CN115432763B - 一种用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器。包括用于存储海水的储水槽、使用时置于储水槽内海水表面的太阳能界面蒸发器和蒸汽收集装置。所述太阳能界面蒸发器为双层结构，滤布上层为太阳能光热转换膜，滤布下层为隔热浮动蒸发层，隔热浮动蒸发层上设有若干通孔，通孔内充满海藻酸钙水凝胶；所述蒸汽收集装置的主体是顶部设置为开口式的收集器，收集器的上部设有螺旋盘管，螺旋盘管的进水口和出水口分别伸出收集器，收集器的底部制有一个排水口。本发明利用太阳能对海水进行淡化处理，操作简单，成本低廉，淡化速率快，稳定性好，可长期用于海水淡化、污水处理等领域。
Description
技术领域
本发明属于太阳能光热技术和海水淡化领域，具体的涉及一种用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器。
背景技术
根据联合国2019年世界水发展报告，全球人类用水量已达到一个世纪前的六倍，预计到2050年将再增加20％至50％。现在，世界上超过四分之一的人口生活在严重的缺水问题之下，近一半的人口每年至少有一个月遭受严重的缺水问题。为了解决这一广泛而具有毁灭性的问题，研究人员已经将注意力转向了海水淡化，因为世界上约97.5％的水是不能直接饮用的海水。因此，寻求高效、大规模、可持续的海水淡化技术极为迫切。
光热技术是一种获取太阳能加热和储能应用的直接方式。太阳能驱动蒸发是光热技术的具体应用之一。太阳能驱动蒸发作为一种基本的热过程自古以来就被人类用来生产纯净水。在现代社会中，它也被用于驱动许多重要的工业过程，如发电和蒸汽灭菌。迄今为止，太阳能热能在许多应用中仍未得到充分利用，这主要是由于所需的高光学浓度的复杂性和高成本相关的原因。
界面蒸发法能够改善液体表面的热定位有选择地加热水的蒸发部分，而不是整个水体。这种太阳能驱动的界面蒸发避免了体积加热，将光热材料的使用量最小化，并提供了动态调整蒸发性能的额外方法，包括蒸发蒸汽通量和蒸汽温度。这些优点促进了固体驱动的界面蒸发技术在紧凑、独立和便携式系统中的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器，用以解决界面蒸发技术中蒸发器成本高，蒸发效率低，实用性低，普适性差的问题。
本发明采用的技术方案是：一种用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器，包括，用于存储海水的储水槽，使用时置于储水槽内海水表面的太阳能界面蒸发器和蒸汽收集装置。
所述太阳能界面蒸发器为双层结构，滤布上层为太阳能光热转换膜，滤布下层为隔热浮动蒸发层，隔热浮动蒸发层上设有若干通孔，通孔内充满海藻酸钙水凝胶。
所述蒸汽收集装置的主体是顶部设置为开口式的收集器，收集器的上部设有螺旋盘管，螺旋盘管的进水口和出水口分别伸出收集器，收集器的底部制有一个排水口。
所述储水槽置于蒸汽收集装置的底部。
优选的，上述的一种用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器，储水槽与收集器内壁和螺旋盘管均不接触。
优选的，上述的一种用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器，螺旋盘管的内径大于储水槽的外缘。
优选的，上述的一种用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器，太阳能光热转换膜与隔热浮动蒸发层的厚度比为4:1。
优选的，上述的一种用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器，所述隔热浮动蒸发层是聚乙烯泡棉。
优选的，上述的一种用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器，所述太阳能光热转换膜是光热材料掺杂海藻酸钙水凝胶膜。
优选的，上述的一种用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器，所述太阳能界面蒸发器的制备方法包括如下步骤：
1)取光热材料和海藻酸钠溶液，搅拌20-30min后，超声30-40min，得混合溶液；
2)将混合溶液均匀涂覆在玻璃板上，然后平铺滤布；
3)再将海藻酸钠溶液均匀涂抹在滤布表面后，平铺制有若干通孔的聚乙烯泡棉，轻轻压实，取海藻酸钠溶液将通孔填满，得半成品；
4)将半成品浸入到氯化钙溶液中，浸泡5-10分钟后取出，用蒸馏水冲洗干净后，将玻璃板脱离，得到滤布上层为光热材料掺杂海藻酸钙水凝胶膜，滤布下层为聚乙烯泡棉，聚乙烯泡棉上的通孔内充满海藻酸钙水凝胶。
优选的，上述的一种用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器，所述光热材料是炭黑和氯氧铋的一种或二种的混合。
更优选的，上述的一种用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器，所述光热材料是氯氧铋。
优选的，上述的一种用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器，按质量比，氯氧铋：海藻酸钠＝1：4-6。
优选的，上述的一种用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器，所述氯化钙溶液的浓度为按质量百分比为5％。
本发明提供的一种用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器的工作原理如下：
当阳光从上方照射到太阳能界面蒸发器的表面时，太阳能界面蒸发器的光热材料掺杂海藻酸钙水凝胶膜将太阳能转换成热能，对界面中的水分进行加热蒸发，同时下层的隔热浮动蒸发层能够有效阻止热量向下方传递，通孔内充满的海藻酸钙水凝胶能够不断的输送水分到达界面完成供水工作。蒸汽产生后，蒸汽收集装置上方的螺旋盘管通入冷却水进行降温冷凝，避免蒸汽在收集装置顶部的凝结，影响光照，被冷凝的蒸馏水受重力作用滴落到收集器底部，最终可由蒸汽收集装置底部的排水口倒出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器，以光热材料掺杂海藻酸钙水凝胶膜作为光热转换材料，能够显著提升太阳光吸收率，提高蒸发效率。
2、本发明用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器，采用界面蒸发原理，具有良好的蒸发稳定性，蒸发速率快，制备步骤简单，成本低廉，可实用性强。
3、本发明用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器，以海藻酸钙水凝胶和滤布作为基底，具有良好的输水性、机械稳定性和耐腐蚀性，同时具有良好的材料包容性与普适性。
4、本发明用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器，蒸汽收集装置通过螺旋盘管对水蒸气冷凝，有效避免蒸汽水珠在装置顶部凝结雾化现象，有效提高太阳能净水器工作效率和太阳能利用率。
附图说明
图1是本发明用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器结构示意图。
图2是本发明用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器中太阳能界面蒸发器的结构示意图。
图3是本发明用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器中太阳能界面蒸发器的分解示意图。
图4是实施例1制备的太阳能光热转换膜的接触角。
图5是实施例1制备的太阳能界面蒸发器在阳光下照射100s前后的温度情况。
图6是实施例1进行试验的用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器实物图。
图7是本发明用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器工作原理图。
图8是实施例2制备的太阳能光热转换膜的接触角。
图9是实施例2制备的太阳能界面蒸发器在阳光下照射100s前后的温度情况。
具体实施方式
实施例1一种用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器
(一)太阳能界面蒸发器(20)的制备
如图2和图3所示，太阳能界面蒸发器(20)为双层结构，滤布(21)上层为太阳能光热转换膜(22)，滤布(21)下层为隔热浮动蒸发层(23)，隔热浮动蒸发层(23)上设有若干通孔(24)，通孔(24)内充满海藻酸钙水凝胶(25)。
在本实施例中，太阳能光热转换膜(22)为氯氧铋掺杂海藻酸钙水凝胶膜。
在本实施例中，隔热浮动蒸发层(23)为聚乙烯泡棉。
在本实施例中，太阳能光热转换膜(22)与隔热浮动蒸发层(23)的厚度比为4:1。
制备方法如下：
1)取0.15g氯氧铋加入6mL 2wt.％海藻酸钠溶液中，搅拌20min后，超声30min，重复3次，得混合溶液。
2)取1mL混合溶液均匀涂覆在直径为5cm的玻璃板上，然后将与玻璃板相同大小的滤布平铺到上面；作为优选，滤布型号为2500目。
3)取0.2mL 2wt.％海藻酸钠溶液均匀涂抹在滤布表面，将直径为6.5cm，厚度为0.5mm的聚乙烯泡棉打5个直径为6mm的通孔后，将聚乙烯泡棉平铺在滤布上，轻轻压实，取2wt.％海藻酸钠溶液将聚乙烯泡棉的通孔填满，得半成品。
4)将半成品浸入到5wt.％氯化钙溶液中，浸泡5分钟后取出，用蒸馏水冲洗干净后，将玻璃板脱离，得到滤布(21)上层为氯氧铋掺杂海藻酸钙水凝胶膜，滤布(21)下层为聚乙烯泡棉，聚乙烯泡棉上的通孔(24)内充满海藻酸钙水凝胶(25)的太阳能界面蒸发器，备用。
图4是制备的太阳能光热转换膜(氯氧铋掺杂海藻酸钙水凝胶膜)的接触角。由图4可知，氯氧铋掺杂海藻酸钙水凝胶膜具有良好的亲水性。
图5是太阳能界面蒸发器在阳光下照射100s前后的温度情况。由图5可以看出，太阳能界面蒸发器在阳光下照射100s后，其表面温度由19℃迅速升至52.7℃。这是由于氯氧铋具有优异的光热转换性能，同时海藻酸钙具有优异的传热性能。
将所制得的太阳能界面蒸发器在开放环境中进行光热蒸发试验，测得蒸汽产生速率为2.41kg/m2·h，将该材料循环使用8h，蒸汽产生速率依旧能够达到2.4kg/m2·h。
(二)用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器
如图1所示，用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器包括，储水槽(10)、太阳能界面蒸发器(20)和蒸汽收集装置(30)。
储水槽(10)用于存储海水。置于蒸汽收集装置(30)的底部。
太阳能界面蒸发器(20)使用时置于储水槽(10)内海水表面。
蒸汽收集装置(30)的主体是顶部设置为开口式的收集器(31)，收集器(31)的上部设有螺旋盘管(32)，螺旋盘管(32)的进水口(33)和出水口(34)分别伸出收集器(31)，收集器(31)的底部制有一个排水口(33)。
储水槽(10)与收集器(31)内壁和螺旋盘管(32)均不接触。螺旋盘管(32)的内径大于储水槽(10)的外缘。
(三)净化试验
实验装置如图6所示，采用氙灯模拟太阳能光源，功率密度为1000W/m2，环境温度为25℃。待净化海水为自制海水(将24.72g氯化钠，0.67g氯化钾，1.36g氯化钙，4.66g氯化镁，6.29g硫酸镁，0.18g碳酸氢钠溶于1000mL蒸馏水中。)
将自制海水置于储水槽(10)内，将太阳能界面蒸发器(20)置于海水表面，然后放在蒸汽收集装置内部，蒸汽收集装置的收集器(31)顶部开口用保鲜膜封住，螺旋盘管内通冷却水，冷却水流速为10ml/s。模拟太阳能光照射在太阳能界面蒸发器上连续工作8个小时。
如图7所示，工作过程是：当阳光从上方照射到太阳能界面蒸发器的表面时，太阳能界面蒸发器的氯氧铋掺杂海藻酸钙水凝胶膜将太阳能转换成热能，对界面中的水分进行加热蒸发，同时下层的隔热浮动蒸发层能够有效阻止热量向下方传递，通孔内充满的海藻酸钙水凝胶能够不断的输送水分到达界面完成供水工作。蒸汽产生后，蒸汽收集装置上方的螺旋盘管通入冷却水进行降温冷凝，被冷凝的蒸馏水受重力作用滴落到收集器底部，最终由蒸汽收集装置底部的排水口排出。淡化海水的产率为0.85kg/m2·h。
实施例2一种用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器(一)太阳能界面蒸发器(20)的制备
如图2和图3所示，太阳能界面蒸发器(20)为双层结构，滤布(21)上层为太阳能光热转换膜(22)，滤布(21)下层为隔热浮动蒸发层(23)，隔热浮动蒸发层(23)上设有若干通孔(24)，通孔(24)内充满海藻酸钙水凝胶(25)。
在本实施例中，太阳能光热转换膜(22)为炭黑掺杂海藻酸钙水凝胶膜。
在本实施例中，隔热浮动蒸发层(23)为聚乙烯泡棉。
在本实施例中，太阳能光热转换膜(22)与隔热浮动蒸发层(23)的厚度比为4:1。
制备方法如下：
1)取0.9g炭黑加入9mL 2wt.％海藻酸钠溶液中，搅拌20min后，超声30min，重复3次，得混合溶液。
2)取1mL混合溶液均匀涂覆在直径为5cm的玻璃板上，然后将与玻璃板相同大小的滤布平铺到上面；作为优选，滤布型号为2500目。
3)取0.2mL 2wt.％海藻酸钠溶液均匀涂抹在滤布表面后，将直径为6.5cm，厚度为0.5mm的聚乙烯泡棉打5个直径为6mm的通孔后，将聚乙烯泡棉平铺在滤布上，轻轻压实，取2wt.％海藻酸钠溶液将聚乙烯泡棉的通孔填满，得半成品。
4)将半成品浸入到5wt.％氯化钙溶液中，浸泡5分钟后取出，用蒸馏水冲洗干净后，将玻璃板脱离，得到滤布(21)上层为炭黑掺杂海藻酸钙水凝胶膜，滤布(21)下层为聚乙烯泡棉，聚乙烯泡棉上的通孔(24)内充满海藻酸钙水凝胶(25)的太阳能界面蒸发器，备用。
图8是制备的太阳能光热转换膜(炭黑掺杂海藻酸钙水凝胶膜)的接触角。由图8可知，炭黑掺杂海藻酸钙水凝胶膜具有良好的亲水性。
图9是太阳能界面蒸发器在阳光下照射100s前后的温度情况。由图9可以看出，太阳能界面蒸发器在阳光下照射100s后，其表面温度由19℃迅速升至40.3℃。这是由于炭黑具有优异的光热转换性能，同时海藻酸钙具有优异的传热性能。
将所制得的太阳能界面蒸发器在开放环境中进行光热蒸发试验，测得蒸汽产生速率为2.21kg/m2·h，将该材料循环使用8h，蒸汽产生速率依旧能够达到2.15kg/m2·h。
(二)用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器
结构同实施例1，区别点只是将太阳能光热转换膜中的氯氧铋掺杂海藻酸钙水凝胶膜替换为炭黑掺杂海藻酸钙水凝胶膜。
(三)净化试验
采用氙灯为太阳能光源，功率密度为1000W/m2，环境温度为25℃。待净化海水为自制海水(将24.72g氯化钠，0.67g氯化钾，1.36g氯化钙，4.66g氯化镁，6.29g硫酸镁，0.18g碳酸氢钠溶于1000mL蒸馏水中。)
将自制海水置于储水槽(10)内，将太阳能界面蒸发器(20)置于海水表面，然后放在蒸汽收集装置内部，蒸汽收集装置的收集器(31)顶部开口用保鲜膜封住，螺旋盘管内通冷却水，冷却水流速为10ml/s。模拟太阳能光照射在太阳能界面蒸发器上连续工作8个小时。淡化海水的产率为0.85kg/m2·h。
实施例3一种用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器
(一)太阳能界面蒸发器(20)的制备
如图2和图3所示，太阳能界面蒸发器(20)为双层结构，滤布(21)上层为太阳能光热转换膜(22)，滤布(21)下层为隔热浮动蒸发层(23)，隔热浮动蒸发层(23)上设有若干通孔(24)，通孔(24)内充满海藻酸钙水凝胶(25)。
在本实施例中，太阳能光热转换膜(22)为炭黑与氯氧铋掺杂海藻酸钙水凝胶膜。
在本实施例中，隔热浮动蒸发层(23)为聚乙烯泡棉。
在本实施例中，太阳能光热转换膜(22)与隔热浮动蒸发层(23)的厚度比为4:1。
制备方法如下：
1)取0.2g氯氧铋和0.1g炭黑加入6mL 2wt.％海藻酸钠溶液中，搅拌20min后，超声30min，重复3次，得混合溶液。
2)取1mL混合溶液均匀涂覆在直径为5cm的玻璃板上，然后将与玻璃板相同大小的滤布平铺到上面；作为优选，滤布型号为2500目。
3)取0.2mL 2wt.％海藻酸钠溶液均匀涂抹在滤布表面后，将直径为6.5cm，厚度为0.5mm的聚乙烯泡棉打5个直径为6mm的通孔后，将聚乙烯泡棉平铺在滤布上，轻轻压实，取2wt.％海藻酸钠溶液将聚乙烯泡棉的通孔填满，得半成品。
3)将半成品浸入到5wt.％氯化钙溶液中，浸泡5分钟后取出，用蒸馏水冲洗干净后，将玻璃板脱离，得到滤布(21)上层为炭黑与氯氧铋掺杂海藻酸钙水凝胶膜，滤布(21)下层为聚乙烯泡棉，聚乙烯泡棉上的通孔(24)内充满海藻酸钙水凝胶(25)的太阳能界面蒸发器，备用。
太阳能界面蒸发器在阳光下照射100s后，其表面温度由19℃迅速升至53℃。这是由于炭黑与氯氧铋具有优异的光热转换性能，同时海藻酸钙具有优异的传热性能。
将所制得的太阳能界面蒸发器在开放环境中进行光热蒸发试验，测得蒸汽产生速率为2.45kg/m2·h，将该材料循环使用8h，蒸汽产生速率依旧能够达到2.44kg/m2·h。
(二)用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器
结构同实施例1，区别点只是将太阳能光热转换膜中的氯氧铋掺杂海藻酸钙水凝胶膜替换为炭黑与氯氧铋掺杂海藻酸钙水凝胶膜。
(三)净化试验
采用氙灯为太阳能光源，功率密度为1000W/m2，环境温度为25℃。待净化海水为自制海水(将24.72g氯化钠，0.67g氯化钾，1.36g氯化钙，4.66g氯化镁，6.29g硫酸镁，0.18g碳酸氢钠溶于1000mL蒸馏水中。)
将自制海水置于储水槽(10)内，将太阳能界面蒸发器(20)置于海水表面，然后放在蒸汽收集装置内部，蒸汽收集装置的收集器(31)顶部用保鲜膜封住，螺旋盘管内通过冷却水，冷却水流速为10ml/s。模拟太阳能光照射在太阳能界面蒸发器上连续工作8个小时。淡化海水的产率为0.85kg/m2·h。
Claims (6)
1.一种用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器，其特征在于：所述用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器包括，用于存储海水的储水槽（10）、使用时置于储水槽（10）内海水表面的太阳能界面蒸发器（20）和蒸汽收集装置（30）；
所述太阳能界面蒸发器（20）为双层结构，滤布（21）上层为太阳能光热转换膜（22），所述太阳能光热转换膜（22）是光热材料掺杂的海藻酸钙水凝胶膜；滤布（21）下层为隔热浮动蒸发层（23），所述隔热浮动蒸发层（23）是聚乙烯泡棉；隔热浮动蒸发层（23）上设有若干通孔（24），通孔（24）内充满海藻酸钙水凝胶（25）；
所述蒸汽收集装置（30）的主体是顶部设置为开口式的收集器（31），收集器（31）的上部设有螺旋盘管（32），螺旋盘管（32）的进水口（33）和出水口（34）分别伸出收集器（31），收集器（31）的底部制有一个排水口（35）；
所述储水槽（10）置于蒸汽收集装置（30）的底部；
所述太阳能界面蒸发器（20）的制备方法包括如下步骤：
1）取光热材料和海藻酸钠溶液，搅拌20-30min后，超声30-40min，得混合溶液；所述光热材料是炭黑和氯氧铋的一种或二种的混合；
2）将混合溶液均匀涂覆在玻璃板上，然后平铺滤布；
3）再将海藻酸钠溶液均匀涂抹在滤布表面后，平铺制有若干通孔的聚乙烯泡棉，轻轻压实，取海藻酸钠溶液将通孔填满，得半成品；
4）将半成品浸入到氯化钙溶液中，浸泡5-10分钟后取出，用蒸馏水冲洗干净后，将玻璃板脱离，得到滤布（21）上层为光热材料掺杂的海藻酸钙水凝胶膜，滤布（21）下层为聚乙烯泡棉，聚乙烯泡棉上的通孔（24）内充满海藻酸钙水凝胶（25）。
2.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器，其特征在于：储水槽（10）与收集器（31）内壁和螺旋盘管（32）均不接触。
3.根据权利要求2所述的一种用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器，其特征在于：螺旋盘管（32）的内径大于储水槽（10）的外缘。
4.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器，其特征在于：太阳能光热转换膜（22）与隔热浮动蒸发层（23）的厚度比为4:1。
5.根据权利要求1所述的一种用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器，其特征在于：所述光热材料是氯氧铋。
6.根据权利要求5所述的一种用于海水淡化的太阳能界面蒸发净水器，其特征在于：按质量比，氯氧铋：海藻酸钠=1：4-6。
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