一种自浮式太阳能海水蒸发淡化结构、制备方法及应用
阅读说明：本技术 一种自浮式太阳能海水蒸发淡化结构、制备方法及应用 (Self-floating solar seawater evaporation and desalination structure, preparation method and application ) 是由 戴家木 聂渡 刘蓉 张广宇 臧传锋 李素英 张伟 张瑜 张宇 于 2021-09-22 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种自浮式太阳能海水蒸发淡化结构、制备方法及应用,属于太阳能海水蒸发淡化技术领域。技术方案为,包括由下自上依次设置的基层,中间层及表层；基层为浮体,且基层由隔热材料制成,中间层由柔性且吸水的黑色材料制成,表层由高光热转化率的材料制成；其制备方法中,表层通过喷涂工艺负载到上光热转换层上,中间层和表层的制备方法具体包括以下步骤包括喷涂溶液配置、喷涂和自然凉干步骤。本发明的有益效果是：本方案实现对太阳光的纵向吸收,利用硫化铜或者具有较高光热转换效率的MXene材料作为表层,高效率吸收产热,实现海水的持续蒸发,从而达到淡化的目的。(The invention provides a self-floating solar seawater evaporation and desalination structure, a preparation method and application, and belongs to the technical field of solar seawater evaporation and desalination. The technical scheme is that the device comprises a base layer, a middle layer and a surface layer which are sequentially arranged from bottom to top; the base layer is a floating body and is made of a heat insulation material, the middle layer is made of a flexible and water-absorbing black material, and the surface layer is made of a material with high photo-thermal conversion rate; in the preparation method, the surface layer is loaded on the upper light-heat conversion layer through a spraying process, and the preparation method of the middle layer and the surface layer specifically comprises the following steps of spraying solution preparation, spraying and natural drying. The invention has the beneficial effects that: the scheme realizes longitudinal absorption of sunlight, utilizes copper sulfide or MXene material with higher photothermal conversion efficiency as a surface layer, efficiently absorbs heat, realizes continuous evaporation of seawater, and achieves the aim of desalination.)
技术领域
本发明涉及太阳能海水蒸发淡化技术领域，尤其涉及一种自浮式太阳能海水蒸发淡化结构、制备方法及应用。
背景技术
经济工业的迅速发展和生活品质的提高，水资源短缺问题日趋严峻。就目前而言，在国内很多地区，如东南沿海地区、西北干旱地区，海水淡化是解决水资源短缺的一种很有前景的方法。
传统蒸发淡化海水技术，经过多年的发展，在工业上日趋成熟。尤其是随着近年来太阳能技术和理论的发展，区别传统的太阳能蒸馏器对全部水体通过吸收太阳光而被加热，界面太阳光蒸发将光热效应局限于水与空气的界面，蒸发层与下面的水体保持绝热，这种设计在实现高速率、高转换效率的蒸发上有着巨大的潜力。
虽然太阳能作为绿色能源，但与其他能源相比，它的能量密度较低。要解决这个问题通常要么使用光学集中系统来增强太阳通量以便在相对较短的时间内产生更多的蒸汽，要么将太阳能产生的热量集中管理，抑制热辐射损失、热对流损失和热传导损失。显然前者成本高昂，并不适合大规模应用。为了进行有效的热量管理，就必须对材料结构进行优化设计。像经典的分离式和塔式设计，由于供水路径过长，随着盐分的积累，很难长时间保证稳定的供水，因而蒸发效率也不是很稳定。
如何解决上述技术问题为本发明面临的课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自浮式太阳能海水蒸发淡化结构、制备方法及应用。
本发明的思想为：一种自浮式太阳能海水蒸发淡化结构，基层低密度疏水材质能够为材料整体提供浮力，在使用时浸没在水体中，将位于基层上方的表层，表层也是上光热转换层，将上光热转换层托举在液面上，隔绝水体对上光热转换层，起到绝热作用；上光热转换层具有良好光吸收和光热转化能力的碳材料，位于上光热转换层上方的顶部光热增强层是具有较强光热转换能力的硫化铜，采用环保的水性聚氨酯为粘合剂，采用硫化铜为光热增强材料，通过喷涂工艺，在传统用于海水淡化材料结构基础上，通过硫化铜和水性聚氨酯的配合使用，将顶部光热增强层巧妙负载到上光热转换层的同时，使得材料整体的柔性得以保留，采用基于硫化铜负载自漂浮式太阳能海水淡化材料，实现具有高蒸发速率和相对较大蒸发面积的界面海水蒸发；采用硫化铜涂层用作顶部光热增强层，可以实现较高光热转换效率，大大提高蒸发温度并因此提高蒸发速率，实现海水的持续蒸发，从而达到淡化的目的。
本发明是通过如下措施实现的：一种自浮式太阳能海水蒸发淡化结构，其中，包括由下自上依次设置的基层，中间层及表层；所述基层为浮体，且基层由隔热材料制成，所述中间层由柔性且吸水的黑色材料制成，所述表层由高光热转化率的材料制成。
所述中间层及表层为一体化结构，所述中间层及表层为扁圆柱体；所述中间层和表层之间通过胶层粘合。
所述表层的外径小于等于所述中间层的外径，所述基层水平截面的面积大于等于所述中间层水平截面的面积，所述基层的厚度大于等于所述中间层及表层的厚度和。
进一步地，所述表层为硫化铜涂层。
进一步地，所述表层由高光热转换率的MXene材料制成。
进一步地，所述中间层由碳纤维毡制成。
进一步地，所述基层由木棉纤维毡或聚苯乙烯泡沫材料制成。
进一步地，所述基层外包覆正多棱柱的壳体，基层填充在壳体中。
所述壳体的上表面固定设置圆弧框，所述中间层设置在圆弧框内，所述中间层的外径与所述圆弧框的内径对应。
所述圆弧框的外直径小于壳体对角线的长度。
进一步地，所述壳体的每个侧面中部均开设有凹口，所述圆弧框与壳体凹口对应开设通槽。
所述壳体的凹口和圆弧框的通槽处设置筒体，筒体内部中空，上下两端均为开放端，筒体上部朝向所述圆弧框内的一侧设置开口。
筒体内放置由吸水材料制成的块体，块体上下两端分别延伸至所述筒体两端外侧，块体上部通过所述筒体的开口处与所述中间层外侧面相贴。
块体可以采用和中间层相同的材料。
进一步地，所述壳体为六棱柱体，所述筒体外侧面设置粘合贴。
进一步地，所述弧形框下端开设有进水口。
所述基层、中间层及表层中部开设通孔，通孔处贯穿设置拉绳，所述拉绳下端设置挂环，拉绳上部设置限位块，限位块位于所述表层上侧。
限位块可以选择弹簧夹，或者带有通孔的块状体，通孔一侧设置锁紧螺栓。优选为，所述壳体的上侧面为下凹面。
为了更好地实现上述发明目的，本发明还提供了一种自浮式太阳能海水蒸发淡化结构的制备方法，所述表层通过喷涂工艺负载到上光热转换层上，中间层和表层的制备方法具体包括以下步骤：
步骤一、喷涂溶液配置：将5g硫化铜分散在100g水溶液中；
步骤二、喷胶：在上光热转换层上表面均匀喷洒5g水性聚氨酯；
步骤三、喷涂：将步骤一中涂溶液雾化喷在步骤二中上光热转换层喷涂水性聚氨酯一侧上；
步骤四、自然凉干；
或者
步骤一、喷涂溶液配置：将5g硫化铜分散在200g水性聚氨酯溶液中；
步骤二、喷涂：将步骤一中涂溶液雾化喷在上光热转换层上；
步骤三、自然凉干。
为了更好地实现上述发明目的，本发明提供了一种基于自浮式太阳能海水淡化结构的应用，利用所述表层，也就是顶部光热增强层实现对由基层下隔热层、表层，也就是上光热转换层组成自浮式太阳能海水蒸发淡化结构，对太阳光吸收产热的增强，实现海水的蒸汽，从而达到淡化的目的。
与现有技术相比，本发明的益效果是：
(1)、本方案选用低密度、隔绝性较好等特点的材料如木木棉纤维毡、聚苯乙烯泡沫或者其他低密度隔绝性较好的材料作为基层，选用从可见光到红外的宽带的光谱吸收能力的碳纤维毡或者其他黑色具有柔性的碳材料作为中间层，实现对太阳光的纵向吸收，利用硫化铜或者具有较高光热转换效率的MXene材料作为表层，高效率吸收产热，实现海水的持续蒸发，从而达到淡化的目的。
(2)、本方案以环保为原则，采用环保的水性聚氨酯为粘合剂，采用硫化铜为光热增强材料，通过喷涂工艺，在传统用于海水淡化材料结构基础上，通过硫化铜和水性聚氨酯的配合使用，将表层巧妙负载到中间层的同时，使得材料整体的柔性得以保留，通过使用低密度、隔绝性较好等特点的材料作为基层，能够为中间层提供浮力，使之能够浮在在海水上，一方面能够让中间层充分吸收阳光辐射，从而稳定产热，另一方面能减小液面界面下海水对碳布热量耗散，减小非蒸发的能量损失，维持体系在界面持续蒸发所需要的热量。
(3)、本发明能够增加海水蒸发淡化时，蒸发界面上光热转换的效率，为体系在界面持续蒸发所需要的热量提供保障。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构示意图。
其中，附图标记为：1、基层；11、壳体；12、弧形框；13、筒体；14、块体；15、粘合贴；16、进水口；3、表层；4、拉绳；41、限位块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
参见图1，本发明提供一种自浮式海水蒸发淡化结构，包括由下自上依次设置的基层1，中间层及表层3；所述基层1为浮体，且基层1由隔热材料制成，所述中间层由柔性且吸水的黑色材料制成，所述表层3由高光热转化率的材料制成；
所述中间层及表层3为一体化结构，所述中间层及表层3为扁圆柱体；所述中间层和表层3之间通过胶层粘合；胶层选用水性聚氨酯为粘合剂。
所述表层3的外径小于等于所述中间层的外径，所述基层1水平截面的面积大于等于所述中间层水平截面的面积，所述基层1的厚度大于等于所述中间层及表层3的厚度和。
优选为，所述表层3为硫化铜涂层。
优选为，所述中间层由碳纤维毡制成。
优选为，所述基层1由木棉纤维毡或聚苯乙烯泡沫其他低密度隔绝性较好的材料制成。
本结构工作时中间层和表层3进行光热转换，将太阳能转换为热量，从而加速海水蒸发。通过硫化铜和水性聚氨酯的配合使用，将表层3负载到中间层的同时，使得材料整体的柔性得以保留。
中间层和表层3的制备方法为：
步骤一、喷涂溶液配置：将5g硫化铜分散在100g水溶液中；
步骤二、喷胶：在中间层上表面均匀喷洒5g水性聚氨酯；
步骤三、喷涂：将步骤一中涂溶液雾化喷在步骤二中中间层喷涂水性聚氨酯一侧上。
步骤四、自然凉干。
实施例2
与实施例1不同的是，制备方法为：
步骤一、喷涂溶液配置：将5g硫化铜分散在200g水性聚氨酯溶液中；
步骤二、喷涂：将步骤一中涂溶液雾化喷在中间层上；
步骤三、自然凉干。
表1为本发明木棉毡、碳布复合非织造毡的蒸发性能表
组别
界面温度(℃)
蒸发速率(kg·m<sup>-2</sup>·h<sup>-1</sup>)
实施例1
39.4
1.51
实施例2
39.6
1.52
无表层
38.6
1.49
在其他条件相同时，采用具有较高光热转换效率的硫化铜作为表层3的实施例1、实施例2组的界面温度分别为39.4℃、39.6℃，蒸发速率分别为1.51kg m-2h-1、1.52kg m-2h-1，数值均高于无表层3组界面温度38.6℃，蒸发速率1.49kg m-2h-1这表明通过具有较高光热转换效率的硫化铜作为表层3的设计，能够提高材料整体的光热转换效率，实现海水的持续蒸发。
实施例3
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，优选为，所述表层3由高光热转换率的MXene材料制成。
实施例4
在上述实施例的基础上，优选为，所述基层1外包覆正多棱柱的壳体11，基层1填充在壳体11中；
所述壳体11的上表面固定设置圆弧框12，所述中间层设置在圆弧框12内，所述中间层的外径与所述圆弧框12的内径对应；
所述圆弧框12的外直径小于壳体11对角线的长度。
基层1采用扁多棱柱体的壳体结构，上面增加稍小的圆弧框12放置中间层，可以提高本装置在水中漂浮时的稳定性，不易翻转。
优选为，所述壳体11的每个侧面中部均开设有凹口，所述圆弧框12与壳体凹口对应开设通槽；
所述壳体11的凹口和圆弧框12的通槽处设置筒体13，筒体13内部中空，上下两端均为开放端，筒体13上部朝向所述圆弧框12内的一侧设置开口；
筒体13内放置由吸水材料制成的块体14，块体14上下两端分别延伸至所述筒体13两端外侧，块体14上部通过所述筒体13的开口处与所述中间层外侧面相贴。
块体14可以采用和中间层相同的材料。通过块体14起到引流的效果，基层1连通壳体11浮在水面上，块体14将海水吸引并引流至中间层内，通过表层3和中间层在太阳照射下升温，从而加速海水蒸发。
优选为，所述壳体11为六棱柱体，所述筒体13外侧面设置粘合贴15。
六棱柱体的壳体11结合粘合贴15，可以实现将本装置阵列排布，形成较大的海水蒸发转换面。
优选为，所述弧形框12下端开设有进水口16；
所述基层1、中间层及表层3中部开设通孔，通孔处贯穿设置拉绳4，所述拉绳4下端设置挂环，拉绳4上部设置限位块41，限位块41位于所述表层3上侧。
限位块41可以选择弹簧夹，或者带有通孔的块状体，通孔一侧设置锁紧螺栓。本装置使用时可以在适当位置建设海水承载池，在池底固定设置若干挂钩，将本装置放在池内，拉绳4的挂环和挂钩连接，然后灌注海水，令本装置自然浮起，调整限位块41的位置，令基层1略微沉于液面下，海水可以通过进水口16与中间层接触。
优选为，所述壳体11的上侧面为下凹面。
结合进水口16，下凹面可以存储一部分海水，便于该部分水盒中间层的接触。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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