管状流体流动无盐结晶光热海水淡化装置及其制备方法
阅读说明：本技术 管状流体流动无盐结晶光热海水淡化装置及其制备方法 (Tubular fluid flowing salt-free crystallization photo-thermal seawater desalination device and preparation method thereof ) 是由 张永毅 袁鹏 曹培 李清文 王岩冰 于 2021-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种管状流体流动无盐结晶光热海水淡化装置及其制备方法。所述管状流体流动无盐结晶光热海水淡化装置包括：光热界面水蒸发机构、第一吸水机构和第一排水机构,所述光热界面水蒸发机构包括光吸收壳层和吸水芯层,所述光吸收壳层包覆在所述吸水芯层表面,其中,第一吸水机构、第一排水机构分别与所述吸水芯层连接,从而在所述第一吸水机构、吸水芯层、第一排水机构之间形成水传输通道；第一吸水机构设置于第一蓄水装置内,所述第一排水机构设置于第二蓄水装置内。本发明提供的光热海水淡化装置,利用液面势能,通过引导液体的流动,经过光热层蒸发,在液体蒸发至饱和浓度前就被排出,达到完全杜绝盐结晶的目的,增加装置耐用性。(The invention discloses a tubular fluid flowing salt-free crystallization photo-thermal seawater desalination device and a preparation method thereof. The tubular fluid flow salt-free crystallization photothermal seawater desalination device comprises: the water-absorbing and water-draining device comprises a photo-thermal interface water evaporation mechanism, a first water absorbing mechanism and a first water draining mechanism, wherein the photo-thermal interface water evaporation mechanism comprises a light absorbing shell layer and a water absorbing core layer, the light absorbing shell layer is coated on the surface of the water absorbing core layer, the first water absorbing mechanism and the first water draining mechanism are respectively connected with the water absorbing core layer, and therefore a water transmission channel is formed among the first water absorbing mechanism, the water absorbing core layer and the first water draining mechanism; the first water suction mechanism is arranged in the first water storage device, and the first water discharge mechanism is arranged in the second water storage device. The photo-thermal seawater desalination device provided by the invention utilizes the potential energy of the liquid surface, leads the liquid to flow, evaporates through the photo-thermal layer, and is discharged before the liquid is evaporated to the saturated concentration, so that the aim of completely avoiding salt crystallization is achieved, and the durability of the device is improved.)
技术领域
本发明涉及一种海水淡化装置，特别涉及一种管状流体流动无盐结晶光热海水淡化装置及其制备方法，属于海水淡化技术领域。
背景技术
随着人类对自然的开发利用，在实现科技进步的同时，也对环境造成了严重的破坏，自然资源短缺的问题显得越发突出，为了应对水自然短缺问题，人们开发了多重水处理技术，例如：电渗析、膜蒸发、反渗透等，但由于建设成本高，维护成本高，这些技术难以在贫穷地区得到广泛普及，太阳能是迄今为止最大的可开发、可再生和可持续的资源，为地球提供了巨大的能量，直接利用太阳能进行光热海水淡化被认为是一种有前途的淡化方式。
近十年来，光热界面水蒸发系统已被开发用于清洁水生产，这类装置显示出惊人的高效水蒸发能力。这得益于太阳能热转换材料可以高效地将吸收的太阳光转化为热能。未来不久，光热界面水蒸发系统可能由于其对清洁能源的高效利用以及零温室气体排放得到更为广泛的关注。
目前，光热界面水蒸发系统通常是由光吸收层、隔热层、水传输层组成的三维结构，以求达到较高的光热转换效率，并减少热量损失。为了追求高效率，光吸收层普遍选用光吸收强的材料，例如石墨烯、氧化石墨烯、生物质衍生无定形碳、石墨、碳黑、碳纳米管等。
光热海水淡化装置在工作过程中，装置的耐用性与蒸发速率都十分重要，在光热蒸发过程中，大量海水被蒸发，同时会产生大量的盐结晶附着才光热层上，这会严重降低光热效率，并减少装置使用寿命。
目前，为应对这些问题，研究人员采取了一些方法来减少盐结晶对光热海水淡化装置造成的影响，例如通过调控液体流动，实现盐结晶产生在装置边缘，实现盐分离，或通过增加流体进口以及出口，使流体在装置内部流动起来，经过蒸发后带走高盐浓度海水，实现真正的无结晶海水蒸发。
其中边缘结晶型光热海水淡化装置并没有杜绝盐结晶产生，只是通过引导，让盐结晶产生在特定位置而不覆盖过多的光热表面，减少了盐结晶对蒸发速率的影响。
另外通过简单的平面结构使流体从一侧流动到另一侧，有效的实现了无结晶的目的，彻底解决了盐结晶的问题，但通过伯努利方程可知，压强不同会造成流体流速不同，所以造成此类装置的进出口必须与光热端等宽，进一步造成装置臃肿，此外由于流体在柔性平面材料上流动会受到额外的粘滞力与局部阻力的影响，容易形成局部流动不均匀，不利于水蒸发以及排盐。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种管状流体流动无盐结晶光热海水淡化装置及其制备方法，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种管状流体流动无盐结晶光热海水淡化装置，其包括：光热界面水蒸发机构、第一吸水机构和第一排水机构，所述光热界面水蒸发机构包括光吸收壳层和吸水芯层，所述光吸收壳层包覆在所述吸水芯层表面，其中，所述第一吸水机构、第一排水机构分别与所述吸水芯层连接，从而在所述第一吸水机构、吸水芯层、第一排水机构之间形成水传输通道；所述第一吸水机构设置于第一蓄水装置内，所述第一排水机构设置于第二蓄水装置内。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
本发明实施例提供的管状流体流动无盐结晶光热海水淡化装置及其制备方法，结合了管内流动与面内扩散，通过面内扩散的方式使高浓度盐水扩散到光热面边缘，通过管内流动的方式将边缘即将结晶的快要饱和的浓盐水排出，以液面势能为驱动力，通过液体不断流动，达到完全杜绝盐结晶的目的，实现超长时间稳定工作，大大提升光热海水淡化装置的耐用性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一典型实施例中提供的一种管状流体流动无盐结晶光热海水淡化装置的结构示意图；
图2为本发明一典型实施例中提供的一种管状流体流动无盐结晶光热海水淡化装置的原理示意图；
图3为本发明一典型实施例中提供的一种管状流体流动无盐结晶光热海水淡化装置制备方法示意图；
图4为本发明一典型实施例中提供的一种管状流体流动无盐结晶光热海水淡化装置在不同孔径下实验数据图；
图5为本发明一典型实施例中提供的一种管状流体流动无盐结晶光热海水淡化装置在不同孔径下经过一段24h测试后的平面示意图；
图6为本发明一典型实施例中提供的一种管状流体流动无盐结晶光热海水淡化装置在不同孔径实验数据图；
图7为本发明一典型实施例中提供的一种管状流体流动无盐结晶光热海水淡化装置在超长时间水蒸发下的蒸发速率变化图。
附图标记说明：
1、第一容器；2、第二容器；3、光热界面水蒸发机构；4、第一吸水机构；5、第一排水机构。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例提供了一种管状流体流动无盐结晶光热海水淡化装置及其制备方法，其包括：光热界面水蒸发机构、第一吸水机构和第一排水机构，所述光热界面水蒸发机构包括光吸收壳层和吸水芯层，所述光吸收壳层包覆在所述吸水芯层表面，其中，所述第一吸水机构、第一排水机构分别与所述吸水芯层连接，从而在所述第一吸水机构、吸水芯层、第一排水机构之间形成水传输通道。所述第一吸水机构设置于第一蓄水装置内，所述第一排水机构设置于第二蓄水装置内。
在一具体实施方式中，所述光吸收壳层表面设有若干微孔。
在一具体实施方式中，所述微孔的直径为50-200μm。
在一具体实施方式中，所述微孔的间隔600-2400μm。
在一具体实施方式中，所述光热界面水蒸发机构具有沿指定方向卷绕形成的圆盘状结构。
在一具体实施方式中，所述第一吸水机构伸入所述第一蓄水装置内与第一蓄水装置中液体接触，所述第一排水机构伸入所述第二蓄水装置内。
在一具体实施方式中，所述第一排水机构设于所述光热界面水蒸发机构边缘处。
在一具体实施方式中，所述第一吸水机构设于所述光热界面水蒸发机构中心处，并且，所述第一排水机构的末端低于所述第一蓄水装置内液面高度。
在一具体实施方式中，所述光吸收壳层包括光热高分子、光热等离子材料或光热半导体。
在一具体实施方式中，所述吸水芯层为柔性材料。
在一具体实施方式中，所述吸水芯层材料包括无纺布、亲水泡沫、棉绳或麻绳。
在一具体实施方式中，所述光吸收壳层和吸水芯层之间涂有粘合层。
在一具体实施方式中，一种基于基于管状流体流动无盐结晶光热海水淡化装置的制备方法，所述海水淡化制备方法是基于所述光热海水淡化装置实施的，所述的海水淡化制备方法包括：使所述第一吸水机构与第一蓄水装置内的液体接触，使所述第一排水机构与第二蓄水装置内的液体接触，并使所述第一蓄水装置内的液面高度高于第二蓄水装置内的液面高度。
如下将结合附图对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非说明的之外，本发明实施例中的各组成部件的材质可以是本领域技术人员已知的，各部件的尺寸参数等均可以根据具体情况进行调整，在此不做具体的限定。
实施例：
请参阅图1，一种管状流体流动无盐结晶光热海水淡化装置，其包括：光热界面水蒸发机构、第一吸水机构和第一排水机构，所述光热界面水蒸发机构包括光吸收壳层和吸水芯层，所述光吸收壳层包覆在所述吸水芯层表面，其中，所述第一吸水机构、第一排水机构分别与所述吸水芯层连接，从而在所述第一吸水机构、吸水芯层、第一排水机构之间形成水传输通道。所述第一吸水机构设置于第一蓄水装置内，所述第一排水机构设置于第二蓄水装置内。
具体的，第一吸水机构为管状吸水结构，第二吸水结构为管状排水结构，光热界面水蒸发机构为螺旋圆盘状光热界面水蒸发结构。
具体的，分析现存平面流体结构光热蒸发器的流体流动情况，发现流体在平面结构流动时，容易因为平面结构的不平整而收到额外粘滞力以及局部阻力的影响，进一步的造成表面流动不均匀，从而存在结晶的风险。构建成管状结构后，流体流动会因为管状结构的束缚，以一种更加均匀的方式进行流动。优点：
1、在海水淡化过程中可以实现无结晶蒸发优点；
2、螺旋圆盘状光热结构增加光热面积优点；
3、管状蓄水结构增加水流的平稳性，使海水淡化过程中的盐结晶更加容易控制。
例如：图2中的第一容器1内部的液体高于第二容器2内部的液体，比如液体是海水或其他含盐分的液体，图2中箭头表示海水的流向，第一吸水机构4与第一容器1内部的海水接触，第一吸水机构4将第一容器1内部的海水吸收到光热界面水蒸发机构3进行蒸发，由于光热界面水蒸发机构3是呈盘型，可以增加光热吸收能力，并且圆形符合水自由扩散的形状，能够使最外圈的液体含盐率最高，并且直到排出前都低于盐水的饱和浓度，所以不会产生盐结晶。
具体的，本发明制备的光热海水淡化装置利用液面势能差，通过引导液体的流动，经过光热层蒸发，在液体蒸发至饱和浓度前就被排出，达到完全杜绝盐结晶的目的，增加了装置耐用性。
经测试，本发明制备的装置可以在1个太阳光强(100mW/cm-2)下，3.5wt％盐水中，连续工作600个小时以上，不产生盐结晶，得益于装置与水直接接触的只有少部分吸水棉线，该装置蒸发速率达到了1.64kgm-2h-1，在实现无结晶的同时实现了较高的蒸发速率。
本实施例中，所述光吸收壳层表面设有若干微孔。
具体的，吸收壳层表面设有若干微孔，为了增加薄膜材料的透水性。
具体的，碳纳米管薄膜作为光吸收壳层，商用吸水棉线作为吸水芯层，将碳纳米管薄膜打孔，打孔的目的是增强卷绕后装置的水传输能力，在打完孔的薄膜的一面可以涂上15wt％的聚乙烯醇溶液作为粘合层，使薄膜更容易附着在吸水棉线上，并且，增强碳纳米管薄膜的亲水性。
本实施例中，所述微孔的直径为50-200μm。
本实施例中，所述微孔的间隔600-2400μm。
具体的，在光吸收壳层上打孔，这是为了增加装置的水传输能力，通过调整孔径与孔间隔，可以很容易的调整装置的水传输能力。
本实施例中，所述光热界面水蒸发机构具有沿指定方向卷绕形成的圆盘状结构。
请参阅图4，在3.5wt％浓度盐水中，经过一个太阳光强照射24h后，不同孔径下实验数据图，选择相同的孔间隔是因为改变孔间隔与改变孔大小的目的相同，都是为了改变膜材料的透水性，为了方便比较，展示样品的孔间距均设置为1200μm，仅改变孔径大小，由于所选孔间隔都为1200μm，所以图中只表示为无孔、50μm、100μm、200μm，根据蒸发速率的变化可以看出，当孔面积较小或没有打孔时，因为装置表面产生了盐结晶，蒸发速率逐渐下降，这是由于水传输能力不足导致的，盐水在排出前就达到了饱和浓度并产生了盐结晶，遮挡了光热表面。所以在间隔为1200μm时，优选微孔的直径为100μm。
请参阅图5，在3.5wt％浓度盐水中，经过一个太阳光强照射24h后，几种不同孔直径的海水淡化装置平面示意图，可以看出无孔以及50μm孔的样品在24h后产生了盐结晶，进一步佐证孔面积过小会造成盐结晶堵塞，且会导致蒸发速率显著下降。
请参阅图6，可以看出孔面积也不能过大，孔面积过大会导致水传输能力过强，而水流量过大会导致过多的热量损失，当孔径变大或孔密度变小，都会使蒸发速率下降。
请参阅图7，图中展示了200h内持续光照下的蒸发速率变化，可以看出在200h内无明显波动，经测试，这种稳定性在600h内依然可以保持，期间样品上始终没有产生可见盐颗粒。
本实施例中，所述第一吸水机构伸入所述第一蓄水装置内与第一蓄水装置中液体接触，所述第一排水机构伸入所述第二蓄水装置内。
所述光热界面水蒸发机构3自中心向外排出含盐率的液体，以使光热界面水蒸发机构3边缘处液体含盐率高于光热界面水蒸发机构3中心处液体含盐率。
本实施例中，所述第一排水机构设于所述光热界面水蒸发机构边缘处。
具体的，可以在光热界面水蒸发机构边缘处设置第一排水结构、第二排水机构等多个排水机构。
本实施例中，所述第一吸水机构设于所述光热界面水蒸发机构中心处，并且，所述第一排水机构的末端低于所述第一蓄水装置内液面高度。
具体的，可以在光热界面水蒸发机构中心处设置第一吸水机构、第二吸水机构等多个吸水机构。
本实施例中，所述光吸收壳层包括光热高分子、光热等离子材料或光热半导体。
具体的，光热材料可以是碳材料、光热高分子、光热等离子材料、光热半导体。
具体的碳材料可以是石墨烯、氧化石墨烯、生物质衍生无定形碳、石墨、碳黑等。
具体的光热高分子可以是聚吡咯(PPy)，聚苯胺(PANI)等。
具体的光热等离子材料可以是各种金属纳米粒子等。
具体的光热半导体可以是氢化黑色二氧化钛、Ti2O3纳米颗粒、Fe3O4等。
这些材料的形态可以是纤维、薄膜、海绵等。
本实施例中，所述吸水芯层为柔性材料。
本实施例中，所述吸水芯层材料材料包括无纺布、亲水泡沫、棉绳或麻绳。
本实施例中，所述光吸收壳层和吸水芯层之间涂有粘合层，以增强所述光热材料的亲水性。
具体的，可以采用粘合层或不使用粘合层，所采用的粘合层可以是：聚乙烯醇(PVA)，聚乙烯(PVP)，聚乙二醇(PEG)等；不同的柔性吸水材料(无纺布、亲水泡沫、棉绳、麻绳)。
一种基于管状流体流动无盐结晶光热海水淡化装置的制备方法，所述海水淡化制备方法是基于所述光热海水淡化装置实施的，所述的海水淡化制备方法包括：
使所述第一吸水机构与第一蓄水装置内的液体接触，使所述第一排水机构与第二蓄水装置内的液体接触，并使所述第一蓄水装置内的液面高度高于第二蓄水装置内的液面高度。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。