阅读说明：本技术 一种基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置及其制备方法 (Double-sided solar steam device based on interface photo-thermal conversion and preparation method thereof ) 是由 王贤保 张骞 梅涛 *** 王建颖 钱静雯 余黎 于 2019-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及光热蒸发技术领域,尤其涉及一种基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置及其制备方法。本发明提供的基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置采用泡沫层作为所述装置的支撑层和绝热层,所述涤纶长丝柱为输水通道,当太阳光照射到亲水吸光层时,由于所述亲水吸光层在垂直方向上的高导热性,吸收太阳光产生的热量迅速传递到下表面,实现吸光层上下两面的同时蒸发,提高所述装置对太阳能的利用率和蒸汽产生速率；同时,涤纶柱作为输水通道,能够及时给亲水性吸光层供给所需要蒸发的水分,实现长时间稳定的光热蒸发,且所述涤纶长丝具有极好的化学稳定性,使得所述装置可以用于极端环境(如,强酸或强碱等污水的处理)。(The invention relates to the technical field of photo-thermal evaporation, in particular to a double-sided solar steam device based on interface photo-thermal conversion and a preparation method thereof. The double-sided solar steam device based on interface photothermal conversion provided by the invention adopts the foam layer as the supporting layer and the heat insulating layer of the device, the polyester filament column is the water delivery channel, when sunlight irradiates the hydrophilic light absorption layer, because of the high thermal conductivity of the hydrophilic light absorption layer in the vertical direction, the heat generated by the absorbed sunlight is rapidly transferred to the lower surface, the simultaneous evaporation of the upper surface and the lower surface of the light absorption layer is realized, and the utilization rate of the device to solar energy and the steam generation rate are improved; simultaneously, the dacron post is as water delivery passageway, can in time give required evaporation moisture of hydrophilicity light-absorbing layer supply, realizes long-time stable light and heat evaporation, just dacron filament has fabulous chemical stability, makes the device can be used for extreme environment (e.g., the processing of sewage such as strong acid or alkali).)

一种基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及光热蒸发技术领域，尤其涉及一种基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置及其制备方法。

背景技术

随着工业化社会的发展，世界面临着严重的环境污染和能源短缺问题，如何高效利用清洁、低成本的可再生能源亟待研究人员去探索解决。目前，能够利用的可再生能源主要有风能、太阳能、潮汐能和地热能等。其中，太阳能是一种很有前途的能源，能应用在很多领域，如制氢、发电、光伏电池、光催化、水净化和海水淡化。太阳能蒸汽技术是利用太阳能的一种基本方式，可用于发电、医疗灭菌或消毒、淡水生产等。早期对太阳能的利用主要体现在传统的聚光太阳能系统，产生的蒸汽主要用于电力发电。

目前，利用纳米等离子体或黑色吸光材料作为吸光材料实现表面局部蒸汽产生的太阳能界面蒸汽产生技术逐渐得到广泛关注。但是，现有的太阳能界面蒸汽技术的蒸汽产量依然很低，无法满足工业化的生产要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置及其制备方法，所述基于界面光热装换的双面太阳能蒸汽装置具有较高的蒸发速率，即在相同的时间内具有较高的蒸汽产量。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置，包括自上而下依次设置的亲水性吸光层、涤纶长丝柱和泡沫层；

所述涤纶长丝柱的轴向方向的两端分别与所述亲水性吸光层和泡沫层连接。

优选的，所述涤纶长丝柱由涤纶长丝构成；

所述涤纶长丝柱的直径为5～6mm；所述涤纶长丝的直径为15～25μm。

优选的，所述涤纶长丝柱在轴向方向上的一端垂直嵌入所述泡沫层内，并与泡沫层的底部水平高度一致。

优选的，所述涤纶长丝柱在轴向方向上的另一端与泡沫层的顶部的垂直距离为1～3cm。

优选的，所述亲水性吸光层的厚度为0.2～1mm；

所述亲水性吸光层为活性炭-棉织物层；

所述活性炭与棉织物的质量比为1：(20～30)。

优选的，所述活性炭-棉织物的制备方法，包括以下步骤：

将棉织物与活性炭分散液混合，进行浸渍，得到活性炭-棉织物。

优选的，所述活性炭分散液中活性炭的质量与分散剂的体积比为1g：(100～200)mL。

优选的，所述浸渍在搅拌的条件下进行；

所述浸渍的时间为1～2h；所述浸渍的次数为5～6次。

优选的，所述泡沫层的材料为发泡聚苯乙烯、聚氨酯或聚乙烯；

所述泡沫层的厚度为2～3cm。

本发明还提供了上述技术方案所述的基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置的制备方法，包括以下步骤：

将泡沫层进行打孔；

将涤纶长丝柱轴向方向的一端嵌入所述孔内，另一端上放置亲水吸光层；

所述孔为连通孔，相邻孔之间的距离为1～2cm。

本发明提供了一种基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置，包括自上而下依次设置的亲水性吸光层、涤纶长丝柱和泡沫层；所述涤纶长丝柱的轴向方向的两端分别与所述亲水性吸光层和泡沫层连接。本发明采用泡沫层作为所述装置的支撑层和绝热层，所述涤纶长丝柱为输水通道，当太阳光照射到亲水吸光层时，由于所述亲水吸光层在垂直方向上的高导热性，吸收太阳光产生的热量迅速传递到下表面，实现吸光层上下两面的同时蒸发，即实现亲水性吸光层的双面蒸发，提高所述装置对太阳能的利用率和蒸汽产生速率；同时，涤纶柱作为输水通道，能够及时给亲水性吸光层供给所需要蒸发的水分，实现长时间稳定的光热蒸发，且所述涤纶长丝具有极好的化学稳定性，使得所述装置可以用于极端环境(如，强酸或强碱等污水的处理)。根据实施例的记载，本发明所述的装置的蒸发速率最大能够达到1.95kg·m^-2·h^-1。

附图说明

图1为所述基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置的结构示意图；

图2为实施例1制备得到的基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置的实物图；

图3为实施例1～2和对比例1所用涤纶长丝柱的SEM图；

图4为实施例1～2和对比例1所用涤纶长丝柱的毛细效应示意图；

图5为实施例1～2和对比例1所用活性炭-棉织物在加热前后1s红外热成像图；

图6为实施例1～2和对比例1所用活性炭-棉织物在模拟太阳光照前后的温度变化曲线；

图7为实施例1～2和对比例1制备得到的基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置置于模拟太阳光的照射下的蒸发速率示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置，包括自上而下依次设置的亲水性吸光层、涤纶长丝柱和泡沫层；

所述涤纶长丝柱的轴向方向的两端分别与所述亲水性吸光层和泡沫层连接(如图1所示)。

在本发明中，若无特殊说明，所有原料组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。

在本发明中，所述基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置包括亲水性吸光层；所述亲水性吸光层的厚度优选为0.2～1mm，更优选为0.4～0.8mm，最优选为0.5～0.6mm；所述亲水性吸光层优选为活性炭-棉织物；所述活性炭-棉织物中活性炭与棉织物的质量比优选为1：(20～30)，更优选为1:25。

在本发明中，所述活性炭-棉织物的制备方法，优选包括以下步骤：

将棉织物与活性炭分散液混合，进行浸渍，得到活性炭-棉织物。

本发明对所述棉织物的种类没有任何特殊的影响，采用本领域技术人员熟知的棉织物即可。在本发明中，所述活性炭分散液中活性炭的质量与分散剂的体积比优选为1g：(100～200)mL，更优选为1g：(120～180)mL，最优选为1g：(140～160)mL；所述活性炭分散液中的分散剂优选为醋酸水溶液；所述醋酸水溶液中醋酸与水的体积比优选为(1～2)：50，更优选为(1.2～1.8)：50，最优选为(1.4～1.6)：50。

在本发明中，所述活性炭分散液的制备方法优选为：将活性炭和分散剂混合，先搅拌后超声，得到活性炭分散液；本发明对所述搅拌没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可；在本发明中，所述超声的时间优选为0.5～1.5h，更优选为0.8～1.2h，最优选为1.0h，本发明对所述超声的频率没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的频率即可。

在本发明中，所述棉织物与活性炭分散液的混合温度优选为室温；在本发明中，所述浸渍优选在搅拌的条件下进行，本发明对所述搅拌的速率没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的速率进行即可；所述浸渍的时间优选为1～2h；所述浸渍完成后，优选对浸渍后的产物在80～90℃的条件下进行干燥；所述浸渍的次数优选为5～6次；所述浸渍的次数即为进行浸渍、干燥的重复次数。

在本发明中，所述基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置还包括涤纶长丝柱；所述涤纶长丝柱由涤纶长丝构成；所述涤纶长丝柱的直径优选为5～6mm，更优选为5.2～5.4mm；所述涤纶长丝的直径优选为15～25μm，更优选为18～22μm。

在本发明中，所述基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置还包括泡沫层，所述泡沫层的厚度优选为2～3cm；所述泡沫层的材料优选为发泡聚苯乙烯、聚氨酯或聚乙烯。

在本发明中，所述涤纶长丝柱在轴向方向上的一端优选垂直嵌入所述泡沫层内，并与泡沫层的底部水平高度一致；所述涤纶长丝柱在轴向上的另一端优选与泡沫层的顶部的垂直距离优选为1～3cm，更优选为2cm。

本发明还提供了上述技术方案所述的基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置的制备方法，包括以下步骤：

将泡沫层进行打孔；

将涤纶长丝柱轴向方向的一端嵌入所述孔内，另一端上放置亲水吸光层；

所述孔为连通孔，相邻孔之间的距离为1～2cm。

在本发明中，所述孔的孔径优选与所述涤纶长丝柱的直径一致或稍小于所述涤纶长丝柱的直径(所述“稍”可以理解为小于所述涤纶长丝柱的直径且能够保证所述涤纶长丝柱***所述孔内，以保证涤纶长丝柱与泡沫之间的连接更加牢固)；所述孔优选均匀排列，相邻孔之间的距离为1～2cm，优选为1.2～1.8cm，更优选为1.4～1.6cm；所述放置亲水吸光层优选为使所述涤纶长丝柱的另一端与所述亲水吸光层接触即可；本发明对所述接触方式没有任何特殊的限定。

下面结合实施例对本发明提供的基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1～2和对比例1中的活性炭-棉织物均采用下述制备方法得到：

在超声条件下，将1g活性炭与200mL醋酸水溶液(醋酸与水的体积比为1:50)混合1.0h，得到活性炭分散液；

在搅拌的条件下，将3g，15*15cm²的棉织物在所述活性炭分散液中进行浸渍2h，在80℃下干燥，重复6次，得到活性炭-棉织物；

实施例1～2和对比例1中的涤纶长丝柱：直径为6mm，涤纶长丝的直径为25μm。

图3为所述涤纶长丝柱在不同放大倍率下的SEM图，由图3可知，所述涤纶长丝柱内部是由大量垂直紧密排列的涤纶长丝组成，所述涤纶长丝之间形成的微米级缝隙可以作为天然的毛细管，实现液体的有效输送；

将所述4cm长的涤纶长丝柱上端放置一张白纸，下端至于紫色溶液的0.5cm处，测试所述涤纶长丝柱的毛细效应；图4为所述涤纶长丝柱的毛细效应示意图；由图4可知，4cm高的涤纶长丝柱子下端一旦接触到水面，在不借助任何其他外力的作用下，可以发现在涤纶长丝柱子的周围，水明显高于整个液面，白色的涤纶长丝柱瞬间变成紫色，表明紫色溶液被吸到涤纶长丝柱中，8s后，放置于所述涤纶长丝柱上端的白纸被完全浸湿，说明所述涤纶长丝柱具有快速的传输水的能力；

将所述活性炭-棉织物放置在加热平台上，加热温度为100℃，用红外热像仪观察加热前后1s的变化，测试结果如图5所示，由图5可知，在加热前，活性炭-棉织物处于低温状态，一旦至于加热台，活性炭-棉织物能够快速升温，1s后整个活性炭-棉织物实现高温状态。表明活性炭-棉织物在垂直方向上的快速导热性能；

在实验室模拟太阳光，并对所述活性炭-棉织物进行照射，并通过热电偶测温仪测试所述活性炭-棉织物上下表面中心点温度的变化，测试结果如图6所示，由图6可知，将所述活性炭-棉织物一旦暴露在太阳光照射下，织物上表面温度瞬间同时上升，并在7min后达到平衡状态，但是，在整个光照过程中，活性炭-棉织物下表面的温度始终低于上表面，进一步说明，在蒸发过程中活性炭-棉织物在光照条件下存在垂直方向上的温度传递，可以实现蒸汽的双面蒸发。

实施例1

基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置的制备：

将厚度为2cm的发泡聚苯乙烯板打孔(相邻孔之间的距离为2cm)，将涤纶长丝柱(直径为6mm，涤纶长丝的直径为25μm)轴向方向的一端嵌入所述孔内，另一端上放置活性炭-棉织物(所述涤纶长丝柱在轴向上的另一端优选与泡沫层的顶部的垂直距离为2cm)，得到基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置(具体实物图如图2所示)。

实施例2

基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置的制备：

将厚度为2cm的发泡聚苯乙烯板打孔(相邻孔之间的距离为2cm)，将涤纶长丝柱(直径为6mm，涤纶长丝的直径为25μm)轴向方向的一端嵌入所述孔内，另一端上放置活性炭-棉织物(所述涤纶长丝柱在轴向上的另一端优选与泡沫层的顶部的垂直距离为1cm)，得到基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置。

对比例1

基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置的制备：

将厚度为2cm的发泡聚苯乙烯板打孔(相邻孔之间的距离为2cm)，将涤纶长丝柱(直径为6mm，涤纶长丝的直径为25μm)轴向方向的一端嵌入所述孔内，另一端上放置活性炭-棉织物(所述涤纶长丝柱在轴向上的另一端优选与泡沫层的顶部的垂直距离为0cm)，得到基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置。

测试例

将实施例1～2和对比例1制备得到的基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置中的泡沫层置于水面，并置于模拟太阳光的照射下，用分析天平实时记录水的质量损失，并最终通过计算得到蒸发速率，结果如图7所示，由图7可知实施例1～2所述的基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置的蒸发速率分别为1.80kg·m^-2·h^-1(实施例2)和1.95kg·m^-2·h^-1(实施例1)，远大于对比例1(1.60kg·m^-2·h^-1)。

由以上实施例可知，本发明提供的装置基于界面光热转换的双面太阳能蒸汽装置采用泡沫层作为所述装置的支撑层和绝热层，所述涤纶长丝柱为输水通道，当太阳光照射到亲水吸光层时，由于所述亲水吸光层在垂直方向上的高导热性，吸收太阳光产生的热量迅速传递到下表面，实现吸光层上下两面的同时蒸发，提高所述装置对太阳能的利用率和蒸汽产生速率；同时，涤纶柱作为输水通道，能够及时给亲水性吸光层供给所需要蒸发的水分，实现长时间稳定的光热蒸发。其蒸发速率最大能够达到1.95kg·m^-2·h^-1。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。