CN111924918B

CN111924918B - 一种双面光热转换材料及由其构筑的太阳能海水蒸发装置

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Publication number: CN111924918B
Application number: CN202010608033.XA
Authority: CN
Inventors: 孟茹茹; 陈志钢; 邹黎明; 钟秋萍; 刘子潇; 朱波
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2020-06-29
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2021-10-26
Anticipated expiration: 2040-06-29
Also published as: CN111924918A

Abstract

本发明涉及一种双面光热转换材料及由其构筑的太阳能海水蒸发装置，双面光热转换材料具有复合层(两层以上)结构，上下层为亲水性光热转换材料；装置由双面光热转换材料(具有三层复合结构，下层完全浸入海水中，上层位于水面以上)、水槽(盛有海水)、水位调节机构(可调节水面高度)和翻转机构(可间歇式带动双面材料上下翻转)组成；或者，装置由传送带(为具有双层复合结构的亲水性光热转换材料，分布分三部分即水面以下、水面以上和水槽外)、水槽、水位调节机构、支撑机构(可支撑传送带)和驱动机构(可连续式驱动传送带工作)组成。本发明有效解决了现有技术中存在的热层表面析出的盐颗粒去除不及时、耗时较长、成本较高等问题。

Description

一种双面光热转换材料及由其构筑的太阳能海水蒸发装置

技术领域

本发明属于海水淡化技术领域，涉及一种双面光热转换材料及由其构筑的太阳能海水蒸发装置，具体涉及一种至少包含上下两层且上下两层都为亲水性光热转换材料的双面光热转换材料，以及一种用于间断或者连续实现抗析盐的太阳能海水蒸发装置。

背景技术

世界上数十亿人正在遭受淡水短缺，而海水覆盖了地球70％的面积，开发一种环保的海水淡化技术，对于满足日益增长的淡水需求至关重要。为了淡化海水开发了许多技术，包括反渗透法、海水蒸馏法、电渗析法、多效蒸发法、海水冷冻法等技术。

在上述传统海水淡化技术中，反渗透膜法和蒸馏法是海水淡化市场中的主流，其采用海水淡化技术达到与自来水供应相同的效果降低了成本。反渗透膜的作用在于承受水流压力并将纯水经由一侧排出，将盐分与其他杂质隔绝在膜的另一侧，因此长时间工作淡化效率会受到盐分堵塞的影响。中国专利CN110950403A公开了一种基于水体流动防堵的石墨烯海水盐分去除装置，通过自检测机构与湍动机构的连接设置，使得该装置能够达到对石墨烯渗透膜堵塞程度实时检测的效果，进而能够在堵塞量达到影响石墨烯渗透膜淡化海水效率的程度时，及时开启湍动机构并配合振动机构对堵塞的盐分和杂质进行清理，从而充分保障了海水淡化效率以及该装置的使用便捷性。中国专利CN110743375A公开了一种抑制反渗透结垢及污堵的除盐水装置，通过电场效应减缓膜表面离子结晶及沉积，延长了制水周期及产水量，提高了回收率，降低了清洗频率。

传统海水淡化方法大多需要直接或间接消耗大量化石能源，成本高且污染严重。太阳能蒸发海水淡化是一种利用可持续能源作为唯一能源进行大规模海水净化的有效途径。在利用太阳光直接照射海水制盐的传统方法中，太阳光将对一定厚度下的所有海水进行均匀加热，海水升温速度较慢，效果较差。后来，人们采用光热纳米材料与基体材料相复合，组合成光热材料，平铺在海水表面，此方法能够将太阳光高效的转换成热量，集中在海水表面的热量能够有效地提高光热转换层的表面温度，一定程度上增加了海水蒸发速度，提高了效率。但是，这种方法会使海水中的盐分在发热层的表面析出，覆盖受光面并堵塞其空隙，造成光热转换层失效。2009年，一种基于碳纳米管的染料棉织物被合成用于光热海水淡化(Koua H,Liu Z X,et al.Recyclable CNT-coupled cotton fabrics for low-costand e cient desalination of seawater under sunlight[J]Desalination,2009,462,29-38.)，其通过手洗织物过程去除盐颗粒，操作简便易于回收，但因其是单面蒸发装置，在清洗时需要花费时间拆下光热布会影响蒸发效率。

因此，有必要开发一种海水蒸发装置，能够及时去除发热层表面析出的盐颗粒，同时不须花费时间反复拆装光热转换材料，节省体力和时间，提高水蒸发速率，且亲水性光热转换材料可重复使用，成本较低。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种双面光热转换材料及由其构筑的太阳能海水蒸发装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

双面光热转换材料，具有复合层结构，至少包含上下两层，上下两层都为亲水性光热转换材料，亲水性光热转换材料由亲水性材料基底和光热转换材料组合而成。

作为优选的技术方案：

如上所述的双面光热转换材料，亲水性材料基底为天然纤维、再生纤维素纤维和化学纤维中的一种或者多种制成的针织织物、机织织物或非织物；光热转换材料为金属纳米颗粒、碳纳米材料、无机纳米材料、有机光热材料和半导体光热纳米材料中的一种或者多种；亲水性光热转换材料中光热转换材料的含量为0.01～20wt％；亲水性材料基底和光热转换材料组合采用化学交联法或3D/4D打印技术。

如上所述的双面光热转换材料，天然纤维为棉、麻、丝、毛或纸浆纤维；再生纤维素纤维为Lyocell纤维、Modal纤维、竹纤维、甲壳素纤维或铜氨纤维；化学纤维为涤纶、氨纶、腈纶、锦纶、维纶或丙纶；非织物为无纺布；金属纳米颗粒为金纳米颗粒、钯纳米颗粒或铝纳米颗粒；碳纳米材料为碳黑、碳粉、多孔碳、碳纳米管、石墨烯或富勒烯；无机纳米材料为钨酸铯纳米棒；有机光热材料为聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚多巴胺、吲哚菁绿或普鲁士蓝；半导体光热纳米材料为硫化铜、硒化铜、硫化铋、硒化铋、硫化钨、氧化钨、二氧化钛、三氧化钛、硫化铁或硫化钼。

如上所述的双面光热转换材料，双面光热转换材料具有三层复合结构(将此种双面光热转换材料命名为双面光热转换材料A)，中间层为穿插有输水材料的支撑材料。

如上所述的双面光热转换材料，输水材料为棉布、水凝胶、纤维、织物或气凝胶；支撑材料为膜、木材、纸张、气凝胶、水凝胶、海绵或泡沫；双面光热转换材料上层的厚度为0.1～20mm，中间层的厚度为1～100mm，下层的厚度为0.1～20mm；双面光热转换材料上层或下层与中间层复合采用亲水性胶水粘合、捆绑、卯榫连接、钉子固定或缝合方式。

如上所述的双面光热转换材料，双面光热转换材料具有两层复合结构(将此种双面光热转换材料命名为双面光热转换材料B)；上层的厚度为0.1～20mm，下层的厚度为0.1～20mm。

本发明还提供了一种采用如上所述的双面光热转换材料的太阳能海水蒸发装置，由双面光热转换材料A、水槽、水位调节机构和翻转机构组成；水槽中盛有海水；双面光热转换材料A的下层完全浸入海水中，上层位于水面以上；水位调节机构用于维持水面的高度不变；翻转机构用于间歇式带动双面光热转换材料A上下翻转180°，翻转动力可是人力、机械力或电力。

该装置中，亲水性光热转换材料组装在支撑材料的上下表面，输水材料穿插在支撑材料的内部，形成漂浮式“夹心”型结构双面光热转换材料，将下层亲水性光热转换材料完全浸入盛有海水的水槽中，上层亲水性光热转换材料位于水面以上吸收太阳光，并将其转换成热能进行海水蒸发，在蒸发过程中，亲水性光热转换材料吸收太阳能使水变成水蒸气，盐则留在海水中，达到海水脱盐的效果，然而，海水中的盐分因水分蒸发而聚集在亲水性光热转换材料的光吸收层，水蒸发速率不仅会逐渐变慢，而且破坏了亲水性光热转换材料表面，因此，利用简单“翻转”可使积聚在亲水性光热转换材料上的盐颗粒重新溶解在海水中，实现了抗析盐的效果。

作为优选的技术方案：

如上所述的太阳能海水蒸发装置，水位调节机构由设置在水槽两侧壁的通水口开关组成，通过水槽两侧壁留有的通水口开关调节进水量维持水面高度。

本发明还提供了另一种采用如上所述的双面光热转换材料的太阳能海水蒸发装置，由传送带、水槽、水位调节机构、支撑机构和驱动机构组成；传送带由双面光热转换材料B制得；水槽中盛有海水；传送带一部分完全浸入海水中，和海水充分接触，不但为光吸收层提供充足水分，又使积聚在亲水性光热转换材料上的盐颗粒重新溶解在海水中，实现了抗析盐的效果，一部分位于水面以上，用于吸收太阳光，光能转换成热能使水变成水蒸气，盐则留在海水中，达到海水脱盐的效果，还有一部分位于水槽外，三部分相互配合形成闭合的慢速转动机构；水位调节机构用于维持水面的高度不变；支撑机构用于支撑传送带；驱动机构用于连续式驱动传送带工作，可以根据实际水蒸发速率和溶解盐颗粒的情况控制其转速。

该装置中，双面光热转换材料制成了传送带，一部分传送带位于水面以上用于吸收太阳光，光能转换成热能使水变成水蒸气，盐则留在海水中，达到海水脱盐的效果，一部分传送带完全浸入海水中，不但为光吸收层提供充足水分，又使积聚在亲水性光热转换材料上的盐颗粒重新溶解在海水中，实现了抗析盐的效果，传送带整体形成了闭合的慢速转动机构，不仅恢复了水蒸发的速率，不会因盐分堆积而损害材料，延长了光热转换材料的使用寿命，光热转换效率高，稳定性好，寿命长，海水进行淡化得到的水达到饮用水的水质指标，且该装置不需输水材料就能为亲水性光热转换材料的光吸收层提供充足的水源，不需支撑材料就可漂浮在水平面上进行光热转换反应，同时解决了结盐问题，结构简单，造价低廉，操作便捷，节约了成本。

作为优选的技术方案：

如上所述的太阳能海水蒸发装置，水位调节机构由设置在水槽两侧壁的通水口开关组成，通过水槽两侧壁留有的通水口开关调节进水量维持水面高度；支撑机构由皮滑轮a～h组成；沿水平方向，皮滑轮a～h顺序排列；沿竖直方向，皮滑轮a和h位于最下方，皮滑轮c和f位于次下方，皮滑轮d和e位于次上方且安装高度高于皮滑轮c和f，皮滑轮b和g位于最上方；皮滑轮c和f完全浸入海水中，皮滑轮d和e部分浸入海水中，其它皮滑轮位于水槽外部；驱动机构由皮带和顺序连接的无齿变速箱、涡轮和电动机组成，皮带连接无齿变速箱和皮滑轮h，同时连接涡轮和电动机，无齿变速箱与涡轮是一体的。

太阳能驱动界面蒸发的前提是制备具有优良可吸收太阳光的光热转换材料，在早期研究中，是将光热转换纳米颗粒(如金和四氧化三铁纳米颗粒)直接分散在海水中进行光热转换水蒸发，但该***热量向本体海水中散失严重，蒸发效率较低，为了使太阳光集中在界面上，制备出界面蒸发装置。该装置漂浮在海面上，不仅可得到充足水分，并且可使大量热量集中在界面处，提高了蒸发效率。大量的光热转换材料在可见区有很好的吸收度，但在近红外区吸收性能较差，导致一大部分的太阳光被浪费掉。在本发明中可选用钨酸铯作为光热转换材料，其具有90.5％的太阳能吸收效率和优异的光热转换能力，可充分利用太阳光。与其它单面海水蒸发装置相比，本发明构筑的太阳能海水蒸发装置可以交替进行水蒸发，可延长蒸发时间，当其中的双面光热转换材料为三层复合结构时，中间层的支撑材料是很好的热绝缘层，能够很好的阻止热量向水体的扩散，同时，在支撑材料中嵌入的供水材料可通过毛细作用力将水输送到光吸收层，提供了充足的水源。总之，本发明可以在海水表面自由漂浮和反复翻转，并且具有盐的自溶解能力，实现太阳光的连续蒸发，具有良好的抗析盐效果，提高了蒸发效率，节约了成本。

有益效果：

(1)相比单面浮动模型用于海水蒸发，本发明装置不仅能够完成海水向蒸发光热转换材料层表面运输的工作，提高太阳能蒸发效率，并且通过翻转-重新溶解的简单操作，将析出在亲水性光热转换材料层的盐颗粒去除，可重复利用，节约成本，可大规模生产；

(2)光热转换材料不仅亲水性好并且具有粗糙的表面和较高的孔隙率，同时具有宽带吸收的优点，具有较强的光吸收性能；

(3)支撑材料中穿插的输水材料吸收海水并将其运输到上方亲水性光热转换材料的光吸收层，与此同时，支撑材料也可作为热量绝缘层，使大量热聚集在亲水性光热转换材料的光吸收层，热量利用较充分，提高了蒸发效率；

(4)可通过调节传送带的转动速率控制得到最佳的光蒸发和溶解盐的效果；

(5)该装置不须花费时间反复拆装光热转换材料，只需简单翻转再溶解即可，节省体力和时间，提高了水蒸发速率。

(6)翻转之后，之前覆盖在光热层的大部分盐颗粒在5min内就可以溶解，即溶解速率快，耗时较短。

附图说明

图1为一种太阳能海水蒸发装置的结构示意图；

图2为另一种太阳能海水蒸发装置的结构示意图；

图3为一种太阳能海水蒸发装置的工作机理图；

图4为钨酸铯纳米棒的透射电镜图(a,b,c)和X射线衍射图(d)；

图5中(a)为空白棉布的实物照片，(d)为棉布-钨酸铯光热布的实物照片，(b)和(c)为空白棉布的扫描电子显微镜图像，(e)和(f)为棉布-钨酸铯光热布的扫描电子显微镜图像，(f)中***图像为光热布表面的高倍扫描电子显微镜图像；

图6中(a)为水滴接触棉布-钨酸铯光热布0s、1.6s、5.4s和10.2s时的形态图，(b)棉布和棉布-钨酸铯的紫外-可见-近红外吸收光谱；

图7中(a)为3.5wt％氯化钠溶液和棉布-钨酸铯光热布在不同测试条件下的室内水蒸发重量损失，(b)为3.5wt％氯化钠溶液和棉布-钨酸铯光热布在不同测试条件下的室内蒸发速率与蒸发效率；

图8中(a)为海水淡化前后四种模拟海水中Na⁺浓度变化，(b)为在脱盐前后测量的天然海水样品中四种主要离子(Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺)的浓度变化；

图9为翻转间隔为4小时(a)和0.5小时(b)时双面对称蒸发器的蒸发速率；

图10中(a)为不同时间的太阳能量强度和对应的环境温度，(b)为不同时间时有双面对称蒸发器和无双面对称蒸发器的自然海水的蒸发速率，(c)为实验过程中的重量变化；

其中，1-亲水性光热转换材料，2-输水材料，3-支撑材料，4-水槽，5-太阳光，6-皮滑轮a，7-通水口开关，8-水槽支架，9-水面，10-皮带，11-皮滑轮h，12-无齿变速箱，13-涡轮，14-电动机。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

一种双面光热转换材料，如图1所示，具有复合层结构，至少包含上下两层，上下两层都为亲水性光热转换材料1，亲水性光热转换材料1由亲水性材料基底和光热转换材料组合而成；亲水性材料基底为天然纤维、再生纤维素纤维和化学纤维中的一种或者多种制成的针织织物、机织织物或非织物；光热转换材料为金属纳米颗粒、碳纳米材料、无机纳米材料、有机光热材料和半导体光热纳米材料中的一种或者多种；亲水性光热转换材料1中光热转换材料的含量为0.01～20wt％；亲水性材料基底和光热转换材料组合采用化学交联法或3D/4D打印技术；天然纤维为棉、麻、丝、毛或纸浆纤维；再生纤维素纤维为Lyocell纤维、Modal纤维、竹纤维、甲壳素纤维或铜氨纤维；化学纤维为涤纶、氨纶、腈纶、锦纶、维纶或丙纶；非织物为无纺布；金属纳米颗粒为金纳米颗粒、钯纳米颗粒或铝纳米颗粒；碳纳米材料为碳黑、碳粉、多孔碳、碳纳米管、石墨烯或富勒烯；无机纳米材料为钨酸铯纳米棒；有机光热材料为聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚多巴胺、吲哚菁绿或普鲁士蓝；半导体光热纳米材料为硫化铜、硒化铜、硫化铋、硒化铋、硫化钨、氧化钨、二氧化钛、三氧化钛、硫化铁或硫化钼。

具体地，双面光热转换材料具有三层复合结构(将此种双面光热转换材料命名为双面光热转换材料A)，中间层为穿插有输水材料2的支撑材料3；输水材料2为棉布、水凝胶、纤维、织物或气凝胶；支撑材料3为膜、木材、纸张、气凝胶、水凝胶、海绵或泡沫；双面光热转换材料上层的厚度为0.1～20mm，中间层的厚度为1～100mm，下层的厚度为0.1～20mm；双面光热转换材料上层或下层与中间层复合采用亲水性胶水粘合、捆绑、卯榫连接、钉子固定或缝合方式；

或者，双面光热转换材料具有两层复合结构(将此种双面光热转换材料命名为双面光热转换材料B)；上层的厚度为0.1～20mm，下层的厚度为0.1～20mm。

一种太阳能海水蒸发装置，如图1所示，由双面光热转换材料A、水槽4、水位调节机构和翻转机构组成；水槽4中盛有海水；双面光热转换材料A的下层完全浸入海水中，上层位于水面9以上，太阳光5照射上层；水位调节机构用于维持水面9的高度不变，由设置在水槽4两侧壁的通水口开关7组成；翻转机构用于间歇式带动双面光热转换材料A上下翻转180°。该太阳能海水蒸发装置的工作机理如图3所示，当双面光热转换材料漂浮在海水上并受太阳光照射时，上层的亲水性光热转换材料能吸收太阳能转换为热能，当固体盐颗粒在上表面结晶时，可将双面光热转换材料翻转倒置，此时原上表面变为现下表面，与海水接触，固体盐颗粒重新溶解在海水中，原下表面变为现上表面，吸收太阳能转换为热能，经过一段时间的蒸发，再将双面光热转换材料翻转倒置，进行另一个循环。

另一种太阳能海水蒸发装置，如图2所示，由传送带、水槽4、水位调节机构、支撑机构和驱动机构组成；传送带由双面光热转换材料B制得；水槽4中盛有海水，由水槽支架8支撑；传送带一部分完全浸入海水中，一部分位于水面9以上，被太阳光5照射，还有一部分位于水槽4外；水位调节机构用于维持水面9的高度不变，由设置在水槽4两侧壁的通水口开关7组成；支撑机构用于支撑传送带；支撑机构由皮滑轮a～h组成；沿水平方向，皮滑轮a～h顺序排列；沿竖直方向，皮滑轮a6和皮滑轮h 11位于最下方，皮滑轮c和f位于次下方，皮滑轮d和e位于次上方且安装高度高于皮滑轮c和f，皮滑轮b和g位于最上方；皮滑轮c和f完全浸入海水中，皮滑轮d和e部分浸入海水中，其它皮滑轮位于水槽4外部；驱动机构用于连续式驱动传送带工作；驱动机构由皮带10和顺序连接的无齿变速箱12、涡轮13和电动机14组成，皮带10连接无齿变速箱12和皮滑轮h11，同时连接涡轮13和电动机14，无齿变速箱12与涡轮13是一体的。

现结合具体案例对双面光热转换材料和太阳能海水蒸发装置进行说明，双面光热转换材料中的亲水性材料基底为棉布，光热转换材料为钨酸铯纳米棒(其透射电镜图和X射线衍射图如图4所示)，采用透射电镜对钨酸铯纳米棒进行形貌分析，如图4a～b所示，钨酸铯纳米棒的长度为20～60nm，宽度为10～20nm，高分辨率透射电镜图像显示，钨酸铯纳米棒结晶良好，晶格条纹清晰(见图4b)，在与纳米棒平行和垂直的方向上，测得的面间距分别为0.185nm和0.38nm，分别对应于六边形钨酸铯的(220)晶面和(002)晶面(见图4c插图)。为了详细研究晶体结构，用x射线衍射对钨酸铯纳米棒进行了测试，钨酸铯纳米棒在23.5°、27.8°、33.9°、36.7°、49.2°和56.9°处出现较强的衍射峰，在13.8°、44.3°、62.7°、71.2°和78.6°处出现较弱的衍射峰(见图4d)。

钨酸铯纳米棒可以分散在含有羟乙基纤维素和明胶的水溶液中，作为染料对棉织物进行染色。染色前，纯棉织物呈白色(见图5a)。扫描电镜观察发现，该织物是由扭转的纤维束编织而成，该纤维束宽度在250微米左右(见图5b)。纤维束由约12根棉纤维组成，表面非常光滑、干净(见图5c)。随后用钨酸铯油墨对棉织物进行染色。棉布-钨酸铯面料呈现深蓝色(见图5d)。扫描电镜图像显示，棉布-钨酸铯仍然是编织结构，虽然覆盖了单根棉纤维之间的空隙，但纤维束之间的气孔仍然存在(见图5e)。与此同时，棉布-钨酸铯纤维的平均直径约22微米，表面变得非常粗糙(见图5f)。高倍放大的扫描电镜显示，单纤维表面存在纳米层，表明由于交联效应，钨酸铯纳米棒成为了有效涂层。以上形貌证实了钨酸铯纳米棒已成功地修饰在棉织物上，修饰后束间的孔隙有利于水蒸气的扩散。

本发明进一步分析了棉布-钨酸铯面料的亲水性和光吸收性能。在棉布-钨酸铯表面传递一个2微升的水滴，在1.6s时接触角为84.6°，在5.4s时迅速下降到47.3°，最后，水滴在10.2s内消失，说明水滴已经被棉布完全吸收(见图6a)。结果表明，棉织物具有较高的亲水性，这可能与聚合物的亲水性和棉织物的毛细作用有关。在光学性能方面，对纯棉和棉布-钨酸铯进行了紫外-可见-近红外光谱分析(见图6b)。在350nm到1500nm之间，纯棉布的吸光度较低(10％)，在标准太阳光谱中(AM 1.5G)，其吸光度在280～2500nm之间为9.4％。在纯棉布上涂覆钨酸铯纳米棒后，棉布-钨酸铯的太阳吸收性能从200nm提高到2500nm，显著提高了80.4％～95.6％，太阳吸收效率提高到90.5％。

通常，水温越高，蒸发速度越快。为了研究蒸发行为，在不同光照条件下，对有和没有双面对称蒸发器(本发明所指的所有双面对称蒸发器相同，都具有三层复合结构，上层和下层为棉布-钨酸铯，中间层为穿插有输水材料的支撑材料，输水材料为棉布，支撑材料为泡沫，上层的厚度为10mm，中间层的厚度为50mm，下层的厚度为10mm)的氯化钠溶液的蒸发水质量进行了测试(见图7a)。对于氯化钠溶液，水蒸发非常缓慢，在1个太阳下，60分钟内蒸发质量很低，为0.56kg m^-2。重要的是，当双面对称蒸发器漂浮在氯化钠溶液上时，60分钟内蒸发质量提高到1.56kg m^-2，比无双面对称蒸发器时提高2.79倍。当太阳强度进一步增加到2倍光强和3倍光强时，蒸发质量在60分钟内分别增加到2.82和3.96kg m^-2，几乎呈线性增强。对于氯化钠溶液，蒸发效率很低，在1个太阳光强度下可以达到20.4％(见图7b)。使用双面对称蒸发器时，1倍光强下蒸发效率显著提高至86.8％。随着太阳光强度进一步增加到2倍和3倍，双面对称蒸发器的蒸发效率略有下降，分别为84.4％和80.5％。这种减少可能是由于较高表面温度下的较高热量损失，如热对流和热辐射。结果表明，双面对称蒸发器在太阳光照射下具有高效的蒸汽生成能力，利用较强的太阳光可以获得较高的蒸发速率。

为进一步验证海水脱盐性能，分别从死海(10wt％NaCl)、红海(4.2wt％NaCl)、世界海洋(3.5wt％NaCl)和波罗的海(0.8wt％NaCl)提取4种真实海水，利用双面对称蒸发器蒸发这些海水，收集淡水样品并采用等离子体原子发射测试以下离子浓度(如图8a所示)。在脱盐前，4种海水中的Na⁺浓度非常高：死海为30242.45mg L^-1，红海为21203.75mg L^-1，世界海洋为15269.1mg L^-1，波罗的海为8562.4mg L^-1(图8a)。但是，海水脱盐后，淡水样品中Na⁺的浓度均低于0.5mg L^-1。此外，从黄海中采集了一个真实的海水样品，并在双面对称蒸发器中蒸发。4种主要金属离子在天然海水(黄海海水)中的浓度较高：Na⁺为9245.02mg L^-1，K⁺为334.73mg L^-1，Ca²⁺为373.47mg L^-1，Mg²⁺为962.17mg L^-1(见图8b)。当生成的水蒸汽冷凝为淡水时，离子浓度分别降低为0.80mg L^-1、0.26mg L^-1、0.25mg L^-1和0.14mg L^-1，具有显著的高效离子抑制性能。这些浓度远远低于世界卫生组织规定的淡水阈值，如Na⁺为200mg L^-1。同时，所提供的淡水样品也优于商用膜基滤液(Na⁺:25～300mg L^-1)。结果表明，双面对称蒸发器能够生产出足够纯净、安全的淡水供人类饮用。

双面对称蒸发器最突出特点是双层太阳光吸收层的设计。当上表面光热层经过长期蒸发后被盐层覆盖时，对称的蒸发器可以翻转，原来干净的底面变成新的上表面，恢复其光吸收和蒸发速率。另一方面，被盐覆盖的上表面变成新的下表面，可反复循环翻转。为了测试翻转操作对蒸发性能的影响，通过双面对称蒸发器蒸发浓度为21wt％的NaCl溶液进行了长期循环试验。试验过程中，每个蒸发周期保持4或0.5h，翻转双面对称蒸发器进行下一个循环。在4小时循环试验中，双面对称蒸发器蒸发速率从第1小时的1.52kg m^-2h^-1逐渐下降到第4小时的0.82kg m^-2h^-1，由于高盐度(21wt％)降低了46.1％。第一个循环后，当双面对称蒸发器倒转时，蒸发率在第5小时恢复到1.51kg m^-2h^-1，然后在接下来的循环中记录了类似的变化(见图9a)。重要的是，当翻转间隔调整到0.5h时，每个周期的蒸发率在很小的范围内波动，从1.53到1.58kg m^-2h^-1(见图9b)。

本发明制作表面尺寸为30cm×25cm的双面对称蒸发器，然后，将双面对称蒸发器漂浮在浓度为3.5wt％的NaCl溶液表面，记录了自然光照下8:00～17:00点的太阳光强度、环境温度和蒸发速率。为了形成对比，实验中也设置了蒸发无双面对称蒸发器的浓度为3.5wt％的NaCl溶液的过程。户外实验中，自然太阳光强度从8:00时的0.31kW m^-2增加到10:00时的0.69kW m^-2，10:00至14:00时在0.72kW m^-2左右波动，17:00时最终下降到0.30kW m^-2(见图10a)。同样，环境温度也从8点的15.8℃上升到14点的最大22.6℃，然后在17点回落到17.5℃(见图10a)。太阳强度和环境温度是影响太阳蒸发的主要因素，由于这两个因素的影响，有双面对称蒸发器的NaCl溶液的蒸发速率从8:30时的0.56kg m^-2h^-1上升到10:30时的1.16kg m^-2h^-1，10:30至13:30时稳定在1.16～1.24kg m^-2h^-1，16:30时逐渐下降到0.74kg m^-2h^-1(见图10b)，这大大高于无双面对称蒸发器的NaCl溶液的蒸发速率(0.22～0.34kg m^- ²h^-1)(见图10b)。在9小时的室外蒸发过程中，有双面对称蒸发器的NaCl溶液的累计蒸发质量达到8.9kg m^-2，是无双面对称蒸发器的NaCl溶液的(3.3kg m^-2)的3.3倍(见图10c)。1m²双面对称蒸发器冷凝后一天可提供约9kg的淡水，足以满足3～4个个体的日常生存需求。此外，该双面对称蒸发器还可以通过将PS泡沫与机械旋转轴并联组合，使蒸发器可以模块化组装，用于大规模、连续地从海水中生产淡水。

Claims

1.采用双面光热转换材料的太阳能海水蒸发装置，其特征是：由双面光热转换材料、水槽、水位调节机构和翻转机构组成；水槽中盛有海水；双面光热转换材料具有三层复合结构，上下两层都为亲水性光热转换材料，中间层为穿插有输水材料的支撑材料，双面光热转换材料的下层完全浸入海水中，上层位于水面以上；水位调节机构用于维持水面的高度不变；翻转机构用于间歇式带动双面光热转换材料上下翻转180°；

水位调节机构由设置在水槽两侧壁的通水口开关组成；

亲水性光热转换材料由亲水性材料基底和光热转换材料组合而成；光热转换材料为金属纳米颗粒、碳纳米材料、钨酸铯纳米棒、有机光热材料和半导体光热纳米材料中的一种或者多种；亲水性材料基底和光热转换材料组合采用化学交联法或3D/4D打印技术；

输水材料为水凝胶、纤维、织物或气凝胶；支撑材料为膜、木材、纸张、气凝胶、水凝胶、海绵或泡沫；双面光热转换材料上层的厚度为0.1~20mm，中间层的厚度为1~100mm，下层的厚度为0.1~20mm；双面光热转换材料上层或下层与中间层复合采用亲水性胶水粘合、捆绑、卯榫连接、钉子固定或缝合方式。

2.根据权利要求1所述的采用双面光热转换材料的太阳能海水蒸发装置，其特征在于，亲水性材料基底为天然纤维、再生纤维素纤维和化学纤维中的一种或者多种制成的针织织物、机织织物或非织物；亲水性光热转换材料中光热转换材料的含量为0.01~20wt%。

3.根据权利要求2所述的采用双面光热转换材料的太阳能海水蒸发装置，其特征在于，天然纤维为棉、麻、丝、毛或纸浆纤维；再生纤维素纤维为Lyocell纤维、Modal纤维、竹纤维、甲壳素纤维或铜氨纤维；化学纤维为涤纶、氨纶、腈纶、锦纶、维纶或丙纶；非织物为无纺布；金属纳米颗粒为金纳米颗粒、钯纳米颗粒或铝纳米颗粒；碳纳米材料为碳黑、碳粉、多孔碳、碳纳米管、石墨烯或富勒烯；有机光热材料为聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚多巴胺、吲哚菁绿或普鲁士蓝；半导体光热纳米材料为硫化铜、硒化铜、硫化铋、硒化铋、硫化钨、氧化钨、二氧化钛、三氧化钛、硫化铁或硫化钼。

4.采用双面光热转换材料的太阳能海水蒸发装置，其特征是：由传送带、水槽、水位调节机构、支撑机构和驱动机构组成；传送带由双面光热转换材料制得；水槽中盛有海水；传送带一部分完全浸入海水中，一部分位于水面以上，还有一部分位于水槽外；水位调节机构用于维持水面的高度不变；支撑机构用于支撑传送带；驱动机构用于连续式驱动传送带工作；

双面光热转换材料具有两层复合结构，上下两层都为亲水性光热转换材料，亲水性光热转换材料由亲水性材料基底和光热转换材料组合而成；光热转换材料为金属纳米颗粒、碳纳米材料、钨酸铯纳米棒、有机光热材料和半导体光热纳米材料中的一种或者多种；亲水性材料基底和光热转换材料组合采用化学交联法或3D/4D打印技术；

上层的厚度为0.1~20mm，下层的厚度为0.1~20mm。

5.根据权利要求4所述的太阳能海水蒸发装置，其特征在于，水位调节机构由设置在水槽两侧壁的通水口开关组成；支撑机构由皮滑轮a~h组成；沿水平方向，皮滑轮a~h顺序排列；沿竖直方向，皮滑轮a和h位于最下方，皮滑轮c和f位于次下方，皮滑轮d和e位于次上方且安装高度高于皮滑轮c和f，皮滑轮b和g位于最上方；皮滑轮c和f完全浸入海水中，皮滑轮d和e部分浸入海水中，其它皮滑轮位于水槽外部；驱动机构由皮带和顺序连接的无齿变速箱、涡轮和电动机组成，皮带连接无齿变速箱和皮滑轮h，同时连接涡轮和电动机，无齿变速箱与涡轮是一体的。

6.根据权利要求5所述的采用双面光热转换材料的太阳能海水蒸发装置，其特征在于，亲水性材料基底为天然纤维、再生纤维素纤维和化学纤维中的一种或者多种制成的针织织物、机织织物或非织物；亲水性光热转换材料中光热转换材料的含量为0.01~20wt%。

7.根据权利要求6所述的采用双面光热转换材料的太阳能海水蒸发装置，其特征在于，天然纤维为棉、麻、丝、毛或纸浆纤维；再生纤维素纤维为Lyocell纤维、Modal纤维、竹纤维、甲壳素纤维或铜氨纤维；化学纤维为涤纶、氨纶、腈纶、锦纶、维纶或丙纶；非织物为无纺布；金属纳米颗粒为金纳米颗粒、钯纳米颗粒或铝纳米颗粒；碳纳米材料为碳黑、碳粉、多孔碳、碳纳米管、石墨烯或富勒烯；有机光热材料为聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚多巴胺、吲哚菁绿或普鲁士蓝；半导体光热纳米材料为硫化铜、硒化铜、硫化铋、硒化铋、硫化钨、氧化钨、二氧化钛、三氧化钛、硫化铁或硫化钼。