一种主动式抗盐太阳能蒸发器及其应用的制作方法

本发明属于太阳能海水淡化技术领域，具体涉及一种主动式抗盐太阳能蒸发器及其应用。

背景技术：

目前主流的海水淡化技术主要包括反渗透膜法(ro)和热法(主要是低温多效蒸馏lt-med技术)，均是非常成熟的大规模、集中式的供水方案，其中ro技术基本被国外垄断。这两种方案主要受两方面的制约：一方面，需要大量消耗能源，不可避免地会加剧温室效应和环境污染，且高度依赖大型电力设施，产能和分布地点受到限制；另一方面，盐分污染设备是传统海水淡化领域的共性问题，设备的维护成本较高。而太阳能海水淡化只需以太阳能作为能量来源，无需依靠大型能源设施，具有更加广泛的应用范围。目前商用化的太阳能蒸馏器结合传统的lt-med技术，可以实现30％～45％的太阳能转换效率，但仍然不够理想。

近年来，新型的光热驱动界面蒸发作为继太阳能蒸馏器之后，一种全新型的太阳能海水淡化技术，具有更高的光热转换效率、更大的规模、更低廉的成本优势，可直接从海水生产生活用水和饮用水，适用于中大规模生活用水淡化厂和便携式取水装置，特别适用于海岛地区生活用水、船只生活用水、海上平台用水、野外生存用水等场景的淡水获取，成为海水淡化领域的研究热点，有望成为太阳能蒸馏器的替代技术。然而，该技术仍然需要克服盐分污染问题。在界面蒸发的过程中，水以蒸气形式逸出，而水中的盐分由于过饱和而析出在界面处，阻碍蒸发器的性能和稳定性甚至破坏蒸发器结构。目前，在太阳能蒸发器中主要通过被动式的设计，即通过蒸发位点和下方水体的高低浓度差实现盐分的被动回流扩散，来达到避免盐分析出的目的，具体的设计主要分为4种：(1)人工移除析出的盐分，清洗或者从蒸发位点的边缘排出；(2)通过疏水效应将水分和盐阻挡在光热材料下层，再通过光热材料下层和水体的高低浓度差进行盐分回流；(3)利用夜间低蒸发速率将日间积累的盐分溶解回流；(4)使用三维供水通道，加强扩散模式使盐分回流。以上这些方法受限于被动的浓差扩散速率，只能间歇性地工作或只能在较低的光强(低于2倍标准太阳强度)和盐浓度(低于5％)条件下稳定工作。

针对目前被动式抗盐设计的不足，实现太阳能蒸发器在高光强、高盐浓度条件下的不间断稳定工作，就需要通过特殊的蒸发器结构设计，来实现在高速蒸发的同时，快速将盐分带走避免累积而析出。被动式的低浓差扩散速率无法满足在强聚光和高盐工况下的连续性工作。因此，设计能够根据不同蒸发速率/盐分积累速率而及时将盐分排走的新型主动式抗盐太阳能蒸发器是本领域的重要发展方向。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种主动式抗盐太阳能蒸发器及其应用，能够实现主动将盐分从蒸发器中带回下方水体，达到不同光强、盐浓度工况下的最优蒸发和抗盐性能，制造的太阳能蒸发器成本低廉、无毒环保、具备工业化量产的潜力，在海水淡化应用中能够长期维持高效、稳定、不间断的蒸气产生功能。

为了实现以上目的，本发明提供了一种主动式抗盐太阳能蒸发器，包括隔热浮子以及支撑于所述隔热浮子的上层纤维布和下层纤维布，所述上层纤维布和所述下层纤维布沿上下方向层状紧密堆叠设置，所述上层纤维布和所述下层纤维布均为条带状的亲水多孔纤维布；所述上层纤维布的靠近中间的面上设置有蒸发结构，所述蒸发结构包括负载于所述上层纤维布的光热材料，所述蒸发结构作为光热转换和蒸气逸出位点，所述蒸发结构两侧的所述上层纤维布用于分别没入水体中作为水盐传输通道；所述下层纤维布的形状与所述上层纤维布的一侧以及所述蒸发结构的形状相适配，且所述下层纤维布的一侧用于没入水体中作为水盐传输通道，所述主动式抗盐太阳能蒸发器形成具有从所述上层纤维布的一侧经所述蒸发结构至所述上层纤维布的另一侧，以及从所述下层纤维布经所述蒸发结构至所述上层纤维布的单向微液流驱动力。

进一步地，所述蒸发结构的两侧分别为上层纤维布第一侧和上层纤维布第二侧，所述上层纤维布第一侧和所述上层纤维布第二侧用于分别没入水体中作为水盐传输通道；所述下层纤维布具有下层纤维布第一侧和下层纤维布第二侧，且所述下层纤维布第一侧与所述上层纤维布第一侧的形状相同，所述下层纤维布第二侧与所述蒸发结构的形状相同，所述下层纤维布第一侧用于没入水体中作为单向水盐传输通道；所述主动式抗盐太阳能蒸发器形成具有从所述上层纤维布第一侧、所述蒸发结构到所述上层纤维布第二侧，以及从所述下层纤维布第一侧、所述下层纤维布第二侧、所述蒸发结构到所述上层纤维布第二侧的单向微液流驱动力。

进一步地，所述蒸发结构具有第一边和第二边，所述第一边与所述上层纤维布第二侧连接，所述第二边与所述上层纤维布第一侧连接，且所述第一边与所述第二边的长度比为(1:2)～(1:7)。

进一步地，所述蒸发结构的形状从所述第二边至所述第一边的方向依次递减，且所述第一边与所述第二边的长度比连续可调，所述蒸发结构的连接所述第二边和所述第一边之间的侧边呈线段或曲线。

进一步地，所述隔热浮子包括聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫、聚丙烯泡沫、聚氯乙烯泡沫或酚醛树脂泡沫。

进一步地，所述亲水多孔纤维布包括椰壳布、无纺布、棉布、麻布、化纤布或毛毡布。

进一步地，所述光热材料包括碳基材料、半导体材料或具有等离子体基元吸收的金属纳米颗粒。

进一步地，所述碳基材料包括炭黑、乙炔黑、石墨烯、碳纳米管、碳化钛或聚吡咯；所述半导体材料包括硫化铜、黑氧化钛、铜铟镓硒或铜锌锡硫；所述金属纳米颗粒包括铝、金、银、铂或钯。

进一步地，所述光热材料为直接将纤维布进行碳化得到，所述碳化温度为250～400摄氏度，碳化时间为2～5分钟。

本发明还提供了一种上述的主动式抗盐太阳能蒸发器作为太阳能海水淡化的应用，将所述上层纤维布的两侧，以及所述下层纤维布的一侧分别向下没入水体中作为水盐传输通道，通过单向微液流驱动力主动地将盐分从蒸发器中带回下方水体中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明制造的太阳能蒸发器仅以商业化廉价的泡沫和纤维布为原材料，具备低成本规模化制造的潜力。同时，对光热材料的选择性非常广，在大规模制造中可以使用具备光热效应的碳材料、固废材料等廉价材料。

2、相较于目前主流的ro和lt-med海水淡化技术，本发明使用太阳能作为唯一能源、摆脱对大型能源及其设施的依赖、免除对海水的预处理过程以及抗盐配件的周期性更换、拓展了海水淡化的适用范围、打破国外对ro技术垄断、提升淡化水质实现从海水中直接生产生活用水和饮用水。

3、相较于太阳能蒸馏器，利用光照使海水整体升温蒸发，大部分的光热能量被浪费，太阳能转换效率一般在30％～45％。本发明通过特殊的结构设计，使光热仅对空气/表层水界面处进行加热蒸发，从而将太阳能转换效率提升到80％以上，远高于光伏发电的效率。

4、相较于光热驱动界面蒸发此前的被动式抗盐设计，只能通过蒸发位点和下方水体的高低浓度差实现盐分的被动回流扩散，来达到避免盐分析出的目的，受限于被动的浓差扩散速率，只能间歇性地工作或只能在较低的光强和盐浓度条件下稳定工作。本发明通过优化蒸发结构形状两条边的长度比，以及设置单向汲水层，以获得单向微液流驱动力，实现在高速蒸发的同时，根据不同蒸发速率/盐分积累速率而及时主动将盐分从蒸发器中带回下方水体，达到不同光强、盐浓度工况下的最优蒸发和抗盐性能。

5、本发明的单向微液流驱动力来源于上层的蒸发结构形状的优化设计以及上、下层纤维布单向汲水两方面共同作用。上层的蒸发结构形状的截面积从长边到短边方向逐渐递减，根据连续性方程可知会导致该方向流速加快，即可产生从长边到短边方向的单向微液流趋势。且长边与短边长度比连续可调，因此可对该单向微液流的流速进行有效调控，以匹配不同光强、盐浓度工况使用。此外，在保证连续性方程成立的前提下，另外两侧边的形状没有严格的限制，可以为线段或曲线，且不规则的曲线还可能加强对边缘区域的扰动，抑制滞流区的产生。下层纤维布单向汲水，驱动上层纤维布的单向微液流趋势能够有效地进行，真正实现主动式的抗盐功能。如果不优化蒸发结构形状，双向流速互相抵消，不产生微液流，将在其边缘附近产生滞流区，无法及时将盐分排走，导致盐分过饱和析出，进一步使滞流区范围扩大到整个蒸发器区域，使盐分逐渐从边缘向中心区域不断结晶析出。如果不添加下层单向汲水结构，即下层纤维布，上层纤维布的单向微液流趋势还不足以强到长期维持真实的微液流动。基于这两者的配合，本发明的主动式抗盐太阳能蒸发器同时兼备了高蒸发速率和抗盐的优点，在海水淡化应用中能够长期维持高效、稳定、不间断的蒸气产生功能。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图一；

图2是本发明实施例的结构示意图二；

图3是本发明实施例1制得的主动式抗盐太阳能蒸发器在8倍标准太阳强度、15％nacl溶液工况下48小时不间断连续蒸发后的实物照片；

图4是是本发明实施例1制得的主动式抗盐太阳能蒸发器在4倍标准太阳强度、15％nacl溶液工况下的48小时不间断连续蒸发曲线图；

其中，10是上层纤维布、11是上层纤维布第一侧、12是蒸发结构、13是上层纤维布第二侧、14是第一边、15是第二边、16是侧边、20是下层纤维布、21是下层纤维布第一侧、22是下层纤维布第二侧、30是隔热浮子。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明作进一步地解释说明，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本发明提供了一种主动式抗盐太阳能蒸发器，参见图1和图2，具体包括隔热浮子30以及支撑于隔热浮子30的上层纤维布10和下层纤维布20，上层纤维布10和下层纤维布20沿上下方向层状紧密堆叠设置，上层纤维布10和下层纤维布20均为条带状的亲水多孔纤维布；上层纤维布10的靠近中间的面上设置有蒸发结构12，蒸发结构12包括负载于上层纤维布10的光热材料，蒸发结构12作为光热转换和蒸气逸出位点，蒸发结构12两侧的上层纤维布10用于分别没入水体中作为水盐传输通道；下层纤维布20的形状与上层纤维布10的一侧以及蒸发结构12的形状相适配，且下层纤维布20的一侧用于没入水体中作为水盐传输通道，主动式抗盐太阳能蒸发器形成具有从上层纤维布10的一侧经蒸发结构12至上层纤维布10的另一侧，以及从下层纤维布20经蒸发结构12至上层纤维布10的单向微液流驱动力。

具体地，蒸发结构12的两侧分别为上层纤维布第一侧11和上层纤维布第二侧13，上层纤维布第一侧11和上层纤维布第二侧13用于分别没入水体中作为水盐传输通道；下层纤维布20具有下层纤维布第一侧21和下层纤维布第二侧22，且下层纤维布第一侧21与上层纤维布第一侧11的形状相同，下层纤维布第二侧22与蒸发结构12的形状相同，下层纤维布第一侧21用于没入水体中作为单向水盐传输通道；主动式抗盐太阳能蒸发器形成具有从上层纤维布第一侧11、蒸发结构12到上层纤维布第二侧13，以及从下层纤维布第一侧21、下层纤维布第二侧22、蒸发结构12到上层纤维布第二侧13的单向微液流驱动力。

更加具体地，蒸发结构12具有第一边14和第二边15，第一边14与上层纤维布第二侧13连接，第二边15与上层纤维布第一侧11连接，且第一边14与第二边15的长度比为(1:2)～(1:7)。

本实施例的蒸发结构12的形状从第二边15至第一边14的方向依次递减，且第一边14与第二边15的长度比连续可调，蒸发结构12的连接第二边15和第一边14之间的侧边16呈线段或曲线。

优选地，隔热浮子30包括聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫、聚丙烯泡沫、聚氯乙烯泡沫或酚醛树脂泡沫。

优选地，亲水多孔纤维布包括椰壳布、无纺布、棉布、麻布、化纤布或毛毡布。

优选地，光热材料包括碳基材料、半导体材料或具有等离子体基元吸收的金属纳米颗粒。碳基材料包括炭黑、乙炔黑、石墨烯、碳纳米管、碳化钛或聚吡咯；半导体材料包括硫化铜、黑氧化钛、铜铟镓硒或铜锌锡硫；金属纳米颗粒包括铝、金、银、铂或钯。或者，光热材料还可以为直接将纤维布进行碳化得到，碳化温度为250～400摄氏度，碳化时间为2～5分钟。

本发明的主动式抗盐太阳能蒸发器的微观结构为多孔的微纳米纤维结构，具有从蒸发结构12的形状长边向短边，即第二边15向第一边14再向下方水体的单向微液流驱动力，结合结构形状的优化设计以及上、下层纤维布的单向汲水两方面共同作用，即可获得具有从11-12-13和21-22-12-13的单向微液流驱动力的主动式抗盐太阳能蒸发器，具有单向液流驱动力，可以主动地将盐分从蒸发器中带回下方水体，实现在高光强、高盐浓度条件下避免盐分结晶析出，在太阳能海水淡化应用中能够长期维持高效、稳定、不间断的蒸气产生功能，且成本低廉、无毒环保、具备工业化量产的潜力。

本发明还提供了一种主动式抗盐太阳能蒸发器作为太阳能海水淡化的应用，将上层纤维布10的两侧，以及下层纤维布20的一侧分别向下没入水体中作为水盐传输通道，通过单向微液流驱动力主动地将盐分从蒸发器中带回下方水体中，通过调节第一边14和第二边15的长度比，可实现不同光强、盐浓度工况下的最优蒸发和抗盐性能，并实现在高于8倍标准太阳强度、高于15％盐浓度条件下避免盐分结晶析出，长期维持高效、稳定、不间断的蒸气产生功能，且经过蒸发后的水质中盐浓度下降到原始的0.5％以下，达到直饮水标准。

下面结合具体的实施例对本发明进行详细说明。

本发明根据流体力学中连续性方程的基本原理，主动在蒸发器中的制造单向微液流驱动力并对其进行有效调控，仅以商业化廉价的泡沫和纤维布为原材料，得到主动式抗盐太阳能蒸发器。

以下实施例的光催化测试方法为：采用300w氙灯(pls-sxe300uv，北京泊菲莱科技有限公司)结合am1.5g滤光片作为模拟太阳光源，调节不同光照强度以测试在不同光强下的蒸气产生性能。将蒸发器漂浮于水面上，采用精密天平测试水蒸气的蒸发量以计算蒸发速率和太阳能效率。配置不同浓度的nacl溶液来模拟海水以测试蒸发器的抗盐性能。

实施例1：

采用聚氨酯泡沫作为隔热浮子30，椰壳布作为亲水多孔纤维布，将椰壳布一面在400摄氏度热板上碳化5分钟作为光热材料形成蒸发结构12；设置蒸发结构12形状的第一边14和第二边15的长度比为1:3，两条侧边16为直线段，上层纤维布第一侧11和上层纤维布第二侧13没入下方水体中作为水盐传输通道；下层纤维布第一侧21和下层纤维布第二侧22与上层纤维布第一侧11和蒸发结构12保持相同形状，下层纤维布第一侧21没入下方水体中作为单向水盐传输通道；将上下两层紧密堆叠后，即可获得具有单向微液流驱动力的主动式抗盐太阳能蒸发器。

蒸发结构12根据连续性方程的设计原理，即从第二边15到第一边14方向的截面连续递减，以增强该方向的微液流驱动力和流速；图3是实施例1制得的主动式抗盐太阳能蒸发器在8倍标准太阳强度、15％nacl溶液工况下48小时不间断连续蒸发后的实物照片，该产品因具有单向微液流驱动力，可在高光强、高盐浓度条件下避免盐分结晶析出；对实施例1的产品进行模拟海水淡化测试，结果参见图4，在4倍标准太阳强度、15％nacl溶液工况下，相比于未优化的蒸发结构12(第二边15和第一边14的长度比为1:1)因析盐而导致蒸发量指数衰减，经优化后的主动式抗盐太阳能蒸发器在48小时不间断连续蒸发过程中能够维持高效、稳定的蒸气产生功能。

实施例2：

采用聚苯乙烯泡沫作为隔热浮子30，无纺布作为亲水多孔纤维布，在无纺布一面均匀负载炭黑作为光热材料形成蒸发结构12；设置蒸发结构12形状的第一边14和第二边15的长度比为1:4，两条侧边16为外圆弧线段，上层纤维布第一侧11和上层纤维布第二侧13没入下方水体中作为水盐传输通道；下层纤维布第一侧21和下层纤维布第二侧22与上层纤维布第一侧11和蒸发结构12保持相同形状，下层纤维布第一侧21没入下方水体中作为单向水盐传输通道；将上下两层紧密堆叠后，即可获得具有单向微液流驱动力的主动式抗盐太阳能蒸发器。

实施例3：

采用聚乙烯泡沫作为隔热浮子30，棉布作为亲水多孔纤维布，在棉布一面均匀负载硫化铜作为光热材料形成蒸发结构12；设置蒸发结构12形状的第一边14和第二边15的的长度比为1:5，两条侧边16为内圆弧线段，上层纤维布第一侧11和上层纤维布第二侧13没入下方水体中作为水盐传输通道；下层纤维布第一侧21和下层纤维布第二侧22与上层纤维布第一侧11和蒸发结构12保持相同形状，下层纤维布第一侧21没入下方水体中作为单向水盐传输通道；将上下两层紧密堆叠后，即可获得具有单向微液流驱动力的主动式抗盐太阳能蒸发器。

实施例4：

采用聚氯乙烯泡沫作为隔热浮子30，毛毡布作为亲水多孔纤维布，将毛毡布一面在350摄氏度热板上碳化8分钟作为光热材料形成蒸发结构12；设置蒸发结构12形状的第一边14和第二边15的长度比为1:7，两条侧边16为波浪型线段，毛毡布两侧11和13没入下方水体中作为水盐传输通道；上层纤维布第一侧11和上层纤维布第二侧13没入下方水体中作为水盐传输通道；下层纤维布第一侧21和下层纤维布第二侧22与上层纤维布第一侧11和蒸发结构12保持相同形状，下层纤维布第一侧21没入下方水体中作为单向水盐传输通道；将上下两层紧密堆叠后，即可获得具有单向微液流驱动力的主动式抗盐太阳能蒸发器。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。