件。半球形设计，形成透镜效应，聚焦在光热反射层，增高了光热反射层温度，减少太阳能的流失。由于收集器顶盖和光热反射层温度差，水蒸汽在收集器顶盖重新凝结，收集器顶盖分布有6条导流槽，顶盖卡在环形集水槽边缘。重新凝结的液态水沿着导流槽进入集水槽，并经导流管出水口流出，最终被收集。
所述收集器和隔热支撑层的外缘直径相同并均大于光热转换层，收集器粘合在隔热支撑层之上。
所述光热复合材料B制作步骤如下：
（1）单体苯乙烯St5ml、α—甲基丙烯酸MAA10 mL、交联剂二乙烯苯DVB1mL、引发剂过氧化苯甲酰0.2g，搅拌溶解构成油相。分散剂聚乙烯醇PVA0.05g加入80ml蒸馏水，于80℃水浴中加热3h溶解。在 250 mL三口烧瓶中，加入上述配比的PVA水溶液和油相，置于 80℃的恒温水浴锅中边搅拌边升温，控制一定的搅拌速率（300r/min），通 N215min后反应 4 h。用蒸馏水、无水乙醇轮番洗涤产品，以除去未反应的单体和分散剂，最后用布氏漏斗分离。产物在60℃下烘干，得到交联P(St-DVB-MAA)微球。筛选直径2-5mm左右的微球视为材料A。
（2）将含有材料A（50g）和吡咯（0.2mol）充分混合均匀后，加入0.2mL的 0.1％的戊二醛溶液和0.5 mL的1mol/Ｌ过硫酸铵溶液。18 ℃恒温水浴环境下反应12ｈ，制得颗粒状的光热复合材料B。
附图说明
图1是本发明专利的结构示意图
图2是结构图的俯视图
图3是本发明专利的工作示意图
附图中标记：1、隔热支撑层；2、进水口；3、收集管；4、出水口；5、收集器；6、导流槽；7、集水槽；8、光热反射层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明专利，但不用来限制本发明专利的范围。
实施例1
一种太阳能界面水蒸馏器，包括隔热支撑层、光热反射层、收集器，所述收集器的底部设置有排水口。
收集器，包括收集顶盖，导流槽，收集管。
所述内置光热反射层接纳由隔热支撑层（1）进水口（2）进入的液态水，接受经收集器顶盖射入的太阳光。隔热支撑层（1）为隔热效果显著的聚酰亚胺材料制得，且略低于光热反射层（8），环形包围光热反射层（8），确保热量充分利用，水分子蒸发不逸失。
内置光热反射层之颗粒状的光热反射材料B存在颗粒间缝隙及水分传输通道，待蒸发的水由隔热层进水口进入后被颗粒状的亲水的光热反射材料B所吸收。在水分子的吸附和毛细作用下，光热反射层（8）快速溶胀。颗粒状材料保证与阳光最大的接触面，在阳光照射下光能转化为热量并传导给附着在光热材料表面的水层，水分子受热发生蒸发作用。
收集器（5）顶盖透明呈半球状，厚度为0.5-1mm，分布6条导流槽（6），顶盖卡在环形集水槽（7）边缘。由于温度差，水蒸气在收集器顶盖重新凝结，沿着导流槽（6）进入集水槽（7），并经出水口（4）从收集管（3）流出，半球形的顶盖反射太阳能提高反射光热材料的升温。
所述隔热支撑层（1）为，为盆状容器，热导率小于0.03W/(m·k)。所述隔热支撑层为拒水柔性发泡隔热材料，发泡基材是聚酰亚胺，确保整个系统漂浮在水面上。所述隔热支撑层厚度为5cm。
收集器和隔热支撑层的外缘直径相同并均大于光热转换层，收集器粘合在隔热支撑层之上。隔热支撑层直径20cm，深度8cm。
光热复合材料B制作步骤如下：
（1）单体苯乙烯St5ml、α—甲基丙烯酸MAA10 mL、交联剂二乙烯苯DVB1mL、引发剂过氧化苯甲酰0.2g，搅拌溶解构成油相。分散剂聚乙烯醇PVA0.05g加入80ml蒸馏水，于80℃水浴中加热3h溶解。在 250 mL三口烧瓶中，加入上述配比的PVA水溶液和油相，置于 80℃的恒温水浴锅中边搅拌边升温，控制一定的搅拌速率（300r/min），通 N215min后反应 4 h。用蒸馏水、无水乙醇轮番洗涤产品，以除去未反应的单体和分散剂，最后用布氏漏斗分离。产物在60℃下烘干，得到交联P(St-DVB-MAA)微球。筛选直径2-5mm左右的微球视为材料A。
（2）将含有材料A（50g）和吡咯（0.2mol）充分混合均匀后，加入0.2mL的 0.1％的戊二醛溶液和0.5 mL的1mol/Ｌ过硫酸铵溶液。18 ℃恒温水浴环境下反应12ｈ，制得颗粒状的光热复合材料P(St-DVB-MAA)/PPy。
将所制备的太阳能界面水蒸馏器进行测试，结果表明：在环境温度为30℃，自然光线照射的条件下，在太阳能水蒸发的初始阶段中，该系统的光热反射层温度高于自然水体5℃，蒸汽产生速率为1.67kg/m2·h，蒸汽收集效率可以达到83.4％。将该系统循环使用并水洗50次后，再次测试其性能，蒸汽产生速率可以达到1.60kg/m2·h，蒸汽收集效率为81.3％，说明该太阳能界面水蒸馏器具有良好的光热水蒸发、收集性能和循环使用性能。

Claims (5)

1.一种太阳能界面水蒸馏器，其特征在于，所述的太阳能蒸馏器包括：一个收集器、一个隔热支撑层，一个光热反射层，收集器和隔热支撑层的外缘直径相同并均大于光热转换层，收集器粘合在隔热支撑层之上，整个系统漂浮在水面上，隔热支撑层(1)为盆状容器，环形包围光热反射层(8)，隔热层进水口(2)连通光热反射层(8)，光热复合材料B构成光热反射层主体，并有传输水分的通道，自然水面略低于光热反射层(8)，收集器顶盖分布6条导流槽(6)，顶盖卡在集水槽(7)，集水槽经出水口(4)和收集管(3)连通，收集器的顶盖为透明半球形，聚焦于光热反射层；
所述的光热复合材料B制备步骤方法如下：
(1)单体苯乙烯5mL、α—甲基丙烯酸10mL、交联剂二乙烯苯1mL、引发剂过氧化苯甲酰0.2g，搅拌溶解构成油相；分散剂聚乙烯醇0.05g加入80mL蒸馏水，于80℃水浴中加热3h溶解；在250mL三口烧瓶中，加入上述配比的聚乙烯醇水溶液和油相，置于80℃的恒温水浴锅中边搅拌边升温，控制一定的搅拌速率(300r/min)，通N215min后反应4h；用蒸馏水、无水乙醇轮番洗涤产品，以除去未反应的单体和分散剂，最后用布氏漏斗分离；产物在60℃下烘干，得到交联P(St-DVB-MAA)微球；筛选直径2-5mm的微球视为材料A；
(2)将50g材料A和0.2mol的吡咯充分混合均匀后，加入0.2mL的0.1％的戊二醛溶液和0.5mL的1mol/L过硫酸铵溶液；18℃恒温水浴环境下反应12h，制得颗粒状的光热复合材料B即P(St-DVB-MAA)/PPy。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能界面水蒸馏器，其特征在于，所述的收集器的顶盖为聚丙烯材料构成，厚度为0.5-1mm。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能界面水蒸馏器，其特征在于，所述的隔热支撑层为拒水发泡隔热材料，发泡基材是聚酰亚胺，厚度为5-10cm，热导率小于0.03W/(m·k)。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能界面水蒸馏器，其特征在于，所述的导流槽为螺旋形凸起。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能界面水蒸馏器，其特征在于，所述的集水槽为环形沟槽，有出水口排水。
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