阅读说明：本技术 一种三维球壳状海水光热蒸发器及其制备方法 (Three-dimensional spherical shell-shaped seawater photo-thermal evaporator and preparation method thereof ) 是由 邓大祥 孙玮 曾龙 马启贤 孙健 于 2021-01-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种三维球壳状海水光热蒸发器,包括漂浮层、高反射薄膜层、输水通道和三维球壳状光热蒸发结构。漂浮层为多孔泡沫层,其上表面涂镀有高反射薄膜,其中心设置有通孔,内嵌吸水棉棒作为输水通道,吸水棉棒下端伸入海水水体接触,由下部水体向光热蒸发结构供水。三维球壳状光热蒸发结构与吸水棉棒上端相连,其由吸水棉芯球壳状支撑骨架支撑,外包覆一层棉质网纱状结构,并在其上制备亲水性纸基层,并在纸基上均匀蒸镀沉积金或银纳米颗粒光吸收材料层。从而大大增加了光热蒸发面积,保证了光热蒸发水的快速充足供应,实现高效太阳能光热蒸发及海水淡化。且制备过程简单,成本低,易于推广。本发明还提供了上述海水光热蒸发器的制备方法。(The invention provides a three-dimensional spherical shell-shaped seawater photothermal evaporator which comprises a floating layer, a high-reflection film layer, a water delivery channel and a three-dimensional spherical shell-shaped photothermal evaporation structure. The floating layer is a porous foam layer, the upper surface of the floating layer is coated with a high-reflection film, the center of the floating layer is provided with a through hole, a water-absorbing cotton stick is embedded into the floating layer to be used as a water delivery channel, the lower end of the water-absorbing cotton stick extends into the seawater body to be contacted, and water is supplied to the photo-thermal evaporation structure from the lower water body. The three-dimensional spherical shell-shaped photo-thermal evaporation structure is connected with the upper end of the water-absorbing cotton stick, is supported by a spherical shell-shaped supporting framework of a water-absorbing cotton core, is coated with a layer of cotton gauze-shaped structure, is provided with a hydrophilic paper base layer, and is uniformly coated with a gold or silver nanoparticle light-absorbing material layer by evaporation deposition on the paper base. Thereby greatly increasing the photo-thermal evaporation area, ensuring the rapid and sufficient supply of photo-thermal evaporation water and realizing efficient solar photo-thermal evaporation and seawater desalination. And the preparation process is simple, the cost is low, and the popularization is easy. The invention also provides a preparation method of the seawater photo-thermal evaporator.)

一种三维球壳状海水光热蒸发器及其制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能海水淡化领域，尤其涉及一种三维球壳状海水光热蒸发器及其制备方法。

背景技术

海水淡化是解决我国沿海和临海地区水资源供需矛盾、优化水资源结构和保障供水安全的重要战略选择。太阳能海水淡化热法技术主要利用太阳能的光热资源，加热海水发生相变蒸发后，通过冷凝收集得到淡水。基于太阳能光热蒸发的海水淡化技术，由于绿色无污染、能源利用持续度高的优点，已被广泛的应用于海水淡化领域中，成为净化水、解决水资源短缺的新兴途径，尤其为偏远地区、海岛等小范围的家庭用水提供了可行性的解决方法。

传统的太阳能光热蒸发结构，一般是在水池的底部铺设一层黑色物质，太阳光照射进水池，黑色物质吸收太阳能并转化为热能，使海水蒸发产生蒸汽。这种结构简单稳定，但需对整个水体加热，且黑色吸收材料种类单一，光吸收率不高，因而光热转换效率很低，难以满足实际的需求。

近年来，研究人员集中于探索各种光功能材料，以期获得高效光热转换效率。且目前已形成了以等离激元材料、碳材料和半导体掺杂材料为主的光热转换材料体系，材料光吸收率已接近理想水平。而以上述光热材料制备的界面蒸发结构形式则较为单一，以二维平面式光热结构为主，其厚度很薄，通常直接悬浮或漂浮在水体表面进行光热转换，该光热结构通过加热附近的薄层水产生蒸汽，避免了对大水体进行加热，一定程度上提高了光热蒸发效率。然而在上述过程中，漂浮于界面的薄膜结构由于厚度较薄，故向下部水体热量散失大，造成严重的热损耗；此外，这种二维平面结构有效蒸发面积较少，且平面式结构对太阳光入射角度要求高，易造成光反射和散射损失，故而光吸收效率和光热转换效率仍然很低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种三维球壳状海水光热蒸发器，大大增加有效光热蒸发面积，降低光热吸收结构对光照射角度的要求；且利用亲水性纸基层作为光热吸收层基底材料，大大提高海水在三维球壳结构仲的输运速率，从而显著提高光热蒸发性能和海水淡化效率。

本发明的另一目的在于提供上述三维球壳状海水光热蒸发器的制备方法。

为达到上述发明目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种三维球壳状海水光热蒸发器，包括：漂浮层、高反射薄膜层、输水通道和三维球壳状光热蒸发结构；

所述漂浮层固定或漂浮于海水水体上方，所述高反射薄膜层涂镀在漂浮层上表面；所述漂浮层中心开一通孔，通孔内嵌一条吸水棉棒作为输水通道；所述吸水棉棒下端伸入海水水体中，上端与三维球壳状光热蒸发结构相连；所述三维球壳状光热蒸发结构与所述漂浮层有一定高度差、不直接接触；

所述三维球壳状光热蒸发结构的横截面材料从外到内依次包括：光吸收材料层、亲水性纸基层和网纱材料层。

在一较佳实施例中：所述漂浮层的侧壁为圆柱形的侧壁，其直径为40-60mm，厚度为20-30mm；并且漂浮层的上表面为圆锥形凹陷形状，凹陷角度为30-45°；所述圆锥形凹陷形状的中心设有所述通孔，通孔的直径为3-6mm。

在一较佳实施例中：所述漂浮层材料为聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫、硅基多孔材料中的一种。

在一较佳实施例中：所述高反射薄膜层材料为金属铝、银中的一种。

在一较佳实施例中：所述吸水棉棒上端和下端均伸出漂浮层通孔2-5cm。

在一较佳实施例中：所述三维球壳状光热蒸发结构的支撑骨架以竖直轴为基准等角度旋转排列，其间隔排列角度为20-45°，所述支撑骨架为半圆形，其直径为20-40mm。

在一较佳实施例中：所述光吸收材料为等离激元类材料、碳系类材料中的一种。

本发明还提供了一种如上所述的三维球壳状海水光热蒸发器的制备方法，包括如下步骤：

(1)将吸水棉芯内插入细铁丝弯成半圆形，将8-18个吸水棉芯半圆同心等角度旋转排列，固定形成球壳状支撑骨架；

(2)球壳状支撑骨架外包覆一层棉质网纱状结构，将其浸入纸浆溶液中，使纸浆在网纱上均匀覆盖后取出，再将其置入50～100℃干燥箱中保温2-3h，后取出并冷却至室温，得到纸基球壳状基底；

(3)将制得的纸基球壳状基底装夹于蒸镀仪真空室的基底平台上，取适量金或银纳米颗粒放入坩埚中，采用蒸镀方法在球壳结构表面均匀沉积一层金或银纳米颗粒涂层，调节蒸镀电流，控制沉积涂层厚度为20-40nm，作为球壳状表面光吸收材料层；得到三维球壳状光热蒸发结构；

(4)将三维球壳状光热蒸发结构与吸水棉棒一端连接，并将吸水棉棒的另一端穿过漂浮层的通孔，并伸入与海水水体中，形成输水通道，从而得到完整的三维球壳状海水光热蒸发器。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)三维球壳状海水光热蒸发器，相比于二维平面光热吸收层而言，显著降低了对光照入射角度的要求，大大增加了实际光热蒸发面积，并有效降低了光热蒸发结构的热损失。

(2)以亲水性纸基层作为光热吸收结构的基底材料，大大加快了海水在三维球壳光热吸收体表面的润湿速率，确保光热结构蒸发过程中充足的水供应。

(3)漂浮层上部凹陷圆锥形表面沉积高反射金属薄膜的设计，能在接收太阳光照后将光照反射到球壳结构背光面，实现整个结构的充分热辐射，提高光热吸收能量。

(4)等离激元纳米颗粒的应用，在光热转换中能充分发挥热局域性能，自发抑制对整个水体的加热，且等离激元纳米颗粒可吸收太阳光谱范围大，有效提高了光吸收效率。

附图说明

图1为本发明中三维球壳状海水光热蒸发器工作原理图；

图2为本发明中三维球壳状海水光热蒸发器示意图；

图3为本发明中漂浮层形状示意图；

图4为本发明中三维球壳光热吸收结构剖视图；

1为漂浮层；2为高反射薄膜；3为输水通道；4为三维球壳状光热蒸发结构；41为光吸收材料层；42为亲水性纸基层；43为网纱材料层；44为支撑骨架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

结合图1-图4，本实施例提供了一种三维球壳状海水光热蒸发器，包括漂浮层1、高反射薄膜层2、输水通道3和三维球壳状光热蒸发结构4；

漂浮层1固定或漂浮于海水水体上方、同时起到隔热作用，高反射薄膜层2涂镀在漂浮层1上表面，漂浮层1中心开一通孔，内嵌一条有一定强度和韧性的吸水棉棒作为输水通道3。所述吸水棉棒下端伸入海水水体中，上端与三维球壳状光热蒸发结构4相连。所述三维球壳状光热蒸发结构4与所述漂浮层1有一定高度差、不直接接触。

所述三维球壳状光热蒸发结构，其横截面材料从外到内依次包括光吸收材料层41、亲水性纸基层42、网纱材料层43。

本实施例中，所述漂浮层1的侧壁为圆柱形的侧壁，其直径d1为40-60mm，厚度h为20-30mm；漂浮层1的上表面为圆锥形凹陷形状，便于反射太阳光，凹陷角度θ为30-45°；中心设有圆形通孔贯穿上下表面，直径d2为3-6mm；

本实施例中，所述漂浮层1材料为聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫、硅基多孔材料中的一种。

本实施例中，所述高反射薄膜层2涂覆于漂浮层1上部的凹陷圆锥形表面，薄膜材料为金属铝、银中的一种。

本实施例中，所述吸水棉棒上下端均伸出漂浮层1通孔2-5cm。

本实施例中，所述三维球壳状光热蒸发结构的支撑骨架44以竖直轴为基准等角度旋转排列，其间隔排列角度α为20-45°，所述支撑骨架44被弯成半圆形，其直径为20-40mm；

优选的，所述光吸收材料为等离激元类材料、碳系类材料中的一种。

本实施例还提供了上述三维球壳状光热蒸发结构4的制备方法，包括以下步骤：

(1)将吸水棉芯内插入细铁丝弯成半圆形，将8-18个等尺寸棉芯圆环同心等角度旋转排列，固定形成一个球壳状支撑骨架44；

(2)在上述球状骨架外包覆一层棉质网纱状材料，将其浸入纸浆溶液中，使纸浆在网纱球面上均匀覆盖后取出，再将其置入干燥箱中烘干，调节干燥箱温度为50～100℃℃，干燥时间为2-3h，后取出并冷却至室温，得到纸基球壳状基底；

(3)取适量无水乙醇清洗真空蒸镀仪夹具和载物板，将制得的纸基球壳结构固定在蒸镀仪的载物台上，在蒸镀坩埚中放入适量纯度为99.99％的金或银颗粒作为镀层材料，启动蒸镀设备抽取真空后对球壳状基底进行蒸镀处理，控制装置真空度为2.5-4x10^-3Pa，蒸镀距离为30-50cm，蒸镀速率为0.5-1nm/s，蒸镀时间为10-20min，即可在纸基球状表面沉积一层金薄膜。

(4)变换球壳状基底装夹角度，重复(3)中操作，直至在球壳结构表面蒸镀一层膜厚均匀的金纳米颗粒薄膜，控制膜厚为20-40nm，即得球壳状表面光吸收材料层，从而得到三维球壳状光热蒸发结构4。

(5)将三维球壳状光热蒸发结构4与吸水棉棒一端连接，并将吸水棉棒的另一端穿过漂浮层的通孔、并伸入与海水水体中，形成输水通道，从而得到完整的三维球壳状海水光热蒸发器。

三维球壳状海水光热蒸发器的工作原理如下：

结合图1分析，漂浮层1漂浮于海水水体表面，输水通道3首先将海水水体吸到三维球壳下部，三维球壳结构中作支撑骨架的吸水棉芯再将运送上来的水定向输运，并借助纸基层的亲水性能迅速扩散至整个球壳结构表面。当光照射在球壳表面时，上部球壳直接接受到光照，而下部球壳则通过漂浮层上表面的高反射薄膜接收太阳光并反射，间接收到光照，表面的等离激元纳米颗粒吸收太阳光通过等离激元效应产生局域热，从而将纸基材料吸收的水蒸发产生蒸汽，从而实现海水中水与盐分的蒸馏分离，实现太阳能海水淡化。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。