阅读说明：本技术 一种基于亲水性碳毡的光热转化器件及其应用 (Photo-thermal conversion device based on hydrophilic carbon felt and application thereof ) 是由 成少安 于祯 于 2019-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及光热转化技术领域,旨在提供一种基于亲水性碳毡的光热转化器件及其应用。该光热转化器件包括顶部吸收体、中部的水传输体,以及能漂浮在液体表面的底部绝热支撑体；在绝热支撑体上间隔设有若干个竖向孔道；在各孔道中插有水传输体,水传输体的两端伸出绝热支撑体的上下表面,且上段直接暴露在空气中；顶部吸收体是片状的亲水性碳毡片,自然放置在各水传输体的顶端并实现支承。本发明中的绝热支撑体热阻较大,避免了顶部吸收体从阳光中获取的热量向下传递,整个器件的热效率较高。水传输体上段的微纳米孔道与空气界面直接接触,具有更高的饱和蒸气压；水分在挥发的同时会冷却整个器件,可从环境中获取热量,更接近热力学蒸发极限。(The invention relates to the technical field of photothermal conversion, and aims to provide a photothermal conversion device based on a hydrophilic carbon felt and application thereof. The photothermal conversion device comprises a top absorber, a water transmission body in the middle and a bottom heat insulation support body capable of floating on the liquid surface; a plurality of vertical pore channels are arranged on the heat insulation support body at intervals; the water transmission body is inserted into each pore channel, two ends of the water transmission body extend out of the upper surface and the lower surface of the heat insulation support body, and the upper section of the water transmission body is directly exposed in the air; the top absorber is a hydrophilic carbon mat in sheet form that naturally rests on top of and provides support for each water conductor. The heat insulation support body has larger heat resistance, avoids the downward transmission of heat acquired by the top absorber from sunlight, and has higher heat efficiency of the whole device. The micro-nano pore channel on the upper section of the water transmission body is directly contacted with an air interface, so that the water transmission body has higher saturated vapor pressure; the moisture cools the whole device while volatilizing, and heat can be obtained from the environment, and the thermodynamic evaporation limit is more approached.)

一种基于亲水性碳毡的光热转化器件及其应用

技术领域

本发明涉及光热转化领域，具体涉及一种基于亲水性碳毡的光热转化器件及其应用。

背景技术

随着淡水资源的逐渐短缺及水体污染的日益严重，高效、低毒、廉价、环境友好的水处理技术尤为关键。太阳能水蒸发技术凭借着低能耗、无二次污染、所得淡水纯度高等优点为众多学者所青睐。然而，传统的太阳能水蒸发器一般要依靠于复杂且庞大的聚光或追光装置，这些装置受天气影响较大、后期维护困难、成本较高、热损失较大，不利于大规模的工业化应用。

为提高太阳能水蒸发器的蒸发性能，以界面光热转化器件为核心工作模块的太阳能水蒸发器应运而生。该器件是一种典型的双层结构，由顶部吸收体和底部的可悬浮的绝热支撑体构成，内部含有丰富的水传输通道。然而该器件应用的主要障碍是：(1)缺少有效的光热转化材料作为顶部吸收体。已报道的光热转化材料如碳纳米管、石墨烯、半导体硫化物、贵金属材料等在目前的研究及今后的应用中均存在较大的问题，如制备工艺复杂、成本较高、具有一定的毒性。且吸收体在在光照下温度较高，而环境温度较低，故该器件仍存在较大的对流损失及辐射损失，且在长时间运行的情况下，吸收体表面的热量仍会传递到水中，这就造成了一定的导热损失。(2)该太阳能水蒸发器的水传输通道位于绝热支撑体内部，导致蒸发效果不佳。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于亲水性碳毡的光热转化器件及其应用。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种基于亲水性碳毡的光热转化器件，包括顶部吸收体、中部的水传输体，以及能漂浮在液体表面的底部绝热支撑体；在绝热支撑体上间隔设有若干个竖向孔道；在各孔道中插有水传输体，水传输体的两端伸出绝热支撑体的上下表面，且上段直接暴露在空气中；顶部吸收体是片状的亲水性碳毡片，自然放置在各水传输体的顶端并实现支承。

本发明中，所述亲水性碳毡片的半径为3.5cm，厚度为1cm；绝热支撑体呈片状，其半径为3.5cm，厚度为1cm；水传输体呈圆柱形，其半径为3mm，长度为3～7cm，其中露出绝热支撑体上表面的长度为1～4cm。

本发明中，所述亲水性碳毡片的表面接触角在60.1°～2.1°，是通过下述方法制备获得的：

将碳毡置于去离子水中，超声清洗30min；干燥后置于反应容器中，加入质量浓度为60％的浓硝酸溶液使碳毡完全浸没；密封反应容器，在80℃的水浴中加热2～6h；冷却至室温后，用水反复冲洗至中性，再移至60℃的烘箱中干燥，得到备用的亲水性碳毡；然后根据需要的尺寸裁剪，得到亲水性碳毡片。

本发明中，所述水传输体呈圆柱形，是毡条、海绵体、海绵棒、泡沫或滤纸棒中的任意一种；其中，毡条是由所述亲水性碳毡或碳布卷制而成。

本发明中，所述水传输体直接暴露在空气中的上段长度占其总长度的30～60％。

本发明中，所述绝热支撑体呈片状，可由下述任意一种材料经切割和穿孔制得：发泡聚乙烯、发泡聚氯乙烯、发泡聚丙烯、发泡聚丙乙烯、纤维或气凝胶。

本发明进一步提供了基于前述光热转化器件的水分蒸发与收集设备，该水分蒸发与收集设备包括用于盛装待处理液体的第一水槽，第一水槽的上部由侧壁和透光顶板实现密封；在侧壁上装有排风扇，在排风扇的外沿设有用于收集冷凝水的第二水槽，在第二水槽中安装冷却片和出水口；第一水槽接有进水口，所述光热转化器件置于第一水槽中；当第一水槽引入液体后，光热转化器件能漂浮在液体表面，并使其顶部吸收体接受来自透光顶板的阳光。

本发明中，在第一水槽的表面设置具有开口槽的斜向上盖，所述光热转化器件位于开口槽中；在斜向上盖偏低一端的侧壁上设排水孔，排水孔接至第二水槽；所述排风扇位于排水孔上方。

本发明中，所述透光顶板呈斜向布置，是透光板或透光膜中的任意一种。

本发明还提供了所述水分蒸发与收集设备作为太阳能海水淡化装置、太阳能污水处理装置、太阳能溶液提纯装置、太阳能溶液浓缩装置或太阳能油水分离装置的应用。

发明原理描述：

(1)成型碳材料的表面亲水处理

本发明通过浓硝酸的强氧化作用，在市售商品化的碳毡或碳布的表面引入大量的含氧性官能团，这些官能团赋予了碳毡表面极强的亲水性。

已报道的表面亲水处理的方法，可分为涂覆亲水性涂层、接枝亲水性的高分子等。亲水性涂层经多次循环极易损耗，进而导致材料表面亲水性的下降；此外，接枝亲水性的高分子的流程较为复杂，且在一定程度上会引入有毒的有机物。另外，这两类常见的表面亲水处理的方法可能会导致吸收体的表面光谱吸收率的下降。相比于上述技术，本发明中表面亲水处理的方法具备操作简单、成本低廉、低能耗、循环稳定性高、可批量生产等优点。

(2)采用亲水性碳毡构建的高效的光热转化器件

本发明中的光热转化器件属于一种界面水蒸发器件，该器件的吸收体为光学吸收率较高、成本低廉、环境友好的碳毡；中间为直接暴露在空气中的水传输体上段部分，底部的绝热支撑体为可悬浮在水中的聚苯乙烯泡沫。吸收体具有较高的光学吸收率，在低光学浓度下，该吸收体可迅速升温；而该器件的底部热阻较大，吸收体的热量无法有效向下传递，集中在了吸收体的表面。在毛细作用下，底部的水通过水传输通道迅速到达了该器件的上表面。由于气液界面的水的饱和蒸气压较大，在较低的温度下(室温下)即可实现蒸发，故而该器件可实现较高的蒸发速率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中，由于蒸发过程仅发生于气-液两相界面。由于光热转化器件传质速度足够大，受气液界面特殊物性的影响，存在于此界面的水不需要达到沸点即可源源不断地实现蒸发。

2、本发明中的绝热支撑体热阻较大，避免了顶部吸收体从阳光中获取的热量向下传递。由于热量仅集中在顶部吸收体的表面，故而整个器件的热效率较高。经测量，顶部吸收体在全光谱太阳光内(2500nm～500nm)的光谱吸收率为80％到100％。

3、水传输体由于露出绝热支撑体的上段暴露在空气中，其微纳米孔道与空气界面直接接触，具有更高的饱和蒸气压，故整个器件的平均饱和蒸气压更高，在相同条件下，水更易蒸发。

4、水传输体的上段直接暴露在空气中，水分在挥发的同时会冷却整个器件，使其平均温度低于环境温度，故光热转化器件可从环境中获取热量，从而更接近热力学蒸发极限。

附图说明

图1为本发明中光热转化器件的构建示意图；

图2为本发明实施例3中的包含光热转化器件的海水淡化装置的示意图。

图中附图标记：太阳能海水淡化装置1；光热转化器件2；第一水槽3；排风扇4；第二水槽5；透光顶板6；冷却片7；进水口8；出水口9；绝热支撑体10；水传输体11；顶部吸收体12。

具体实施方式

以下将结合附图及具体的实施例对本发明的特征进行描述。但需注意，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1——碳毡的表面亲水处理

商业化碳毡的表面亲水处理的方法包括以下步骤：将大小适宜的商业化碳毡置于去离子水中，超声清洗30min后干燥备用。将上述碳毡置于装在反应容器中的适量质量浓度为60％的浓硝酸溶液中(注：碳毡应完全浸没在浓硝酸中)，然后密封反应容器。在80℃水浴加热2h～6h，待冷却至室温后，用水反复冲洗碳毡，直至中性。将上述碳毡置于60℃的烘箱中干燥，即可得到亲水性的碳毡。通过调节加热时间，可得到表面接触角不同的碳毡(60.1°～2.1°)。然后根据需要的尺寸裁剪，得到用作顶部吸收体12的亲水性碳毡片；或者根据需要的尺寸裁剪、卷制成用作水传输体11的毡条。

实施例2——碳布的表面亲水处理

商业化碳布的表面亲水处理的方法包括以下步骤：将大小适宜的商业化碳布置于去离子水中，超声清洗30min后干燥备用。将上述碳布置于装在反应容器中的适量质量浓度为60％的浓硝酸溶液中(注：碳布应完全浸没在浓硝酸中)，然后密封反应容器。在80℃水浴加热2h～6h，待冷却至室温后，用水反复冲洗碳布，直至中性。将上述碳布置于60℃的烘箱中干燥，即可得到亲水性的碳布。通过调节加热时间，可得到表面接触角不同的碳布(74.1°～0.1°)。然后根据需要的尺寸裁剪、卷制成用作水传输体11的毡条。

实施例3——采用亲水性碳毡构建光热转化器件

采用亲水性碳毡片构建光热转化器件3的方法，具体步骤如下：以半径为3.5cm、厚度为1cm的圆柱形聚苯乙烯泡沫作为绝热支撑体10，均匀打通12个竖向的圆柱形孔道(半径与水传输体11的半径大小一致)，作为该器件漂浮在液体表面的支撑层。将亲水性碳毡或碳布卷制而成半径为3mm、长度为3cm～7cm的圆柱形亲水性碳毡条，然后均匀地插进孔道内，构成水传输体11。水传输体11的两端伸出绝热支撑体10的上下表面，且上段直接暴露在空气中，上段长度可选占其总长度的30～60％(如1～4cm)。在水传输体11的上端自然放置亲水性的圆柱形碳毡(半径为3.5cm、厚度为1cm)，作为顶部吸收体12。

绝热支撑体10可以选但不局限于绝热的发泡材料(如发泡聚乙烯、发泡聚氯乙烯、发泡聚丙烯、发泡聚丙乙烯的一种或多种或者)、纤维、气凝胶等。水传输体11还可以选自但不局限于海绵体、海绵棒、泡沫、滤纸棒等。

光热转化器件3的蒸发性能随碳毡的润湿性的增加而增大；同样的，在一定的长度范围内(3cm～6cm)，光热转化器件3的蒸发性能随水传输体暴露在空气中的长度的增加而增大。在1sun下，本发明的光热转化器件3的最大蒸发速率约纯水蒸发速率的2.9倍，要优于现有技术中的类似器件。

实施例4——包括所述的光热转化器件的太阳能海水淡化装置

参见图2，该太阳能海水淡化装置1包括用于盛装待淡化海水的第一水槽3和用于收集冷凝后淡水的第二水槽5。第一水槽3接有进水口8。第一水槽3上部由侧壁和透光顶板6实现密封，在侧壁上装有排风扇4；在排风扇4的外沿设第二水槽5，在第二水槽5中安装冷却片7和出水口9；在第一水槽3的表面设置具有开口槽的斜向上盖，光热转化器件2位于开口槽中；在斜向上盖较低一端的侧壁上设排水孔，排水孔接至第二水槽5；排风扇4位于排水孔上方。透光顶板6呈斜向布置，可选透光板或透光膜。

当第一水槽3引入海水后，光热转化器件2能漂浮在海水表面，并使其顶部吸收体12接受来自透光顶板6的阳光。顶部吸收体12将光能转化为热能，使其内部亲水毛细通道中的海水被加热蒸发，并汇聚至斜向上盖与透光顶板6之间。为避免水蒸气凝结造成的光学吸收率下降，采用排风扇4将水蒸汽抽离，并通过在第二水槽5内布置一定数量的冷却片7冷凝水蒸汽。冷凝所得淡水由出水口9取用，待净化的海水由进水口8添加。

实施例5——包括所述的光热转化器件的太阳能污水处理装置

本发明实施例中提供了一种太阳能污水处理装置，该装置具有具体实施例4类似的结构，是以第一水槽3为待净化污水槽。该装置包含所述光热转化器件3，用于将太阳能转化为热能，使污水加热蒸发，污水中的淡水部分通过蒸发和冷凝被收集，而污染物则被残留在了水槽底部，最终实现了污水的处理。

污水的类型可包括但不局限于生活污水、染料污水等。浓缩后的污染物可采用其他方法进一步处理。

实施例6——包含所述的光热转化器件的溶液提纯装置

本发明实施例中提供了一种溶液提纯装置，该装置具有具体实施例4类似的结构，是以第一水槽3盛装待提纯溶液，以第二水槽5为提纯溶液收集槽。该装置包含所述的光热转化器件3，用于将太阳能转化为热能，使待提纯或浓缩溶液加热蒸发，通过收集蒸气而得到提纯的溶液。

实施例7——包含所述的光热转化器件的溶液浓缩装置

本发明实施例中提供了一种溶液浓缩装置，该装置具有具体实施例4类似的结构，是以第一水槽3盛装待浓缩溶液。该装置包含所述的光热转化器件3，可将太阳能转化为热能，使待浓缩溶液加热蒸发，第一水槽3底部残留的溶液为浓缩后的溶液。

实施例8——包含所述的光热转化器件的油水分离装置

本发明实施例中还提供了一种油水分离装置，该装置具有具体实施例4类似的结构，是以第一水槽3盛装待分离溶液。该装置包含所述的光热转化器件3，可将太阳能转化为热能，使待分离溶液加热蒸发，通过收集蒸气而得到水分，第一水槽3底部残留的液体为原油。

上述实施实例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体。但是并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。不得不指出，在不脱离本发明构思的前提下，所做出的若干变形，均属于本发明的保护范围。