CN109292870A - 一种双功能界面蒸馏组件及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双功能界面蒸馏组件及其应用，界面蒸馏组件包括：能浮于水面的隔热材料块，设置在隔热材料块上的吸水材料，以及附着在吸水材料上的双功能材料；所述双功能材料为黑色TiOx或黑色MoS2。该界面蒸馏组件不仅可以实现海水淡化，还可以去除海水中的有机污染物。

Description

一种双功能界面蒸馏组件及其应用
技术领域
本发明涉及太阳能海水淡化领域，具体涉及一种双功能界面蒸馏组件及其应用。
背景技术
目前水资源日趋紧缺，海水淡化技术经过多年的发展，其技术已经较为成熟，被认为是解决全球水资源短缺的最有效方法之一。
目前工程上采用的主流工艺是：(1)多级闪蒸法：是指将经过加热的海水，依次在多个压力逐渐降低的闪蒸室中进行蒸发，将蒸汽冷凝得到淡水。(2)低温多效蒸馏法：将一系列的水平管喷淋降膜蒸发器串联起来，用蒸汽输入通过多次的蒸发和冷凝，后面一效的蒸发温度均低于前面一效，从而得到多倍于蒸汽量的蒸馏水的淡化过程。(3)反渗透法：主要是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开。(4)冷冻法：冷冻海水使之结冰，在液态淡水变成固态冰的同时盐被分离出去。比较以上各种海水淡化技术，其中反渗透法和冷冻法得到的淡水存在品质较差的问题；而蒸馏法和闪蒸法得到的淡水品质较高，但其能耗较高。
针对上述缺点，近年来兴起了基于气液界面加热的太阳能海水淡化技术。该技术以黑色材料或贵金属材料为吸光材料，通过各种方法将其漂浮在海水表面，利用吸光材料吸收太阳光，将光能转化为热能，并且把热量集中在气液界面出，仅仅加热表面海水，因此有效提高了海水的蒸发速率。目前，该技术得到了国内外的广泛关注。
此外，全球水污染问题日益严重，近海海水污染同样存在问题。如果利用气液界面加热的太阳能海水淡化技术直接加热受污染的海水，海水中的有机污染物尤其是一些挥发性污染物会在加热过程中随水蒸气进入冷凝淡化水中，造成淡化水水质不合格。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种双功能界面蒸馏组件，不仅可以实现海水淡化，还可以去除海水中的有机污染物。
本发明所提供的技术方案为：
一种双功能界面蒸馏组件，包括：能浮于水面的隔热材料块，设置在隔热材料块上的吸水材料，以及附着在吸水材料上的双功能材料；所述双功能材料为黑色TiOx或黑色MoS2。
本发明中将隔热材料块、吸水材料和双功能材料组装成集“光热转换-光催化-吸收-隔热”一体的蒸馏组件。将该组件置于海水中，利用吸水材料把海水输送到与双功能材料接触，利用双功能材料吸收太阳光加热表面海水并且去除海水中的有机污染物，再利用隔热材料块将热量集中在气液界面处，使热量不扩散到底部海水中，最大限度的把光能转化为热能。
本发明中所述隔热材料块为泡沫块或海绵块。隔热材料能够将热量集中在气液界面处，使热量不扩散到底部海水中，最大限度的把光能转化为热能。
本发明中所述吸水材料为无尘纸、酒精灯芯或棉线。吸水材料一方面用于输送海水，另一方面用于附着双功能材料。
本发明中所述吸水材料为无尘纸，所述无尘纸包覆在隔热材料块上。
本发明中吸水材料设置在隔热材料块顶部。
本发明中所述双功能材料通过抽滤、喷涂或者旋涂的方式附着在吸水材料上。
本发明还提供一种如上述的双功能界面蒸馏组件在太阳能海水淡化中的应用。
本发明还提供一种如上述的双功能界面蒸馏组件在太阳能海水淡化同时降解海水中有机物的应用。
同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明的组件中利用吸水材料把海水输送到与双功能材料接触，有效保障海水的充足性，从而大大提高海水的蒸发速率。
(2)本发明的组件中利用双功能材料吸收太阳光加热表面海水进行淡化并且去除海水中的有机污染物。
(3)本发明的组件中利用隔热材料块将热量集中在气液界面处，使热量不扩散到底部海水中，最大限度的把光能转化为热能。
附图说明
图1为实施例中双功能界面蒸馏组件的结构示意图；
图2为实施例中双功能界面蒸馏组件的组装图；
图3为实施例1中“MoS2光热转换-光催化-吸收-隔热”一体化蒸馏组件蒸馏萘普生溶液获得的冷凝淡化水中萘普生的浓度比较图；
图4为实施例1中“MoS2光热转换-光催化-吸收-隔热”一体化蒸馏组件蒸馏东海海水获得的冷凝淡化水中总有机碳(TOC)的浓度比较图；
图5为实施例2中“TiOx光热转换-光催化-吸收-隔热”一体化蒸馏组件蒸馏萘普生溶液获得的冷凝淡化水中萘普生的浓度比较图；
图6为实施例2中“TiOx光热转换-光催化-吸收-隔热”一体化蒸馏组件蒸馏东海海水获得的冷凝淡化水中总有机碳(TOC)的浓度比较图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，双功能界面蒸馏组件包括：能浮于水面的隔热材料块3，设置在隔热材料块3上的吸水材料1，以及附着在吸水材料1上的双功能材料2。
隔热材料块3可以为泡沫块或海绵块，形状可以任意，例如为圆柱体、立方体或者长方体等。
吸水材料1可以为无尘纸、酒精灯芯或棉线，优选为无尘纸，能够整体包覆在隔热材料块3上。
双功能材料2可以为为黑色TiOx或黑色MoS2，通过抽滤、喷涂或者旋涂的方式附着在吸水材料1上。双功能材料2优选仅附着在隔热材料块3的顶部上的吸水材料1。
如图2所示，双功能界面蒸馏组件的组装如下：(1)准备吸水材料1，例如无尘纸；(2)将双功能材料2粉末分散在去离子水中，超声分散，使粉末分散均匀；(3)将该浑浊液通过真空抽滤的方式抽滤到吸水材料1上成膜，然后空气中干燥。(3)选取与膜的直径相同的隔热材料块3，将带有双功能材料2膜的吸水材料1包裹隔热材料块3，即得到“光热转换-光催化-吸收-隔热”一体化的界面蒸馏组件。
下面通过具体的实施例进行说明。
实施例1
将50mg的MoS2粉末分散在50mL的去离子水中，超声分散30min，使粉末分散均匀。将该浑浊液通过真空抽滤的方式抽滤到白色无尘纸上成膜，膜的直径约为4cm，然后空气中干燥。以直径为4cm，厚度为2cm的聚乙烯海绵为隔热材料块，将带有MoS2膜的无尘纸包裹聚乙烯海绵，并且使直径约为4cm的MoS2膜刚好处于海绵的正上面，即得到“MoS2光热转换-光催化-吸收-隔热”一体化的蒸馏组件。
分别以实验室人工模拟污染海水(即萘普生溶液，萘普生的浓度为400mg/L)和东海海水(TOC的浓度为6.6mg/L)为试验对象，考察该一体化组件的冷凝淡化水水质的控制效果，其结果分别如图3和图4所示。
图3中a：未处理的萘普生溶液的浓度；b：5个太阳光强度下，直接蒸馏萘普生溶液得到冷凝淡化水中萘普生的浓度；c：5个太阳光强度下，一体化组件蒸馏萘普生溶液得到冷凝淡化水中萘普生的浓度；d：1个太阳光强度下，一体化组件蒸馏萘普生溶液得到冷凝淡化水中萘普生的浓度。
从图3可以明显看出，在5个太阳光强度照射下，利用一体化组件收集的冷凝淡化水水中的萘普生的浓度小于1mg/L，远远低于萘普生原液和直接蒸馏萘普生收集的冷凝淡化水水中的萘普生的浓度。说明“MoS2光热转换-光催化-吸收-隔热”一体化的蒸馏组件能够显著控制有机微污染物进入冷凝淡化水中。
图4中a：未处理的东海海水中TOC的浓度；b：5个太阳光强度下，直接蒸馏东海海水得到冷凝淡化水中TOC的浓度；c：5个太阳光强度下，一体化组件蒸馏东海海水得到冷凝淡化水中TOC的浓度。
同样，从图4蒸馏实际东海海水的结果也可看出，有一体化组件存在时，冷凝淡化水中总有机碳(TOC)的浓度要小于直接蒸馏东海海水收集的淡化水中的浓度。
实施例2
将100mg的黑色TiOx粉末分散在50mL的去离子水中，超声分散30min，使粉末分散均匀。将该浑浊液通过真空抽滤的方式抽滤到白色无尘纸上成膜，膜的直径约为4cm，然后空气中干燥。以直径为4cm，厚度为2cm的聚乙烯海绵为隔热材料块，将带有TiOx膜的无尘纸包裹聚乙烯海绵，并且使直径约为4cm的TiOx膜刚好处于海绵的正上面，即得到“TiOx光热转换-光催化-吸收-隔热”一体化的蒸馏组件。
分别以实验室人工模拟污染海水(即硝基苯溶液，硝基苯的浓度为450mg/L)和东海海水(TOC的浓度为6.6mg/L)为试验对象，考察该一体化组件的冷凝淡化水水质的控制效果，其结果分别如图5和图6所示。
图5中a：未处理的硝基苯溶液的浓度；b：5个太阳光强度下，直接蒸馏硝基苯溶液得到冷凝淡化水中硝基苯的浓度；c：5个太阳光强度下，一体化组件蒸馏硝基苯溶液得到冷凝淡化水中硝基苯的浓度。
从图5可以明显看出，在5个太阳光强度照射下，利用一体化组件收集的冷凝淡化水水中的硝基苯的浓度小于105mg/L，远远低于未处理硝基苯溶液(浓度460mg/L)和直接蒸馏萘普生收集的冷凝淡化水水中的萘普生的浓度(318mg/L)。对硝基苯的去除率达到了77.2％，是直接蒸馏的去除率(30.9％)的2.5倍。说明“TiOx光热转换-光催化-吸收-隔热”一体化的蒸馏组件能够显著控制有机微污染物进入冷凝淡化水中。
图6中a：未处理的东海海水中TOC的浓度；b：5个太阳光强度下，直接蒸馏东海海水得到冷凝淡化水中TOC的浓度；c：5个太阳光强度下，一体化组件蒸馏东海海水得到冷凝淡化水中TOC的浓度。
同样，从图6蒸馏实际东海海水的结果也可看出，有一体化组件存在时，冷凝淡化水中总有机碳(TOC)的浓度要小于直接蒸馏东海海水收集的淡化水中的浓度。

Claims (8)

1.一种双功能界面蒸馏组件，其特征在于，包括：能浮于水面的隔热材料块，设置在隔热材料块上的吸水材料，以及附着在吸水材料上的双功能材料；所述双功能材料为黑色TiOx或黑色MoS2。
2.根据权利要求1所述的双功能界面蒸馏组件，其特征在于，所述隔热材料块为泡沫块或海绵块。
3.根据权利要求1所述的双功能界面蒸馏组件，其特征在于，所述吸水材料为无尘纸、酒精灯芯或棉线。
4.根据权利要求1所述的双功能界面蒸馏组件，其特征在于，所述吸水材料为无尘纸，所述无尘纸包覆在隔热材料块上。
5.根据权利要求1所述的双功能界面蒸馏组件，其特征在于，所述吸水材料设置在隔热材料块顶部。
6.根据权利要求1所述的双功能界面蒸馏组件，其特征在于，所述双功能材料通过抽滤、喷涂或者旋涂的方式附着在吸水材料上。
7.一种如权利要求1～6任一所述的双功能界面蒸馏组件在太阳能海水淡化中的应用。
8.一种如权利要求1～6任一所述的双功能界面蒸馏组件在太阳能海水淡化同时降解海水中有机物的应用。
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