CN112794389A - 一种双机制耐盐海水淡化装置及其应用 - Google Patents

一种双机制耐盐海水淡化装置及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双机制耐盐海水淡化装置及其应用，所述装置包括吸收体、基底、吸水层、保温层；所述吸水层上方设置有吸收体和基底，所述基底位于吸收体以外的区域；所述吸水层下方设置有保温层；所述吸水层用于将待处理水吸收并传输到吸收体中；所述装置还包括导盐束，所述导盐束的一端设置在吸收体和吸水层之间，另一端设置在基上。该双机制耐盐海水淡化装置可以利用太阳能进行海水淡化。由于多层交叉束结构水传输快且具有蓄水能力，所以盐和溶质不易在吸收体上表面析出。同时，导盐束通过毛细作用将盐导出沉积在基底上，盐爬行机制将盐进一步导出，最终可以实现固液分离。其具有能够实现长时间稳定运行、无结垢出现、能量转化效率高等优点。

Description

一种双机制耐盐海水淡化装置及其应用
技术领域
本发明涉及太阳能光热转换技术领域，具体涉及一种双机制耐盐海水淡化处理装置及其应用。
背景技术
随着我国经济社会的快速发展和人口增多，水资源缺乏已成为制约经济社会发展的瓶颈之一。据统计，超过三分之一的世界人口面临着饮用水短缺的压力，而且预计到2025年这一数字将增长至三分之二。海水淡化技术通过去除盐分和固体杂质取得淡水成为淡水资源短缺问题的最佳解决途径之一，因此得到了人们持续的关注和研究。海水淡化常用的方法可以归为两大类：热法海水淡化、膜法海水淡化。它们共同的缺点是能耗巨大、成本高，同时有二氧化碳(CO2)温室气体排放。直接利用太阳能进行光热海水淡化，一方面可以解决能耗问题，另一方面由于阳光免费、易得，光热海水淡化的成本将大幅度降低，并且由于装置和操作简单，光热海水淡化的设备对安装地区、尤其是硬件不发达地区包容性高，将具有良好的应用前景。
此外，太阳能界面蒸发过程将体蒸发的低效率提高了30-45％。然而，由于界面蒸发利用了太阳能来加热蒸发表面上的薄水分子层，因此会引起盐沉积问题。随着水的蒸发，随着盐水浓度的增加，盐将逐渐析出并沉积在蒸发表面上。沉淀的盐会阻碍光的吸收，并阻塞供水路径和气体逸出的通道，从而大大降低蒸发速率和效率。此外，液体零排放是水处理的最终目标，即将原水中的固体盐和净水完全分离。但是，高成本和高能耗限制了传统液体零排放工艺的发展。因此，迫切需要探索一种经济高效，易于制造的高性能耐盐的太阳能蒸发器并实现液体零排放的目标。
专利文献CN108018633A记载了一种线圈结构电热蒸发多层填充织物，由电热蒸发层、漂浮隔热层和吸水层组成，电热蒸发层、漂浮隔热层和吸水层通过不同的功能纤维和材料织造成为一个整体。织物可以浮在水面上，通过捆绑纱将水分从吸水层传导到蒸发层，电热蒸发层通电后将电能转化成热量，实现水分的快速蒸发。但该织物是使用电能，会存在能量损耗的问题，且其在实际应用中会产生盐堆积问题。
发明内容
为了解决现有技术所存在的太阳能蒸发器不能高效稳定地处理海水，也不能实现零液体排放的问题,本发明提供了一种双机制耐盐海水淡化处理装置及其应用；其设计的双机制耐盐太阳能蒸发装置在处理盐水直至水分蒸发完全完毕(只留下盐固体或者溶质固体)的过程中，该器件的蒸发速率并没有出现明显的下降；而且表面依旧可以保持洁净，没有污垢沉积在表面。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种双机制耐盐海水淡化装置，包括吸收体1、基底3、吸水层4、保温层5；
所述吸水层4上方设置有吸收体1和基底，所述基底位于吸收体1以外的区域；所述吸水层4下方设置有保温层5；
所述吸水层4用于将待处理水吸收并传输到吸收体1中。
所述吸收体在双机制耐盐海水淡化装置处于工作状态时会被填满水。
优选地，所述装置还包括导盐束2，所述导盐束2的一端设置在吸收体1和吸水层4之间，另一端设置在基底3上。所述导盐束2起到导出盐的作用，可以将盐导出沉积在基底上。
优选地，所述导盐束2由多根纤维集成得到。
优选地，所述导盐束2为1个或多个，各导盐束2分布在吸收体1的周围。
优选地，所述吸收体1由吸收体骨架和修饰材料制备，所述吸收体骨架具有多层交叉束结构，多根纤维聚集成纤维束，纤维束交错多层堆积，形成多层交叉束结构；
所述吸收体骨架采用醋酸纤维素、硝酸纤维素、混合纤维素、棉纤维、麻纤维、木纤维、玻璃纤维、丝或毛中的任一种，所述修饰材料为聚吡咯吸光材料。
优选地，所述修饰材料通过化学氧化法修饰于吸收体骨架上；具体步骤如下：
S1、将吸收体骨架材料浸渍于吡咯单体溶液中；
S2、向步骤S1的吡咯单体溶液中加入FeCl3·6H2O的水溶液，搅拌混合均匀后反应，即得。
优选地，步骤S1中，所述吡咯单体溶液的配制方法为：将吡咯单体溶于水或者水和乙醇的混合溶剂中即得；
所述吡咯单体与混合溶剂的体积比为0.55:100，水和乙醇的体积比为25：75～100:0，更优选为50：50；所述浸渍时间为30min-3h；
步骤S2中，所述吡咯单体溶液与FeCl3·6H2O的水溶液的体积比为1:1，反应时间为2-5h；所述FeCl3·6H2O的水溶液的配制方法为：将FeCl3·6H2O搅拌溶解于二次蒸馏水中，即得；
所述FeCl3·6H2O与二次蒸馏水的质量体积比为5-10g：100ml。
所述吸收体骨架具有多层交叉束结构，多根纤维聚集成纤维束，纤维束交错多层堆积，形成多层交叉束结构。
优选地，所述基底选自铝箔、铜箔、聚乙烯膜、聚四氟乙烯膜的任一种。
优选地，所述吸水层的由醋酸纤维素、硝酸纤维素、混合纤维素、棉纤维、麻纤维、木纤维、丝或毛的任一种材料制备。如吸水层为无尘纸。
优选地，所述保温层为聚苯乙烯聚苯泡沫层、聚氨酯层、硅酸铝防火隔热棉板层或二氧化硅气凝胶毡层中的任一种。
优选地，所述保温层的热导率低于0.04W·m-1·K-1，可以有效的抑制热向水体的扩散。
本发明还提供了一种基于双机制耐盐海水淡化装置在海水淡化处理和污水处理中的应用。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)本发明所设计的双机制耐盐海水淡化器件，可以利用绿色、清洁、廉价、可再生的太阳能，进行海水淡化。在使用时，吸收体吸收入射的太阳光后，将其高效的转化为热能并传递到吸收体中的薄层水中，驱动水分子持续蒸发。形成的蒸汽通过吸收体的孔道向上逸散。吸水层通过毛细作用持续供水。
2)由于多层交叉束结构水传输快且具有蓄水能力，所以盐和溶质不易在吸收体上表面析出。多层交叉束结构有利于光的吸收，而且具有低热导率的底座可以有效抑制被吸收体加热的薄层水向下方块体水的传导热损失，从而确保了高的水蒸发速率。同时，导盐束通过毛细作用将盐导出沉积在基底上，盐爬行机制将盐进一步导出，最终可以实现固液分离。由此本发明的装置在应用时不会导致盐堆积，从而解决了盐堆积问题。
3)本发明可以对海水进行高效处理，处理过程只消耗太阳能，绿色环保。本发明甚至可以实现零液体排放的海水淡化，即可以将海水的水完全取出，实现固液分离。具有能够实现长时间稳定运行、无结垢出现、能量转化效率高等优点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明装置的示意图，其中图1a为主视结构图，图1b为俯视结构图；
图2为本发明装置的吸收体示意图；
图3为本发明装置的吸收体上的吸光结构示意图；
图4为本发明装置的吸收体水传输实验图；
图5为多层交叉束结构吸收体(聚吡咯玻纤毡)和无多层交叉束结构吸收体(聚吡咯玻纤布)随时间变化的蒸发变化曲线和蒸发率变化曲线；
图6为多层交叉束结构吸收体(聚吡咯玻纤毡)和无多层交叉束结构吸收体(聚吡咯玻纤布)在处理盐水(起始浓度为3.5wt％的盐水)不同时间下，样品表面的光学照片图；
图7为本发明装置在处理盐水时的长时间稳定性测试；
图8为本发明装置在处理盐水时，可以实现零液体排放光学照片图；
图9为本发明装置在为本发明器件在封闭***处理人工海水时的水收集测试；
图10为本发明装置在封闭***长时间连续工作，样品表面的光学照片图；
图11为本发明装置的水纯化效果；
其中，1为吸收体；2为导盐束；3为基底；4为吸水层；5为保温层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
以下实施例提供了一种双机制耐盐海水淡化装置，包括吸收体1、基底3、吸水层4、保温层5；
所述吸水层4上方设置有吸收体1和基底，所述基底位于吸收体1以外的区域；所述吸水层4下方设置有保温层5；
所述吸水层4用于将待处理水吸收并传输到吸收体1中。
所述吸收体在双机制耐盐海水淡化装置处于工作状态时会被填满水。
所述装置还包括导盐束2，所述导盐束2的一端设置在吸收体1和吸水层4之间，另一端设置在基底3上。所述导盐束2起到导出盐的作用，可以将盐导出沉积在基底上。
所述导盐束2由多根纤维集成得到。
所述导盐束2为1个或多个，各导盐束2分布在吸收体1的周围。
所述吸收体1由吸收体骨架和修饰材料制备，所述吸收体骨架采用醋酸纤维素、硝酸纤维素、混合纤维素、棉纤维、麻纤维、木纤维、玻璃纤维、丝或毛中的任一种，所述修饰材料为聚吡咯吸光材料。优选吸收体骨架为玻璃纤维毡。
所述修饰材料通过化学氧化法修饰于吸收体骨架上；具体步骤如下：
S1、将吸收体骨架材料浸渍于吡咯单体溶液中；
S2、向步骤S1的吡咯单体溶液中加入FeCl3·6H2O的水溶液，搅拌混合均匀后反应，即得。
步骤S1中，所述吡咯单体溶液的配制方法为：将吡咯单体溶于水或者水和乙醇的混合溶剂中即得；
所述吡咯单体与混合溶剂的体积比为0.55:100，水和乙醇的体积比为25：75～100:0；所述浸渍时间为30min-3h；
步骤S2中，所述吡咯单体溶液与FeCl3·6H2O的水溶液的体积比为1:1，反应时间为2-5h；所述FeCl3·6H2O的水溶液的配制方法为：将FeCl3·6H2O搅拌溶解于二次蒸馏水中，即得；
所述FeCl3·6H2O与二次蒸馏水的质量体积比为5-10g：100ml。
所述吸收体骨架具有多层交叉束结构，多根纤维聚集成纤维束，纤维束交错多层堆积，形成多层交叉束结构。
所述基底选自铝箔、铜箔、聚乙烯膜、聚四氟乙烯膜的任一种。
所述吸水层的由醋酸纤维素、硝酸纤维素、混合纤维素、棉纤维、麻纤维、木纤维、丝或毛的任一种材料制备。如吸水层为无尘纸。
所述保温层为聚苯乙烯聚苯泡沫层、聚氨酯层、硅酸铝防火隔热棉板层或二氧化硅气凝胶毡层中的任一种。
所述保温层的热导率低于0.04W·m-1·K-1，可以有效的抑制热向水体的扩散。
在以上条件下，都能制备得到本发明的双机制耐盐海水淡化装置。
实施例1
我们利用本发明阐述的双机制耐盐海水淡化装置(无导盐束)进行了海水淡化实验。
所述双机制耐盐海水淡化装置(无导盐束)包括吸收体1、基底3、吸水层4、保温层5。所述吸水层4上方设置有吸收体1和基底，所述基底位于吸收体1以外的区域；所述吸水层4下方设置有保温层5；
所述吸水层4用于将待处理水从盛水的容器中吸收并传输到吸收体1中。
所述吸收体1为聚吡咯玻纤毡材料，通过在玻璃纤维毡骨架上进行聚吡咯吸光材料的修饰后得到。
所述基底3为铝箔。
所述吸水层4为无尘纸。
所述保温层5为聚苯乙烯聚苯泡沫层。
一种制备所述双机制耐盐海水淡化器件(无导盐束)的方法，包括以下步骤：
(1)制备吸收体1的方法：选取具有多层交叉束结构的玻璃纤维毡作为骨架材料通过化学氧化法将聚吡咯吸光材料修饰于骨架材料上，得到聚吡咯玻纤毡的吸收体。
(2)保温层5上覆盖吸水层4，吸收体1放于吸水层4上，吸水层4上方的其他区域用基底3覆盖。
进一步的，所述步骤(1)中的化学氧化法将聚吡咯吸光材料修饰于骨架材料上的具体方法为：取50ml水和50ml乙醇混合作为溶剂；取吡咯单体0.55ml滴加于溶剂中，搅拌混合均匀，得到吡咯单体溶液；将原始骨架材料浸渍于吡咯单体溶液中30min；配制FeCl3·6H2O的水溶液，取8.65g FeCl3·6H2O，搅拌溶解于100ml二次蒸馏水中。向吡咯单体溶液中滴加入FeCl3·6H2O的水溶液100ml，搅拌混合均匀后反应2h即得到黑色的吸收体。将吸收体用去离子水和乙醇清洗多次至水中无残余黑色颗粒，于室温中晾干。
对比材料聚吡咯玻璃纤维布(简称聚吡咯玻纤布)使用与步骤(1)同样的制备方法得到，仅将玻璃纤维毡替换为玻璃纤维布。
所述吸收体1结构为多层交叉束结构(如图2)，束状结构和束与束多层交叉，增加了光程和光的吸收(如图3)，它具有丰富的毛细管，具有快速的水传输能力(如图4)。
当本实施例的双机制耐盐海水淡化装置(无导盐束)用于处理3.5wt％的盐水时，如图5所示，在处理盐水过程中，蒸汽产生(水体质量损失)曲线几乎是线性的，它的蒸发量(利用蒸发曲线的斜率换算得到)始终保持在较高的水平，没有出现衰减的现象(聚吡咯玻纤毡)。而在相同工作条件下的对比材料(聚吡咯玻纤布)作为吸收体制备的双机制耐盐海水淡化装置，其蒸发量下降十分明显。聚吡咯玻纤毡作为吸收体的双机制耐盐海水淡化装置(无导盐束)在10小时蒸发实验过程中的平均蒸发量高达1.47kg·m-2·h-1，而聚吡咯玻纤布的只有1.11kg·m-2·h-1。这主要是由于聚吡咯玻纤毡吸收体具有的多层交叉束结构，具有蓄水力和快速水传输能力，使蒸发表面的水始终不饱和，从而不会有结垢现象出现(图6)；与之相反，聚吡咯玻纤布缺少多层交叉束结构，表面出现了严重的结垢现象，对太阳能的吸收效率大大降低，用于供水和蒸汽逸散的孔道被堵塞(图6)。
实施例2
我们利用本发明阐述的双机制耐盐海水淡化装置进行了零液体排放的海水淡化实验。
所述双机制耐盐海水淡化装置如图1所示，包括吸收体1、导盐束2、基底3、吸水层4、保温层5。所述吸水层4上方设置有吸收体1和基底，所述基底位于吸收体1以外的区域；所述吸水层4下方设置有保温层5；
所述吸水层4用于将待处理水从盛水的容器中吸收并传输到吸收体1中。
所述装置还包括多个导盐束2，多个导盐束2分布在吸收体1的周围，各所述导盐束2的一端设置在吸收体1和吸水层4之间，另一端设置在基底3上，可以将盐水导出沉积在基底上。
所述吸收体1为聚吡咯玻纤毡材料，通过在玻璃纤维毡骨架上进行聚吡咯吸光材料的修饰后得到。
所述导盐束2为聚吡咯玻纤束(为从聚吡咯玻纤毡中取出得到)。
所述基底3为铝箔。
所述吸水层4为无尘纸。
所述保温层5为聚苯乙烯聚苯泡沫层。
一种制备所述双机制耐盐海水淡化装置的方法，包括以下步骤：
(1)制备吸收体的方法：选取具有多层交叉束结构的玻纤毡作为骨架材料通过化学氧化法将聚吡咯吸光材料修饰于骨架材料上，得到聚吡咯玻纤毡的吸收体。
(2)保温层5上覆盖吸水层4，吸收体1放于吸水层4上，吸水层4其他区域用基底3覆盖。
(3)将多个导盐束2分散在吸收体1周围，一端置于吸收体1和吸水层4之间，另一端置于基底3上。
进一步的，所述步骤(1)中的化学氧化法将聚吡咯吸光材料修饰于骨架材料上的具体方法为：取50ml水和50ml乙醇混合作为溶剂；取吡咯单体0.55ml滴加于溶剂中，搅拌混合均匀，得到吡咯单体溶液；将原始骨架材料浸渍于吡咯单体溶液中30min；配制FeCl3·6H2O的水溶液，取8.65g FeCl3·6H2O，搅拌溶解于100ml二次蒸馏水中。向吡咯单体溶液中滴加入FeCl3·6H2O的水溶液100ml，搅拌混合均匀后反应2h即得到黑色的吸收体。将吸收体用去离子水和乙醇清洗多次至水中无残余黑色颗粒，于室温中晾干。
所述吸收体1结构为多层交叉束结构(如图2)，束状结构和束与束多层交叉，增加了光程和光的吸收(如图3)，它具有丰富的毛细管，具有快速的水传输能力(如图4)。
如图7所示，在一个太阳光照条件下，当双机制耐盐海水淡化装置在3.5wt％盐水，双机制耐盐海水淡化装置表现出非常稳定的水蒸发速率。随着水体的持续蒸发，表面并未有盐的沉积的现象出现，这个过程中双机制耐盐海水淡化器件的表面的光学照片展示在了图8中的第一行插图中，盐被导盐束导到基底上，并继续向前爬行。水位高度会逐步下移(图8中的第二行插图)，直至将水分完全蒸发而盐被留在了基底上，可以很容易地被取出来，实现液体零排放过程。
实施例3
我们利用本发明阐述的与实施例2相同的双机制耐盐海水淡化装置进行了海水淡化实验。
如图9所示，在一个太阳光照条件下，当双机制耐盐海水淡化装置在3.5wt％人工海水封闭***中运行，双机制耐盐海水淡化装置表现出非常稳定的水收集速率。随着水体的持续蒸发120h，表面并未有盐的沉积的现象出现，盐被导盐束导到基底上，并继续向前爬行(如图10)。
如图11所示，得到的纯化水(淡化后得到)用电感耦合等离子光谱仪测试其中的离子浓度。测试结果表明，纯化水中离子浓度可以满足WHO规定的饮用水标准。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双机制耐盐海水淡化装置，其特征在于，包括吸收体(1)、基底(3)、吸水层(4)、保温层(5)；
所述吸水层(4)上方设置有吸收体(1)和基底，所述基底位于吸收体(1)以外的区域；所述吸水层(4)下方设置有保温层(5)；
所述吸水层(4)用于将待处理水吸收并传输到吸收体(1)中。
2.根据权利要求1所述的双机制耐盐海水淡化装置，其特征在于，所述装置还包括导盐束(2)，所述导盐束(2)的一端设置在吸收体(1)和吸水层(4)之间，另一端设置在基底(3)上。
3.根据权利要求2所述的双机制耐盐海水淡化装置，其特征在于，所述导盐束(2)由多根纤维集成得到。
4.根据权利要求1所述的双机制耐盐海水淡化装置，其特征在于，所述吸收体(1)由吸收体骨架和修饰材料制备，所述吸收体骨架具有多层交叉束结构，多根纤维聚集成纤维束，纤维束交错多层堆积，形成多层交叉束结构；
所述吸收体骨架采用醋酸纤维素、硝酸纤维素、混合纤维素、棉纤维、麻纤维、木纤维、玻璃纤维、丝或毛中的任一种，所述修饰材料为聚吡咯吸光材料。
5.根据权利要求4所述的双机制耐盐海水淡化装置，其特征在于，所述修饰材料通过化学氧化法修饰于吸收体骨架上；具体步骤如下：
S1、将吸收体骨架材料浸渍于吡咯单体溶液中；
S2、向步骤S1的吡咯单体溶液中加入FeCl3·6H2O的水溶液，搅拌混合均匀后反应，即得。
6.根据权利要求4所述的双机制耐盐海水淡化装置，其特征在于，步骤S1中，所述吡咯单体溶液的配制方法为：将吡咯单体溶于水或者水和乙醇的混合溶剂中即得；
所述吡咯单体与混合溶剂的体积比为0.55:100，水和乙醇的体积比为25：75～100:0；所述浸渍时间为30min-3h；
步骤S2中，所述吡咯单体溶液与FeCl3·6H2O的水溶液的体积比为1:1，反应时间为2-5h；所述FeCl3·6H2O的水溶液的配制方法为：将FeCl3·6H2O搅拌溶解于二次蒸馏水中，即得；
所述FeCl3·6H2O与二次蒸馏水的质量体积比为5-10g：100ml。
7.根据权利要求1所述的双机制耐盐海水淡化装置，其特征在于，所述基底选自铝箔、铜箔、聚乙烯膜、聚四氟乙烯膜的任一种。
8.根据权利要求1所述的双机制耐盐海水淡化装置，其特征在于，所述吸水层的由醋酸纤维素、硝酸纤维素、混合纤维素、棉纤维、麻纤维、木纤维、丝或毛的任一种材料制备；
所述保温层为聚苯乙烯聚苯泡沫层、聚氨酯层、硅酸铝防火隔热棉板层或二氧化硅气凝胶毡层中的任一种。
9.根据权利要求1所述的双机制耐盐海水淡化装置，其特征在于，所述保温层的热导率低于0.04W·m-1·K-1。
10.一种基于权利要求1-9任一项所述的双机制耐盐海水淡化装置在海水淡化处理和污水处理中的应用。
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