阅读说明：本技术 一种高效光热水蒸发的方法与装置 (Method and device for efficient photo-thermal water evaporation ) 是由 孙再成 孙瑜堃 曲丹 于 2019-12-12 设计创作，主要内容包括：一种高效光热水蒸发的方法与装置,涉及水蒸发技术领域。包含水传输通道、漂浮/隔热层、富水多孔材料层、贫水多孔材料层以及光热转换材料层。漂浮/隔热层将器件整体漂浮于水表面,通过传输通道的强吸水特性将水体与器件相连接并向器件提供足够的水；富水多孔材料层采用强吸水的多孔材料层能够将水从传输通道内分散到富水层内部并扩展到器件的全部；贫水多孔材料层是相对较弱吸水材料；光热转换材料层是具有较高光热转换能力的材料。通过水传输通道和富水多孔材料层将水先进行一步快速的水传输和水分散,然后再通过贫水层将光热材料所接触到的水体的量进一步降低,最终可以实现在光热材料局部高效地加热微量水,提高水蒸发速率。(A method and a device for high-efficiency photo-thermal water evaporation relate to the technical field of water evaporation. Comprising a water transport channel, a flotation/insulation layer, a water-rich porous material layer, a water-poor porous material layer, and a photothermal conversion material layer. The floating/heat insulation layer floats the device on the water surface, and the water body is connected with the device through the strong water absorption characteristic of the transmission channel and provides enough water for the device; the water-rich porous material layer adopts a strong water-absorbing porous material layer, so that water can be dispersed into the water-rich layer from the transmission channel and can be expanded to the whole device; the water-poor porous material layer is a relatively weak water-absorbing material; the photothermal conversion material layer is a material having a higher photothermal conversion ability. Water is firstly rapidly subjected to water transmission and water dispersion through the water transmission channel and the water-rich porous material layer, and then the quantity of a water body contacted by the photo-thermal material is further reduced through the water-poor layer, so that micro water can be locally and efficiently heated in the photo-thermal material, and the water evaporation rate is improved.)

一种高效光热水蒸发的方法与装置

技术领域

本发明涉及水蒸发技术领域，尤其涉及一种高效水蒸发的方法和装置。

背景技术

利用太阳能通过光热材料将水蒸发是一种可持续、绿色环保的实现海水淡化、重金属污水处理、废液浓缩的方法。在日益重视环境保护和能源短缺的今天，如何充分利用太阳能受到广泛的重视。

传统水蒸发是采用直接加热的方式至水沸腾，这样就需要将整体的水都加热到沸点以上才可以实现，因而消耗大量的化石能源。而自然界中的水蒸发是利用太阳光直接照射在水面上，由于水对光的吸收较弱因而导致蒸发速率较低。近年来，随着光热转换材料的研发，人们提出了通过引入光热材料来提高水的蒸发速率的解决方案。目前研究人员已经开发出了大量的光热材料，如等离子体纳米颗粒，窄带系半导体纳米颗粒，聚合物材料以及各种碳材料。这些材料在海水淡化、晒盐、污水处理等方面得到大量的应用。在设计高效的水蒸发器件时，不仅要考虑光热材料本身的光热转换效率，同时还要考虑器件结构对水蒸发效率的影响。最初人们将光热材料直接分散到水中，提高了水的加热效率，但由于还是要对整个水体进行加热才能实现水蒸发，因此效率偏低，为此人们将光热材料漂浮在水体表面，只加热水的表面层，减少加热水的量，从而提高水的蒸发速率。然而，加热水表面层的水量相对于光热材料来说，所加热水的量依然偏高。因此如何进一步减少光热材料所加热水的量是影响水蒸发速率的关键因素。基于这种考虑，本发明设计了一种新型的多层结构高效水蒸发器件。该器件通过调控各层之间的饱和含水量，来实现对光热材料加热水的质量的调控，从而实现高效的水蒸发速率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于太阳能实现高效光热水蒸发的装置，可应用于海水淡化、污水处理以及晒盐等领域。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高效太阳能光热水蒸发装置，包括漂浮/隔热层(1)、富水多孔材料层(2)、贫水多孔材料层(3)、光热转换材料层(4)、水传输通道(5)，自水面向上依次包括漂浮/隔热层、富水多孔材料层、贫水多孔材料层、光热转换材料层；上述四层依次层层组合在一起，在包括至少漂浮/隔热层、富水多孔材料层、贫水多孔材料层的组合中设有多个上下相通的通孔，通孔内设有条状的吸水材料A直接向下伸入到水中作为水传输通道；将上述结构的装置漂浮在水面上。

漂浮/隔热层(1)的厚度为1-10mm，富水多孔材料层(2)的厚度为1-10mm，贫水多孔材料层(3)的厚度为100-1000μm，光热转换材料层(4)的厚度为100-1000μm。

优选地，所述的漂浮/隔热层的材质包含但不限于泡沫、海绵、木板、塑料板等能够辅助装置漂浮于水面上的材料。

优选地，所述的吸水材料A即水传输通道的材质为超吸水材料如超细纤维编织物、超吸水聚合物纤维编织物、吸水棉布、吸水纤维、吸水纸等材料，随着光热层面积的扩大可以增加为多个水传输通道。水传输通道的材质饱和吸收量大于等于400％。

优选地，所述的富水多孔材料层的材质选自饱和吸收量大于400％的多孔材料，而且有很好的水传输性能。包含但不限于是如强吸水的聚乙烯醇，聚丙烯酰胺，超吸水聚合物纤维、海绵、泡沫组成的多孔材料层。

优选地，所述的贫水多孔材料层的材质饱和吸收量100-400％的多孔材料，包含但不限于如滤纸，棉布等。

优选地，所述的光热转换材料层的材质主要是光热转化材料，包含但不限于贵金属纳米颗粒、半导体纳米颗粒、具有光热特性的聚合物材料、碳材料或染料；贵金属纳米材料包括金、银等纳米颗粒或纳米结构；半导体纳米材料包括窄带系无机半导体材料如硫化铜、硫化镍等以及由于缺陷所形成的黑色半导体材料如黑色二氧化钛、缺陷氧化钨等；聚合物材料如聚吡咯、聚多巴胺等；碳材料指各种碳材料如氧化石墨烯；染料主要指黑色染料。

饱和吸水量的定义为：(多孔材料吸水达到饱和后的质量-多孔材料在干燥状态下的质量)/多孔材料在干燥状态下的质量x 100％。

光热材料通过水分散液过滤或沉积到贫水多孔材料层上实现光热材料和贫水层的紧密接触；贫水层与富水层通过水的润湿作用同时边缘用胶水或缝制粘合在一起，尽可能不留有空气来保证二者紧密接触。

本发明漂浮/隔热层将器件整体漂浮于液体表面，同时降低器件的热量向水体传输；通过传输通道的强吸水特性将水体与器件相连接并向器件提供足够的水；富水多孔材料层由强吸水的聚乙烯醇，超吸水聚合物纤维、海绵、泡沫组成的多孔材料层能够将水从传输通道内分散到富水层内部并扩展到器件的全部；贫水多孔材料层是由滤纸，棉布等相对较弱吸水材料组成；光热转换材料层则是具有较高光热转换能力的材料，如碳材料，聚合物材料、半导体材料以及其他黑色吸光材料。通过水传输通道和富水多孔材料层将水先进行一步快速的水传输和水分散，然后再通过贫水层将光热材料所接触到的水体的量进一步降低，最终可以实现在光热材料局部高效地加热微量水，进而达到提高水蒸发速率的目的。

本发明构建了一种低成本、高效的水蒸发装置，其可以漂浮在水面上，在一个太阳光下可以达到1.8Kg·m^-2·h^-1的蒸发速率。如果在装置上加装适当的水回收装置可实现海水淡化。在没有水回收装置时可以实现高效的污水浓缩，以及晒盐等。

附图说明

图1为高效水蒸发装置的示意图；

漂浮/隔热层1、富水多孔材料层2、贫水多孔材料层3、光热转换材料层4、水传输通道5、水体6。

图2为水蒸发装置的横截面电镜图；

图3为水蒸发量随时间的变化曲线图；

图4为该装置的照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

以多股棉线折叠在一起构成为水传输通道，以直径为3厘米的吸水海绵为富水层(厚度5mm)，以直径约为3厘米的快速滤纸为贫水层(厚度100μm)，以聚多巴胺(厚度100μm)为光热材料来构建高效水蒸发装置。首先将聚多巴胺小球通过过滤沉积在滤纸上，然后将其吸附在吸水海绵上，并用水润湿滤纸使其良好地吸附在海绵上；在海绵中心位置打孔(直径5mm)，并将棉线通过孔穿过，形成光热装置。将该装置置于中心开孔泡沫上。泡沫的直径为5厘米以上并漂浮于烧杯中的水面上。将带有棉线的装置置于泡沫上，棉线通过泡沫中心的开孔进入到水中。将烧杯连同该光热装置一同置于天平上，在装置的上方施加模拟太阳光(100μW·m^-2)进行照射并实时记录天平的读数，可以计算得出水的失重数据。图1给出了该光热器件的示意图，图2给出了富水层、贫水层和光热层的扫描电镜照片。图3则给出了该光热器件的水蒸发量随时间变化的关系，其斜率为水的蒸发速率，为1.8Kg·m^-2·h^-1。

实施例2

以仿麂皮为水传输通道和富水层，以棉布为贫水层以及氧化石墨烯作为光热材料层来构建大面积光热水蒸发装置。将棉布裁剪为直径为15厘米的圆形，并将氧化石墨烯通过过滤沉积在棉布表面，然后将棉布和直径为15厘米的仿麂皮缝制在一起，并在其上面等间距打4个孔，将剪为条状的仿麂皮穿过四个孔作为水传输通道。在直径为20厘米的水面上放置带有4个开孔的圆形泡沫并将上述光热装置置于泡沫上，将该装置置于太阳光下，很快就可以看到装置顶部有水珠产生(如图4所示)。

本发明的上述实施例仅为清楚说明本发明所作的举例，并非是对本发明实施方式的限定。在上述说明的基础上引申出的显而易见的变化仍处于本发明的保护范围。