CN115404947A - 一种基于mof材料的新型集水装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MOF材料的新型集水装置及方法，该装置具体包括辐射制冷薄膜、转换腔、太阳能反射薄膜、导热板、MOF吸附材料、热媒腔、集水腔、冷媒腔、水箱、移动隔板、温度传感器、活塞、阀杆、阀门、压力调节阀、排气阀。本发明将MOF吸附材料与辐射制冷技术、太阳能集热技术相结合，利用辐射制冷薄膜与外太空换热获得的冷量提高MOF材料的吸附性能，同时，利用热媒提升MOF材料对太阳热辐射的吸收能力，进而提高MOF材料的解吸性能，由此可在充分利用自然能力的情况下，提高MOF材料吸收空气中的水分的能力。
Description
技术领域
本发明属于被动式能源利用的技术领域，具体来说，涉及一种基于MOF材料的新型集水装置及方法。
背景技术
在二十一世纪，由于有限清洁水资源的过度利用和污染，在全球范围内，40多亿人正在遭受水资源短缺的痛苦，并且在不发达的地区情况更加糟糕。在淡水资源缺乏的背景下，水资源收集问题备受人们的关注，成为人类关注的焦点。然而，大气中大量的水是以水蒸气的形式存在的，所以收集这部分的水就显的格外重要。近年来，金属有机框架(MOF)材料走进了人们的视野，由于MOF材料表面有许多微小的孔，这些多孔结构增大的材料的比表面积，所以MOF材料具有良好的吸附性能。MOF材料的吸附性能受到环境温度、湿度、材料的比表面、材料的孔隙率、以及所吸附气体的性质等影响。当MOF材料的温度降低时，吸附性能会得到强化，当MOF材料温度升高时，解吸性能会得到强化。用MOF材料来集水通常是利用晚上较低的环境温度来进行吸附，而白天可通过吸收太阳热辐射提高温度，进而进行解吸。采用这种方法时，由于昼夜温差有限，MOF材料的吸附性能和解吸性能较低。
近年来，辐射制冷作为一种被动式冷却技术受到越来越多的关注，这种被动式冷却技术通过“大气窗口”(8-13μm波段)将热量以电磁波的形式发射到外太空，即通过辐射制冷材料表面与外太空进行辐射换热，进而使得材料本身温度降低到环境温度以下。如将辐射制冷与MOF材料进行结合，可有效降低夜间MOF材料的吸附温度，进而提升吸附性能。同时，如能提升材料在(0.25-2.5μm)波段的太阳吸收率(大于0.8)，又可以有效的提高MOF材料的解吸性能。因此，如能将MOF吸附材料与辐射制冷技术、太阳能集热技术有效结合，可在充分利用自然冷、热源的条件下，进一步提高MOF吸附材料的吸附性能和解吸性能。
现有关于集水装置公开技术中，专利CN113896264A公开了一种辐射制冷水资源获取装置，该装置将冷凝集水装置与辐射制冷涂层相结合，在冷凝室内设置特定的辐射制冷涂层，使辐射制冷涂层表面温度远低于空气温度，提供冷凝水蒸气所需的温差，进而提高冷凝效率。冷凝室内辐射制冷涂层表面进行特定的表面亲疏水处理，使辐射制冷涂层表面所冷凝的水可自发从表面脱落被收集，从而提高冷凝水收集效率。但是该技术需要将辐射表面温度降低到露点温度以下才能进行集水，其应用受到了限制。
本发明相较于现有公开技术，是一种基于MOF材料的新型集水装置，该装置将辐射制冷技术、太阳能集热技术、MOF材料吸附技术相结合，利用辐射致冷薄膜与外太空换热获得冷量，充分利用自然冷源，使得MOF的吸附性能得到强化，并利用热媒提升太阳热辐射的吸收能力，使得解吸效率得到强化，可在环境温度下进行，不需要讲环境温度降低到露点温度以下，具有更广阔的应用前景。
发明内容
本发明提供了一种基于MOF材料的新型集水装置及方法，本发明的目的在于提供一种结构简单，集水效果好的新型集水装置。
为实现本发明的目的，本发明实施例采用以下技术方案：
实现本发明目的的技术方案是提供了一种基于MOF材料的新型集水装置，该系统包括：辐射制冷薄膜、转换腔、太阳能反射薄膜、导热板、MOF吸附材料、热媒腔、集水腔、冷媒腔、水箱、移动隔板、温度传感器、第一活塞、第二活塞、第一阀杆、第二阀杆、阀门、压力调节阀、排气阀；
作为优选例，所述一种基于MOF材料的新型集水装置的各个部件的连接方式如下：
所述的辐射制冷薄膜的底部与转换腔顶部紧密连接，转换腔的底部与太阳能反射薄膜的顶部紧密连接，太阳能反射薄膜的底部与导热板的顶部紧密连接，导热板的底部与MOF吸附材料的顶部紧密连接；
所述的移动隔板位于转换腔内部，并将转换腔分隔成不相通的两部分，移动隔板在转换腔可在冷媒和热媒的推动下沿着第一管道和第二管道方向移动；
所述的热媒腔、集水腔、冷媒腔紧密连接构成一个整体；
所述的第一活塞和第一阀杆紧密连接构成一个整体，第一活塞位于热媒腔内部；
所述的第二活塞和第二阀杆紧密连接构成一个整体，第二活塞位于冷媒腔内部；
所述的热媒腔与转换腔通过第一管道连接；
所述的冷媒腔与转换腔通过第二管道连接；
所述的MOF吸附材料与集水腔通过第三管道连接；
所述的热媒腔与第一阀门的输出端通过第五管道连接，第四管道与第一阀门的输入端连接；
所述的冷媒腔与第二阀门的输出端通过第七管道连接，第六管道与第二阀门的输入端连接；
所述的集水腔与压力调节阀的输入端通过第八管道连接；
所述水箱与压力调节阀的输出端通过第九管道连接；
所述的排气阀安装在集水腔的上部，用于排除集水腔内部的空气；
所述的第一阀杆和第二阀杆通过温度传感器分别控制第一活塞和第二活塞在热媒腔和冷媒腔内做往复运动；
所述的第四管道用于向热媒腔中充注热媒；
所述的第六管道用于向冷媒腔中充注冷媒；
所述的压力调节阀的传热器安装集水腔中，根据集水腔中的压力调节压力调节阀的开度。
作为优选例，所述的辐射制冷薄膜在8-13μm波段的发射率大于0.9且在0.25-2.5μm波段的太阳透射率大于0.9；所述的辐射制冷薄膜可以是高分子辐射制冷薄膜，无机涂层薄膜，基于纳米粒子的辐射制冷薄膜中的一种。
作为优选例，所述的MOF吸附材料比表面积不低于3800m2/g-1，吸附量不低于35mg/g；所述的MOF吸附材料可以是MOF-74-Mg，MOF-801，MOF-803中的一种。
作为优选例，所述的热媒在0.25-2.5μm波段的太阳吸收率大于0.8且导热系数不低于0.5W/m·K；所述的热媒可以是多壁碳纳米管跟乙二醇的混合溶液，碳纤维石墨烯跟乙二醇的混合溶液中的一种。
作为优选例，所述的冷媒在0.25-2.5μm波段的太阳透射率大于0.8且导热系数不低于0.5W/m·K；所述的冷媒可以是去离子水，纯水，含有金属钾钠的液体中的一种。
与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：
本发明将MOF吸附材料与辐射制冷技术、太阳能集热技术相结合，利用辐射制冷薄膜与外太空换热获得的冷量提高MOF材料的吸附能力，同时，热媒可以吸收大部分太阳热辐射进而提高MOF材料的解吸能力，由此可在充分利用自然能力的情况下，提高MOF材料吸收空气中的水分的能力。
附图说明
图1是本发明实施例的示意图；
图2是本发明实施例的三维示意图；
具体实施方式
下面结合附图，对本发明实施例的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明实施例的一种基于MOF材料的新型集水装置的各个部件的连接方式如下：
所述的辐射制冷薄膜(1)的底部与转换腔(2)顶部紧密连接，转换腔(2)的底部与太阳能反射薄膜(3)的顶部紧密连接，太阳能反射薄膜(3)的底部与导热板(4)的顶部紧密连接，导热板(4)的底部与MOF吸附材料(5)的顶部紧密连接；
所述的移动隔板(10)位于转换腔(2)内部，并将转换腔(2)分隔成不相通的两部分，移动隔板(10)在转换腔(2)可在冷媒和热媒的推动下沿着第一管道(1201)和第二管道(1202)方向移动；
所述的热媒腔(6)、集水腔(7)、冷媒腔(8)紧密连接构成一个整体；
所述的第一活塞(1301)和第一阀杆(1401)紧密连接构成一个整体，第一活塞(1301)位于热媒腔(6)内部；
所述的第二活塞(1302)和第二阀杆(1402)紧密连接构成一个整体，第二活塞(1302)位于冷媒腔(8)内部；
所述的热媒腔(6)与转换腔(2)通过第一管道(1201)连接；
所述的冷媒腔(8)与转换腔(2)通过第二管道(1202)连接；
所述的MOF吸附材料(5)与集水腔(7)通过第三管道(1203)连接；
所述的热媒腔(6)与第一阀门(1501)的输出端通过第五管道(1205)连接，第四管道(1204)与第一阀门(1501)的输入端连接；
所述的冷媒腔(8)与第二阀门(1502)的输出端通过第七管道(1207)连接，第六管道(1206)与第二阀门(1502)的输入端连接；
所述的集水腔(7)与压力调节阀(16)的输入端通过第八管道(1208)连接；
所述水箱(9)与压力调节阀(16)的输出端通过第九管道(1209)连接；
所述的排气阀(17)安装在集水腔(7)的上部，用于排除集水腔(7)内部的空气；
所述的第一阀杆(1401)和第二阀杆(1402)通过温度传感器(11)分别控制第一活塞(1301)和第二活塞(1302)在热媒腔(6)和冷媒腔(8)内做往复运动；
所述的第四管道(1204)用于向热媒腔(6)中充注热媒；
所述的第六管道(1206)用于向冷媒腔(8)中充注冷媒；
所述的压力调节阀(16)的传热器安装集水腔(7)中，根据集水腔(7)中的压力调节压力调节阀(16)的开度。
本发明的工作原理即工作过程如下：
吸附模式：
当温度传感器(11)测得的环境温度低于18℃时，第二阀杆(1402)推动第二活塞(1302)向集水腔(7)的腔壁移动，冷媒腔(8)中的冷媒在第二活塞(1302)的推动下，沿第二管道(1202)进入转换腔(2)中，并推动移动隔板(10)向第一管道(1201)方向移动，直至移动隔板(10)与第一管道(1201)所在的壁面完全贴合时，第二阀杆(1402)和第二活塞(1302)停止运动，转换腔(2)内充满冷媒；
转换腔(2)内的热媒在移动隔板(10)向第一管道(1201)方向移动时，沿第一管道(1201)流入热媒腔(6)，并推动第一活塞(1301)和第一阀杆(1401)向远离集水腔(7)腔壁的方向移动，直至移动隔板(10)与第一管道(1201)所在的壁面完全贴合时，第一活塞(1301)和第一阀杆(1401)停止运动，此时处于吸附模式；
处于吸附模式时，辐射制冷薄膜(1)通过与外太空进行换热获得冷后，冷量经由转换腔(2)中的冷媒、太阳能反射薄膜(3)、导热板(4)以导热的方式传入MOF吸附材料(5)，MOF吸附材料(5)温度降低、吸水效率得到强化，同时，冷媒可以透过大部分太阳热辐射，太阳能反射薄膜(3)可反射大部分太阳热辐射，辐射制冷薄膜(1)的制冷效率得到强化；
解吸模式：
当温度传感器(11)测得的环境温度高于30℃时，第一阀杆(1401)推动第一活塞(1301)向集水腔(7)的腔壁移动，热媒腔(6)中的热媒在第一活塞(1301)的推动下，沿第一管道(1201)进入转换腔(2)中，并推动移动隔板(10)向第二管道(1202)方向移动，直至移动隔板(10)与第二管道(1202)所在的壁面完全贴合时，第一阀杆(1401)和第一活塞(1301)停止运动，转换腔(2)内充满热媒；
转换腔(2)内的冷媒在移动隔板(10)向第二管道(1202)方向移动时，沿第二管道(1202)流入冷媒腔(8)，并推动第二活塞(1302)和第二阀杆(1402)向远离集水腔(7)腔壁的方向移动，直至移动隔板(10)与第二管道(1202)所在的壁面完全贴合时，第二活塞(1302)和第二阀杆(1402)停止运动，此时处于解吸模式；
处于解吸模式时，太阳光透过辐射制冷薄膜(1)与转换腔(2)中的热媒进行换热获得热量后，热量经由太阳能反射薄膜(3)、导热板(4)以导热的方式将热量传入MOF吸附材料(5)，MOF吸附材料(5)的温度升高，解吸效率得到强化，同时转换腔(2)中的高吸收率的热媒可以吸收大部分太阳热辐射，使得解吸效率得到强化。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于MOF材料的新型集水装置，其特征在于，该集水装置包括辐射制冷薄膜(1)、转换腔(2)、太阳能反射薄膜(3)、导热板(4)、MOF吸附材料(5)、热媒腔(6)、集水腔(7)、冷媒腔(8)、水箱(9)、移动隔板(10)、温度传感器(11)、第一活塞(1301)、第二活塞(1302)、第一阀杆(1401)、第二阀杆(1402)、第一阀门(1501)、第二阀门(1502)、压力调节阀(16)、排气阀(17)；
所述的辐射制冷薄膜(1)的底部与转换腔(2)顶部紧密连接，转换腔(2)的底部与太阳能反射薄膜(3)的顶部紧密连接，太阳能反射薄膜(3)的底部与导热板(4)的顶部紧密连接，导热板(4)的底部与MOF吸附材料(5)的顶部紧密连接；
所述的移动隔板(10)位于转换腔(2)内部，并将转换腔(2)分隔成不相通的两部分，移动隔板(10)在转换腔(2)可在冷媒和热媒的推动下沿着第一管道(1201)和第二管道(1202)方向移动；
所述的热媒腔(6)、集水腔(7)、冷媒腔(8)紧密连接构成一个整体；
所述的第一活塞(1301)和第一阀杆(1401)紧密连接构成一个整体，第一活塞(1301)位于热媒腔(6)内部；
所述的第二活塞(1302)和第二阀杆(1402)紧密连接构成一个整体，第二活塞(1302)位于冷媒腔(8)内部；
所述的热媒腔(6)与转换腔(2)通过第一管道(1201)连接；
所述的冷媒腔(8)与转换腔(2)通过第二管道(1202)连接；
所述的MOF吸附材料(5)与集水腔(7)通过第三管道(1203)连接；
所述的热媒腔(6)与第一阀门(1501)的输出端通过第五管道(1205)连接，第四管道(1204)与第一阀门(1501)的输入端连接；
所述的冷媒腔(8)与第二阀门(1502)的输出端通过第七管道(1207)连接，第六管道(1206)与第二阀门(1502)的输入端连接；
所述的集水腔(7)与压力调节阀(16)的输入端通过第八管道(1208)连接；
所述水箱(9)与压力调节阀(16)的输出端通过第九管道(1209)连接；
所述的排气阀(17)安装在集水腔(7)的上部，用于排除集水腔(7)内部的空气；
所述的第一阀杆(1401)和第二阀杆(1402)通过温度传感器(11)分别控制第一活塞(1301)和第二活塞(1302)在热媒腔(6)和冷媒腔(8)内做往复运动；
所述的第四管道(1204)用于向热媒腔(6)中充注热媒；
所述的第六管道(1206)用于向冷媒腔(8)中充注冷媒；
所述的压力调节阀(16)的传感器安装集水腔(7)中，根据集水腔(7)中的压力调节压力调节阀(16)的开度。
2.按照权利要求1所述的一种基于MOF材料的新型集水装置，其特征在于，所述的辐射制冷薄膜(1)在8-13μm波段的发射率大于0.9且在0.25-2.5μm波段的太阳透射率大于0.9；
所述的辐射制冷薄膜(1)可以是高分子辐射制冷薄膜、无机涂层薄膜、基于纳米粒子的辐射制冷薄膜中的一种。
3.按照权利要求1所述的一种基于MOF材料的新型集水装置，其特征在于，所述的太阳能反射薄膜(3)在0.25-2.5μm波段的反射率大于0.9；
所述的太阳能反射薄膜(3)可以是白色涂料、镜面银薄膜、抛光的氧化铝薄膜中的一种。
4.按照权利要求1所述的一种基于MOF材料的新型集水装置，其特征在于，所述的导热板(4)的导热系数不低于50W/m·K；
所述的导热板(4)可以是银、铜、铝中的一种。
5.按照权利要求1所述的一种基于MOF材料的新型集水装置，其特征在于，所述的热媒在0.25-2.5μm波段的太阳吸收率大于0.8且导热系数不低于0.5W/m·K；
所述的热媒可以是多壁碳纳米管跟乙二醇的混合溶液、碳纤维石墨烯跟乙二醇的混合溶液中的一种。
6.按照权利要求1所述的一种基于MOF材料的新型集水装置，其特征在于，所述的冷媒在0.25-2.5μm波段的太阳透射率大于0.8且导热系数不低于0.5W/m·K；
所述的冷媒可以是去离子水、纯水、含有金属钾钠的液体中的一种。
7.按照权利要求1所述的一种基于MOF材料的新型集水装置，其特征在于，所述的MOF材料的比表面积不低于3800m2/g-1，吸附量不低于35mg/g；
所述的MOF材料可以是MOF-74-Mg、MOF-801、MOF-803中的一种。
8.一种基于MOF材料的新型集水方法，其特征在于，包括：吸附模式和解吸模式；
吸附模式：
当温度传感器(11)测得的环境温度低于18℃时，第二阀杆(1402)推动第二活塞(1302)向集水腔(7)的腔壁移动，冷媒腔(8)中的冷媒在第二活塞(1302)的推动下，沿第二管道(1202)进入转换腔(2)中，并推动移动隔板(10)向第一管道(1201)方向移动，直至移动隔板(10)与第一管道(1201)所在的壁面完全贴合时，第二阀杆(1402)和第二活塞(1302)停止运动，转换腔(2)内充满冷媒；
转换腔(2)内的热媒在移动隔板(10)向第一管道(1201)方向移动时，沿第一管道(1201)流入热媒腔(6)，并推动第一活塞(1301)和第一阀杆(1401)向远离集水腔(7)腔壁的方向移动，直至移动隔板(10)与第一管道(1201)所在的壁面完全贴合时，第一活塞(1301)和第一阀杆(1401)停止运动，此时处于吸附模式；
处于吸附模式时，辐射制冷薄膜(1)通过与外太空进行换热获得冷量后，冷量经由转换腔(2)中的冷媒、太阳能反射薄膜(3)、导热板(4)以导热的方式传入MOF吸附材料(5)，MOF吸附材料(5)温度降低、吸水效率得到强化，同时，冷媒可以透过大部分太阳热辐射，所透过的太阳热辐射经由太阳能反射薄膜(3)反射回大气中，进而提升辐射制冷薄膜(1)的制冷效率；
解吸模式：
当温度传感器(11)测得的环境温度高于30℃时，第一阀杆(1401)推动第一活塞(1301)向集水腔(7)的腔壁移动，热媒腔(6)中的热媒在第一活塞(1301)的推动下，沿第一管道(1201)进入转换腔(2)中，并推动移动隔板(10)向第二管道(1202)方向移动，直至移动隔板(10)与第二管道(1202)所在的壁面完全贴合时，第一阀杆(1401)和第一活塞(1301)停止运动，转换腔(2)内充满热媒；
转换腔(2)内的冷媒在移动隔板(10)向第二管道(1202)方向移动时，沿第二管道(1202)流入冷媒腔(8)，并推动第二活塞(1302)和第二阀杆(1402)向远离集水腔(7)腔壁的方向移动，直至移动隔板(10)与第二管道(1202)所在的壁面完全贴合时，第二活塞(1302)和第二阀杆(1402)停止运动，此时处于解吸模式；
处于解吸模式时，太阳光透过辐射制冷薄膜(1)与转换腔(2)中的热媒进行换热获得热量后，热量经由太阳能反射薄膜(3)、导热板(4)以导热的方式将热量传入MOF吸附材料(5)，MOF吸附材料(5)的温度升高，解吸效率得到强化，同时，转换腔(2)中的热媒可以吸收大部分太阳热辐射，温度升高，使得解吸效率得到强化。
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|---|---|---|---|
| CN202211068107.0A CN115404947A (zh) | 2022-09-01 | 2022-09-01 | 一种基于mof材料的新型集水装置及方法 |
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| CN202211068107.0A CN115404947A (zh) | 2022-09-01 | 2022-09-01 | 一种基于mof材料的新型集水装置及方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115977201A (zh) * | 2022-12-23 | 2023-04-18 | 东南大学 | 一种冷凝集水装置 |
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2022
- 2022-09-01 CN CN202211068107.0A patent/CN115404947A/zh active Pending
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| CN115977201A (zh) * | 2022-12-23 | 2023-04-18 | 东南大学 | 一种冷凝集水装置 |
| CN115977201B (zh) * | 2022-12-23 | 2023-12-08 | 东南大学 | 一种冷凝集水装置 |
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