CN118108285A - 一种太阳能辐射的高效局域热法水净化方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能辐射的高效局域热法水净化方法和系统。一种太阳能辐射的高效局域热法水净化系统，包括盛水容器，盛水容器内设置有净化系统，净化系统包括透光层、黑色纤维布和冷凝部件，冷凝部件为上部开口的容器，冷凝部件的顶部设置有黑色纤维布，透光层设置于黑色纤维布顶部，与黑色纤维布贴合设置。本发明提出的太阳能辐射的高效局域热法水净化方法具有热响应快、蒸发温度高、热效率高、产水速率快等优点，是很有发展前景的海水淡化技术，蒸发仅发生在利用的吸热且吸水的薄层材料上，太阳光被光热材料吸收致极薄吸水层快速升温蒸发，再环境温度下高效冷凝得到纯净水。
Description
技术领域：
本发明涉及资源化利用技术领域，具体涉及一种太阳能辐射的高效局域热法水净化方法和系统。
背景技术：
纯净水是人类的宝贵资源。水处理目前已有较多成熟技术，如多级闪蒸，多效蒸馏，蒸汽压缩，反渗透和电渗析等方式，但缺点是机械功耗高、设备大且重、组部件昂贵。缺水地狱常伴有丰富的太阳能资源，对高效低成本的太阳能水净化技术需求旺盛；利用太阳能热蒸发法进行水净化淡化技术得以发展，但传统太阳能热蒸发法基于水体的整体加热、蒸发、再冷凝得到纯净水，输入能量加热整个水体致核心的蒸发温度区温度低、升高慢、热损失大，是低效的症结。
发明内容：
为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种太阳能辐射的高效局域热法水净化方法和系统，本发明提出的太阳能辐射的高效局域热法水净化方法具有热响应快、蒸发温度高、热效率高、产水速率快等优点，是很有发展前景的海水淡化技术，蒸发仅发生在利用的吸热且吸水的薄层材料上，太阳光被光热材料吸收致极薄吸水层快速升温蒸发，再环境温度下高效冷凝得到纯净水。
本发明的目的是提供一种太阳能辐射的高效局域热法水净化系统，包括盛水容器，盛水容器内设置有净化系统，净化系统包括透光层、黑色纤维布和冷凝部件，冷凝部件为上部开口的容器，冷凝部件的顶部设置有黑色纤维布，透光层设置于黑色纤维布顶部，与黑色纤维布贴合设置。
透光层置于最上方用于防止水蒸气向上逃逸，并与黑色纤维布紧密贴合防止出现水滴，水滴进而会使热射太阳光反射逃逸而非被逃逸吸收，逃逸通过毛细作用将待处理水吸收形成水膜薄层。输入太阳光穿过透光层后被黑色纤维布高效吸收，使水膜薄层快速升温达到较高蒸发温度形成水蒸气。黑色纤维布与冷凝部件的温差引起了净化水蒸气的压力差，水蒸气向下传递到冷凝部件壁上，冷凝放热得到纯净水。冷凝部件为高导热金属材料如铝材等，保证换热表面温度内外接近。待处理废水温度与环境温度一致、但导热系数远大于环境空气，有利于冷凝换热而作为冷源，可快速带走冷凝释放潜热。
优选地，所述的透光层为透明薄膜。
进一步优选，所述的透明薄膜为单层。
进一步优选，所述的透明薄膜为双层，两层透明薄膜之间形成薄空气层。两层透明薄膜之间间距优选为1-3厘米。黑色纤维布上方的透明薄膜被替换成了两层高透光的透明薄膜，两层透明薄膜中间形成薄空气层，利用极小导热系数的空气层增大向上传热热阻，双层透明薄膜的上层温度低、与空气自然对流热损失大大减小，提高了整体能量利用率。
优选地，所述盛水容器为开放式容器或封闭式容器。
优选地，所述的盛水容器为封闭式容器时，盛水容器由高耐压材料制成，盛水容器顶部设置有透明盖板使盛水容器内部形成太阳光可进入的封闭空间。
盛水容器由高耐压材料制成，还可以在盛水容器上增加耐压强度外壳、如铝制罐壳等。透明盖板为任意不吸收太阳光谱的透明板如玻璃制或有机玻璃制等，系统启动前冷凝空间(封闭空间)先行抽成真空状态，上方输入的太阳光通过透明盖板与透明薄膜被黑色纤维布吸收光热转化产生水蒸气，往下运动并冷凝，真空下水蒸气传质阻力极大地减小、提升了水的传质速率、提高能量利用效率。
优选地，所述的冷凝部件由高导热金属材料制成。高导热金属材料包括铁、铝、铜等任意导热金属。
一种太阳能辐射的高效局域热法水净化方法，通过上述太阳能辐射的高效局域热法水净化系统来实现，将净化系统置于待处理水样中，在黑色纤维布与透光层的贴合处形成水膜薄层，输入太阳光穿过透光层后被黑色纤维布吸收，使水膜薄层升温达到蒸发温度形成水蒸气，黑色纤维布与冷凝部件的温差引起净化水蒸气的压力差，水蒸气向下传递到冷凝部件内壁上，冷凝放热得到纯净水。光强500-2000W/m2。
本发明提出的高效的太阳能辐射局域热水净化方法，涉及三种水蒸发、蒸汽传递和冷凝等关键效率指标逐步提升的构型及系统，如水冷热局域法海水淡化模式、空气隔热水冷热局域法海水淡化模式、真空水冷热局域法海水淡化模式(如图1所示)。具体为：
水冷热局域法太阳能水处理(水冷热局域法海水淡化模式)：透明薄膜置于最上方用于防止水蒸气向上逃逸，并与黑色纤维布紧密贴合防止出现水滴，水滴进而会使热射太阳光反射逃逸而非被逃逸吸收，逃逸通过毛细作用将待处理水吸收形成水膜薄层。输入太阳光穿过明薄膜后被黑色纤维布高效吸收，使水膜薄层快速升温达到较高蒸发温度形成水蒸气。黑色纤维布与冷却装置的温差引起了净化水蒸气的压力差，水蒸气向下传递到冷凝板壁上，冷凝放热得到纯净水。冷凝装置为高导热金属材料如铝材等，保证换热表面温度内外接近。待处理废水温度与环境温度一致、但导热系数远大于环境空气，有利于冷凝换热而作为冷源，可快速带走冷凝释放潜热。
空气隔热水冷热局域法太阳能水处理(空气隔热水冷热局域法海水淡化模式)：在水冷热局域法太阳能水处理的基础上，黑色纤维布上方的透明薄膜被替换成了两层高透光的透明薄膜，透明薄膜中间形成薄空气层，利用极小导热系数的空气层增大向上传热热阻，双层透明薄膜的上层温度低、与空气自然对流热损失大大减小，提高了整体能量利用率。
真空水冷热局域法太阳能水处理(真空水冷热局域法海水淡化模式)：在空气隔热水冷热局域法太阳能水处理的基础上，设置增加耐压强度外壳、如铝制罐壳等，透明盖板为玻璃或有机玻璃等，而双层透光材料仍可采用如水冷热局域法太阳能水处理或空气隔热水冷热局域法太阳能水处理的透明薄膜，黑色纤维布和冷凝部件也与上述两种处理方法的相对应部分一致；系统启动前冷凝空间先行抽成真空状态，上方输入的太阳光通过透明盖板与透明薄膜被黑色纤维布吸收光热转化产生水蒸气，往下运动并冷凝，真空下水蒸气传质阻力极大地减小、提升了水的传质速率、提高能量利用效率。
本发明提出的太阳能辐射的高效局域热法水净化方法实现了太阳光辐射能转化为热能，高效推动水相变分离过程，该技术利用可再生能源净化海水、生活废水和工厂污水循环、物质浓缩富集、物料干燥等广泛应用领域。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明涉及利用太阳能热辐射处理海水和污废水等场景下产生淡水或可再生循环利用水的高效局域热法的高效机制、连续化工艺和设备系统，该模式、方法及系统有着高产水速率、高能量利用率、低成本、几乎无需额外能量输入等优点，同时它能容易地能和其他材料与装置进行耦合可达到更好的工作性能。本发明有着广泛用途，能够应用于海水淡化、生活废水处理、工厂污水处理、浓缩富集、物料干燥等领域，是清洁高效低碳的水处理技术。
2、本发明提出了一种高效的太阳能辐射局域热水净化方法，涉及三种水蒸发、蒸汽传递和冷凝等关键效率指标逐步提升的构型及系统，如水冷热局域法海水淡化模式、空气隔热水冷热局域法海水淡化模式、真空水冷热局域法海水淡化模式。其中，旋律最高的真空水冷热局域法展现出了最优的工作性能，在1500W/m2的光照强度下，室内试验淡水产量高达1.503kg/m2·h，能效高达68.0％。此外，还在当地实际天气条件下(平均太阳光照强度769.7W/m2)进行了室外试验结果显示，淡水产量为4.31kg/m2·天(每天8小时时段)，相当于47.5％的能源效率。该模式、方法及系统有着高产水速率、高能量利用率、低成本、几乎无需额外能量输入等优点，同时它能容易地能和其他材料与装置进行耦合可达到更好的工作性能。本发明有着广泛用途，能够应用于海水淡化、生活废水处理、工厂污水处理、浓缩富集、物料干燥等领域，是清洁高效低碳的水处理技术。
附图说明：
图1为本发明一种太阳能辐射的高效局域热法水净化系统的结构示意图，其中(a)水冷热局域法太阳能水处理；(b)空气隔热水冷热局域法太阳能水处理；(c)真空水冷热局域法太阳能水处理。
图2为实施例1中三种不同处理模式的水净化装置，其中(a)水冷热局域法装置；(b)空气隔热水冷热局域法装置；(c)真空水冷热局域法装置。
图3为实施例2中水冷热局域法与空气隔热水冷热局域法获得冷凝水速率与能量效率随高度的变化图。
图4为实施例3中空气隔热水冷热局域法的冷凝水速率与能量效率随光照强度变化图。
图5为实施例4中真空水冷热局域法太阳能水处理实验结果，其中(a)2023年中国广州7月14日上午9点至下午5点的太阳辐射数据；(b)蒸发温度随时间的变化；(c)冷凝温度随时间的变化。
图6为实施例5中连续十天测试结果。
附图标记说明：1、冷凝部件；2、黑色纤维布；3、透光层；4、待处理水(冷却水)；5、纯净水；6、透明盖板；7、氙灯。
具体实施方式：
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。除特别说明，本文中的实验材料和试剂均为本技术领域常规市购产品。
如图1所示，一种太阳能辐射的高效局域热法水净化系统，包括盛水容器，盛水容器内设置有净化系统，净化系统包括透光层3、黑色纤维布2和冷凝部件1，冷凝部件1为上部开口的容器，冷凝部件1的顶部设置有黑色纤维布2，透光层3设置于黑色纤维布2顶部，与黑色纤维布2贴合设置。黑色纤维布2外沿浸入盛水容器中的待处理水(兼做内部洁净水的冷却介质)4中吸收水分。
下述实施例中优选，冷凝部件1为高导热金属材料如铝材等，保证换热表面温度内外接近。待处理废水温度与环境温度一致、但导热系数远大于环境空气，有利于冷凝换热而作为冷源，可快速带走冷凝释放潜热。
下述实施例中优选，透光层3为透明薄膜。透明薄膜为单层时，即水冷热局域法太阳能水处理(水冷热局域法海水淡化模式)：盛水容器为开放式容器，具体形状等不做限定只要能实现净化目的均可。将净化系统放入装有待处理水(冷却水)4的盛水容器中，透明薄膜置于最上方用于防止水蒸气向上逃逸，并与黑色纤维布2紧密贴合防止出现水滴，水滴进而会使热射太阳光反射逃逸而非被逃逸吸收，逃逸通过毛细作用将待处理水吸收形成水膜薄层。输入太阳光穿过透明薄膜后被黑色纤维布2高效吸收，使水膜薄层快速升温达到较高蒸发温度形成水蒸气。黑色纤维布2与冷凝部件1的温差引起了净化水蒸气的压力差，水蒸气向下传递到冷凝部件壁上，冷凝放热得到纯净水5。冷凝部件为高导热金属材料如铝材等，保证换热表面温度内外接近。待处理废水温度与环境温度一致、但导热系数远大于环境空气，有利于冷凝换热而作为冷源，可快速带走冷凝释放潜热。下述实施例中室内选用氙灯7作为模拟光源。
或者透明薄膜为双层，两层透明薄膜之间形成薄空气层。透明薄膜为双层时，即空气隔热水冷热局域法太阳能水处理(空气隔热水冷热局域法海水淡化模式)，盛水容器为开放式容器，具体形状等不做限定只要能实现净化目的均可。在水冷热局域法太阳能水处理的基础上，黑色纤维布2上方的透明薄膜被替换成了两层高透光的透明薄膜，透明薄膜中间形成薄空气层，利用极小导热系数的空气层增大向上传热热阻，双层透明薄膜的上层温度低、与空气自然对流热损失大大减小，提高了整体能量利用率。
当盛水容器为封闭式容器时，盛水容器由高耐压材料制成，还可以在盛水容器上增加耐压强度外壳、如铝制罐壳等。盛水容器顶部设置有透明盖板6使盛水容器内部形成封闭空间，透明盖板6为任意不吸收太阳光谱的透明板如玻璃制或有机玻璃制等。该系统实现真空水冷热局域法太阳能水处理(真空水冷热局域法海水淡化模式)：双层透光材料仍可采用如水冷热局域法太阳能水处理或空气隔热水冷热局域法太阳能水处理的透明薄膜，黑色纤维布和冷凝部件也与上述两种处理方法的相对应部分一致，系统启动前冷凝空间(封闭空间)先行抽成真空状态，上方输入的太阳光通过透明盖板与透明薄膜被黑色纤维布吸收光热转化产生水蒸气，往下运动并冷凝，真空下水蒸气传质阻力极大地减小、提升了水的传质速率、提高能量利用效率。
实施例1：
以室内采用氙灯作为模拟光源，通过改变不同变量去实现水的净化处理，室内运行系统如图2所示，变量因素包括冷凝高度、光强、真空度等。铝盒上端开口，长宽的外型尺寸为8厘米×8厘米，高度分别为2、4、6、8、10、12厘米，厚度为1毫米。黑色纤维布下表面布置5个贴片式热电偶对其测温，黑色纤维布通过毛细作用将水从下面吸收上来，在水平面吸收氙灯光照射蒸发水。水冷式热局域法中黑色纤维布紧密贴合上方单层透明保鲜膜防止水蒸气向上逸出；空气隔热式水冷热局域法上方设置双层透明薄膜、间距空气层厚度为2厘米，透明薄膜温度由红外测温仪测量；真空水冷热局域系统上方采用1厘米厚的有机玻璃作为透明盖板，由密封圈将其密封，冷凝壁由外径15厘米-高度20厘米-厚度为0.2厘米铝材制成。实验开始后，氙灯开启、被黑色纤维布吸收水开始产生水蒸气、扩散到冷凝表面冷凝得到纯净水；真空水冷热局域系统需要密封检查、内部真空设置、阀门关闭登封步骤。实验稳定一段时间后对内部获得纯净水量进行测量。
实施例2：
使用实施例1的水净化装置进行实验，水冷热局域法与空气隔热水冷热局域法在光照强度为1500W/m2下，不同冷凝系统高度对产水性能见图3所示，无论是水冷热局域法还是空气隔热水冷热局域法，获得冷凝水速率与能量效率都随着高度增加先增加，高度6厘米时达到最大。空气隔热水冷热局域法在高度2厘米的冷凝水速率为0.971kg/m2·h、能量效率43.93％，高度为6厘米时的冷凝水速率为1.1341kg/m2·h、能量效率51.31％，高度代表冷凝面积增加，太小使冷凝面积不足而有利、太大面临向环境散热增加且水蒸汽扩散阻力变大而不利。空气隔热水冷热局域法的工作性能显著优于水冷热局域法，如高度同为6厘米的水冷热局域法冷凝水速率0.815kg/m2·h、能量效率36.87％，对比的空气隔热水冷热局域法冷凝水速率为1.134kg/m2·h、能量效率51.31％，能量效率提升了39.2％。
实施例3：
光照强度对获得冷凝水速率与能量效率的影响见图4，此时高度为6厘米的情况，采用空气隔热水冷热局域法在光强500-2000W/m2，获得冷凝水速率从0.532kg/m2·h增大到1.338kg/m2·h，但能量效率由72.23％下降到45.42％，光照强度增大，加快水蒸气蒸发、传递、冷凝过程，增大了冷凝水速率，但整体系统温度升高也意味着系统与外界环境温差增大，系统与环境的热传导、对流换热、热辐射增加，产生无效换热致系统能量效率下降。
实施例4：
采用了室内实验中展现最佳性能的真空水冷热局域法，为验证系统在实际天气中的表现，地点为中国广州的夏季(7月14日、早9点至午后5点)。运行过程中实时监控太阳辐射强度、蒸发温度与冷凝温度，太阳辐射约在中午1点达到最大值、平均辐射强度为769.7W/m2，实验中保持冷凝水温度处于25℃左右，经过8小时的室外实验，淡水的产量4.31L/m2·day、能量利用率为47.5％。可见，受室外实验太阳辐射瞬时波动大等实际天气的影响，产水量与能量利用效率略低与室内实验结果，见图5。
实施例5：
为了测试系统的脱盐能力与耐久性，进行了连续十天实验，实验采用真空水冷热局域法，光照强度1500W/m2、真空度为0.095MPa、高度为6cm，实验结果如图6所示，十天内系统都保持良好的工作稳定性，获得冷凝水速率保持在1.5kg/m2·h左右，并对第一天和第十天的水进行了检测，对比净化前后的离子浓度。Na+、Mg2+、Ca2+离子在处理后都显著降低，远低于世界卫生组织规定的盐度标准，这证实了装置的脱盐能力与耐久性。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种太阳能辐射的高效局域热法水净化系统，其特征在于，包括盛水容器，盛水容器内设置有净化系统，净化系统包括透光层、黑色纤维布和冷凝部件，冷凝部件为上部开口的容器，冷凝部件的顶部设置有黑色纤维布，透光层设置于黑色纤维布顶部，与黑色纤维布贴合设置。
2.根据权利要求1所述的高效局域热法水净化系统，其特征在于，所述的透光层为透明薄膜。
3.根据权利要求2所述的高效局域热法水净化系统，其特征在于，所述的透明薄膜为单层。
4.根据权利要求2所述的高效局域热法水净化系统，其特征在于，所述的透明薄膜为双层，两层透明薄膜之间形成空气层。
5.根据权利要求1-4任一项所述的高效局域热法水净化系统，其特征在于，所述盛水容器为开放式容器或封闭式容器。
6.根据权利要求5所述的高效局域热法水净化系统，其特征在于，所述的盛水容器为封闭式容器时，盛水容器由高耐压材料制成，盛水容器顶部设置有透明盖板使盛水容器内部形成封闭空间。
7.根据权利要求1所述的高效局域热法水净化系统，其特征在于，所述的冷凝部件由高导热金属材料制成。
8.一种太阳能辐射的高效局域热法水净化方法，其特征在于，通过权利要求1所述的太阳能辐射的高效局域热法水净化系统来实现，将净化系统置于待处理水样中，在黑色纤维布与透光层的贴合处形成水膜薄层，输入太阳光穿过透光层后被黑色纤维布吸收，使水膜薄层升温达到蒸发温度形成水蒸气，黑色纤维布与冷凝部件的温差引起净化水蒸气的压力差，水蒸气向下传递到冷凝部件内壁上，冷凝放热得到纯净水。
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