CN114956237A - 用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器，包括隔热支撑板，隔热支撑板的上表面向上垂直延伸设置有若干用于持续蒸发海水的具有多孔隙或多间隙结构的大比表面积的柱形立体蒸发部件，该柱形立体蒸发部件向下穿过隔热支撑板的下表面向海水表面以下延伸形成一用于向柱形立体蒸发部件传输海水的导水端，在相邻柱形立体蒸发部件之间彼此形成若干用于将蒸汽快速扩散的导流通道，柱形立体蒸发部件进行亲水改性及光热转换层沉积改性处理，以及该蒸发器的制备方法。本发明易制备、高效率、耐盐，可大规模产业化应用，为解决水资源短缺问题提供了有效方法，在海水淡化和污水处理领域有广泛的应用前景。

Description

用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器及其制备方法

技术领域

本发明涉及海水淡化技术领域，尤其涉及一种用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器及其制备方法。

背景技术

随着经济的发展和人口的增加，淡水资源短缺严重影响了人类健康、工业生产及整个生态***的稳定。幸运地，地球表面积的70％被海水覆盖，通过采用电渗析、多效蒸馏和反渗透等方法可从中获取纯净饮用水。然而，上述技术存在能耗高或污染环境等缺点。近年来，太阳能驱动的界面水蒸发技术引起了学术界和工业界的广泛关注，其可以实现生态友好、低成本、安全、不依赖电力的海水淡化，并被认为是生产纯水的绝佳选择，成为缓解迫在眉睫的淡水短缺危机最有前途的方法之一。为了解决上述问题，基于光热蒸发技术的太阳能界面蒸发器问世。考虑到蒸发水总量与蒸发速率正相关，追求高的水蒸发速率已成为太阳能界面蒸发的研究热点。为了提高蒸发速率和效率，人们一直致力于合成高效的光热转换材料、优化蒸发器的功能结构。目前报道了可应用于界面蒸发的多种光热材料，但光热材料的优化只能有限的提高蒸发速率，使其接近二维(2D)平面蒸发器的理论蒸发极限(1.47kg·m-2·h-1)。其主要技术如下：

CN113307321 A公开了一种太阳能界面蒸发器及其应用，本发明以微藻提油残渣为原材料，经过清洗、干燥、碳化、活化扩孔等过程，开发了一种对环境友好，低碳的光热转换材料，同时开发了优化输水性能设计的隔热基底，二者结合成太阳能界面蒸发器，并将其用于太阳能海水淡化领域，所制得的界面蒸发器有着合适的水通道和优异的光热性能，具有良好的太阳能水蒸发性能。

CN111302423 A公开了一种基于界面太阳能光热转换的太阳能***，包括太阳能界面蒸发器和蒸馏水收集器，所述太阳能界面蒸发器包括敞口的储水盘以及具有高效光热转换效率的吸光体；所述吸光体为双层结构，由上层光热转换材料和下层隔热材料复合构成，在上层和下层材料之间设置有无尘布；在使用时需要保证无尘布可以持续接触储水盘内液面，以确保有足够的水输运到吸光体表面以保证连续蒸发。

CN111282443A公开了一种用于太阳能界面蒸发海水淡化的膜材料及其制备方法。所述方法先采用静电纺丝技术制备PAA纳米纤维膜，再加温加压对其进行亚胺化得到PI纳米纤维膜，最后激光烧蚀技术对PI膜表面进行烧蚀，使其表面形成多孔蓬松的石墨烯纤维。本发明制备的PI-LIG多孔蒸发膜作为太阳能界面蒸发海水淡化的膜材料应用时，光吸收率可达98％，具有高效的蒸发速率和光热转化性能，且耐久性好，在一个太阳光下其蒸发速率高达1.595kg·m-2·h-1，同时它的光热转换效率达到了92.55％，适用于海水淡化处理。

由于表面蒸发技术主要是充分利用自然界因素如光照、风速、空气相对湿度等。如果要提高蒸发速度，理论上只能三种手段，一是提高液体温度，温度越高，蒸发速度越快；二是加快水面上的空气流速；三是加大蒸发液体的表面积。以上三种方式，两种方式对于太阳能界面蒸发实际应用本身来说，通过人为方式加热或提高空气流速，投资和能耗都会极高，显然不现实，所以，只能通过日照的方式提高水温和依靠自然风力，所有很难通过前两种手段提高海水的蒸发速度。对于第三种方式，增加液体蒸发的表面积而言，海水界面蒸发是表面蒸发，面积越大自然蒸发速度就越快，但是太阳能界面蒸发器与投资是成正比，太阳能界面蒸发器不可能无限大。通过对以上问题的分析，如果能通过其他方式提高界面蒸发器的蒸发表面积，是目前可行的方式。上述平面二维结构的太阳能界面蒸发器蒸发表面积有限，故而限制了水蒸发效率。因此，在之前的平面结构界面蒸发器的基础上，为了突破平面蒸发器的蒸发速率极限，研究者设计了具有更大蒸发表面积的三维(3D)结构蒸发器，具体技术如下：

CN114314719 A提供了一种基于界面蒸发的复合蒸发棒，该蒸发棒包括光热转换层和供水层，且光热转换层包裹着供水层。底部供水式蒸发棒：将复合蒸发棒***待处理水源中，通过聚苯乙烯泡沫中间的孔洞固定在水面上，底部浸没在给水中，在毛细作用下不断向光热转换层供水。顶部供水式蒸发棒：将待处理水源装入蒸发棒顶部的储水容器中，使其在毛细作用和重力作用下向光热转换层供水。本专利提出的复合蒸发棒蒸发通量远高于常规蒸发材料可实现的单位占地面积下的蒸发通量，具备高效蒸发、低成本、可持续的优点。

CN114506892 A公开了一种光热界面蒸发器及其制备方法和应用。所述光热界面蒸发器，包括：基座，所述基座为亲水性基座，具有承载面，所述承载面为呈阵列分布的多个尖状凸起的上表面；和光热膜，位于承载面之上。本发明通过呈阵列分布的多个尖状凸起控制承载面的总面积，可以大幅缩小基座与光热膜之间的接触面积，有效降低从光热膜到基座之间的热传导，构成具有低热耗散、高热聚积的光热界面蒸发器。相比于常规蒸发器，该光热界面蒸发器有效抑制了热耗散，改善了热聚积，提高了光热界面蒸发体系的蒸发速率和能量效率，可以将蒸发速率提高10-100％。

如上述所述立体结构的太阳能界面蒸发器技术，与传统的平面二维蒸发器相比，由于增大了蒸发面积进而大大提高了蒸发速度，但是制作成本较高且结构复杂，复杂环境的长期稳定性差，整体维护量较大，并不适合大规模应用。3D蒸发器的侧面不能吸收太阳光，侧面蒸发导致侧面温度低于环境温度，有利于蒸发器从环境中吸收能量。然而，目前包括上述专利技术在内的大部分蒸发器没有考虑蒸汽的扩散通道，大量蒸汽停滞在孔隙内部无法扩散，严重限制了蒸发速率。另外值得注意的是，蒸发器在复杂环境的长期稳定性是实现太阳能蒸发技术大规模实际应用的关键。另外，蒸发器优异的抗盐能力也是决定蒸发器长期稳定蒸发的关键因素。所以说，如何解决降低成本、增加光热转换效率、提高水蒸发效率以及耐盐性能等问题，能够实现产业化应用，是困扰海水淡化及污水处理领域技术人员的一个亟待解决的难题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单，具有高效的光热转换效率、稳定高效的水蒸发速率、优异的耐盐性和可大规模应用等特点的用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器，包括一用于漂浮于海水表面上的隔热支撑板，该隔热支撑板具有一与海水表面接触的下表面以及与所述下表面对应设置的上表面，所述隔热支撑板的上表面向上垂直延伸设置有若干用于持续蒸发海水的具有多孔隙或多间隙结构的大比表面积的柱形立体蒸发部件，该柱形立体蒸发部件向下穿过隔热支撑板的下表面向海水表面以下延伸形成一用于向柱形立体蒸发部件传输海水的导水端，在相邻柱形立体蒸发部件之间彼此形成若干用于将蒸汽快速扩散的导流通道，所述柱形立体蒸发部件进行亲水改性及光热转换层沉积改性处理。

上述的用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器，所述柱形立体蒸发部件为多股纤维经加捻形成的纱线条，该纱线条在隔热支撑板上呈环形阵列、矩形阵列或无规律分布。

上述的用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器，所述柱形立体蒸发部件为若干单纤维捆绑组成的簇形纤维束，该簇形纤维束在隔热支撑板上呈环形阵列、矩形阵列或无规律分布。

上述的用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器，所述纱线条的线密度为10-300tex，直径为0.5-8mm，相邻纱线条之间的间隙为0.1-50mm，高度为0.1cm-15cm。

上述的用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器，在柱形立体蒸发部件内设置有自导水端向柱形立体蒸发部件的顶端方向延伸的用于增强蒸汽扩散效率的支撑透气部件，所述支撑透气部件包括一具有蒸汽扩散通道的筒体，沿所述筒体的轴线方向在筒体的筒壁上开设有若干用于快速扩散蒸汽的导汽孔。

一种用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器的制备方法，包括如下步骤：

一、制备隔热支撑板及柱形立体蒸发部件：

(1)、选择具有隔热性能且可漂浮在水面的材料制成的板体，备用；

(2)、根据实际需要裁剪板体得到隔热支撑板，备用；

(3)、选择多股纤维经加捻形成纱线条或若干单纤维捆绑组成簇形纤维束；

(4)、将若干纱线条或簇型结构体按照一定的间隔距离依次固定在隔热支撑板上，并穿过隔热支撑板向下伸出；

(5)、调整隔热支撑板上方和下方的纱线条或簇形纤维束的长度以及相邻的纱线条或簇形纤维束之间的间隙，得到由柱形立体蒸发部件和隔热支撑板组成的立体织物；

二、亲水和阳离子改性：

(1)、将立体织物用乙醇清洗，去除织物表面的杂质，用蒸馏水清洗并干燥；

(2)、将多巴胺和聚乙烯亚胺溶解在三羟甲基氨基甲烷缓冲液中并混合均匀，室温下反应24h，然后浸泡立体织物；

(3)、通过去离子水反复清洗织物表面的聚多巴胺/聚乙烯亚胺沉淀物；

(4)、将清洗后的立体织物利用鼓风干燥箱进行烘干，烘干温度60-100℃，烘干时间2-5h，达到完全干燥；

(5)、得到多巴胺/聚乙烯亚胺改性的表面呈阳离子特性的亲水立体织物；

三、光热转换层沉积改性处理：

利用静电组装方法将光热转换材料沉积在最终得到的亲水立体织物表面，得到光热转换材料改性的垂直纱线阵列立体织物。

上述的用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器的制备方法，其特征是：所述光热转换材料为MXene，光热转换层沉积改性处理包括如下步骤：

一、制备MXene溶液：

(1)、将2.5gMAX相前驱体Ti₃C₂T_x粉末，缓慢加入到3.0gLiF与9mol/L的HCl形成的50ml混合溶液中，在聚四氟乙烯烧杯中恒温搅拌反应，获得反应溶液；

(2)、将反应溶液用去离子水多次离心至上清液的pH为6-7；

(3)、将所得沉淀在去离子水中分散并超声处理，再次离心取上层上清液，获得体积百分比浓度为0.5-20mg/ml的MXene纳米片分散液；

二、亲水立体织物的MXene改性：

利用静电组装方法将MXene纳米片分散液中的MXene纳米片沉积在步骤(5)最终得到的亲水立体织物表面，得到光热转换材料改性的垂直纱线阵列立体织物，所述静电组装方法为涂层法或浸渍法，MXene含量占亲水立体织物的1-20wt％。

上述的用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器的制备方法，所述光热转换材料改性的垂直纱线阵列立体织物进行防氧化处理，将最终得到的垂直纱线阵列立体织物沉浸在含有多巴胺和聚乙烯亚胺的三羟甲基氨基甲烷缓冲液中，在垂直纱线阵列立体织物表面形成一层多巴胺/聚乙烯亚胺包裹层，所述多巴胺/聚乙烯亚胺包裹层的厚度为1.5-2.5μm。

上述的用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器的制备方法，所述多巴胺和聚乙烯亚胺的重量比为2:1-1:2，浓度分别为0.5-3mg/mL，三羟甲基氨基甲烷缓冲液的pH为8.5，质量分数为0.5-1.5％。

上述的用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器的制备方法，所述MAX的粒径为200-600目，温度为25-45℃，反应时间为12-30h，离心速率为1500-8500rpm，得到的MXene纳米片分散液的浓度为10mg/mL。

本发明用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器及其制备方法的优点是：利用光热转换材料MXene和聚多巴胺/聚乙烯亚胺修饰的具有多级孔隙的纱线垂直阵列结构3D蒸发器。3D垂直阵列蒸发器独特的多级孔隙可以最大程度实现光捕获，同时丰富的孔隙结构有效增加了蒸发表面积和蒸汽逸出空间，另外3D蒸发器侧面温度低于环境温度，可进一步从环境吸收能量。此外，蒸发器的垂直排列结构导致其在蒸发过程中形成了盐浓度和温度梯度，诱发的Marangoni效应可促进水的流动，进一步提高了其蒸发速率和能量转换效率。在1个太阳光照射、无空气对流条件下，立体织物3D蒸发器的蒸发速率最高达到3.95kg·m-2·h-1，室外连续8小时的蒸发量最高达到47.04kg·m-2，在对流4m·s-1下充分扩散，可以实现蒸发率高达13.25kg·m-2·h-1。同时，这种独特的结构促进的对流和扩散作用下，即使在14％的盐水中，在1个阳光照射120h，表面也没有任何盐晶体，表现出优异的耐盐性。同时，PDA/PE在光热材料表面形成的核壳结构保证了光热转换材料的稳定性和耐久性，有助于推动太阳能蒸发器的大规模实际应用。本垂直阵列立体织物蒸发器的设计为开发可持续、耐用和可扩展的太阳能蒸发***提供了新思路。本发明易制备、高效率、耐盐的一体化三维阵列式太阳能界面蒸发器，可重复使用和可大规模应用，为解决水资源短缺问题提供有效方法，在海水淡化和污水处理领域有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为垂直纱线阵列立体织物中纤维负载PDA/PEI和MXene前后的电镜照片；

图3为光热转换层的浸润性测试图像；

图4为垂直阵列立体织物负载PDA/PEI和MXene前后的光吸收性能光谱图；

图5为垂直阵列立体织物的热传导性能红外热成像图；

图6为垂直阵列立体织物海水淡化过程的红外热成像图；

图7为不同纱线间距和不同高度的蒸发速率对比测试图；

图8为垂直纱线阵列立体织物的抗菌污染测试图；

图9为垂直纱线阵列立体织物的抗油污污染性能测试图；

图10为垂直纱线阵列立体织物的抗盐污染测试图；

图11为本发明实施例4簇形纤维束的结构示意图；

图12为本发明实施例5支撑透气部件12的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”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”、“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。

实施例1：

如图1所示，一种用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器，包括一用于漂浮于海水表面上的隔热支撑板1，该隔热支撑板1具有一与海水表面接触的下表面2以及与所述下表面2对应设置的上表面3，隔热支撑板1选择具有隔热性能且可漂浮在水面的材料制成，该材料可以选择聚苯乙烯泡沫、海绵、气凝胶、地毯基布等，厚度为0.5-3cm。当然，根据实际的蒸发效率及承载量，隔热支撑板1的厚度可以根据需要任意调整。在隔热支撑板1的上表面3向上垂直延伸设置有若干用于持续蒸发海水的具有多孔隙或多间隙结构的大比表面积的柱形立体蒸发部件4，该柱形立体蒸发部件4向下穿过隔热支撑板1的下表面2向海水表面以下延伸形成一用于向柱形立体蒸发部件4传输海水的导水端5，在相邻柱形立体蒸发部件4之间彼此形成若干用于将蒸汽快速扩散的导流通道6。

本实施例中，柱形立体蒸发部件4为多股纤维经加捻形成的纱线条7，该纱线条7在隔热支撑板1上呈环形阵列、矩形阵列或无规律分布。若干纱线条7组成一垂直纱线阵列立体织物，纱线条7的纱线为棉、麻、粘胶、羊毛、涤纶、锦纶、维纶、腈纶、芳纶等纯纺纱或混纺纱，纱线条7的线密度为10tex，直径为0.5mm，相邻纱线条之间的间隙为0.1mm，高度为0.1cm。

具体制备过程是：将多股纤维经加捻制成粗纱，多股纤维加捻形成粗纱的结构大大增加了有效的蒸发面积，捻度根据实际蒸发效率以及环境情况设定，确保粗纱松软。根据具体间隙要求，通过缝纫或编织的方式将粗纱依次固定在隔热支撑板1的阵列位置上，粗纱穿入隔热支撑板1后且位于隔热支撑板1下方的纱线形成导水端5，固定完毕后根据高度要求对隔热支撑板1上的粗纱进行裁切。隔热支撑板1漂浮在水面，把水分从粗纱底部传到顶部。通过采用简单有效的缝纫方法将纱线牢固编织在隔热支撑板1上，形成粗纱尺寸和孔隙可调的垂直纱线阵列立体织物。

为了提高纱线条7的光吸收性能、蒸发性能、抗盐污染性能，对柱形立体蒸发部件4依次进行亲水改性处理、光热转换层沉积改性处理，以及表面防氧化处理。本实施例中，光热转换材料为MXene。利用静电组装方法将MXene纳米片分散液中的MXene纳米片沉积在最终得到的亲水立体织物表面，得到光热转换材料改性的垂直纱线阵列立体织物。将最终得到的垂直纱线阵列立体织物沉浸在含有多巴胺和聚乙烯亚胺的三羟甲基氨基甲烷缓冲液中，在垂直纱线阵列立体织物表面形成一层多巴胺/聚乙烯亚胺包裹层，也就是防氧化的膜，多巴胺/聚乙烯亚胺包裹层的厚度为1.5-2.5μm，本实施例最佳厚度为2μm。静电组装方法为涂层法或浸渍法，MXene含量占亲水立体织物的1-20wt％。通过可扩展的层层自组装方法，将具有100％光热转换效率的MXene和亲水的聚多巴胺/聚乙烯亚胺层在纤维表面原位形成“聚多巴胺(PDA)/聚乙烯亚胺(PEI)-MXene-聚多巴胺(PDA)/聚乙烯亚胺(PEI)”三明治式微结构。三明治微结构可以理解成在纤维表面形成的三层膜。如图2所示，为组成纱线条的纤维逐渐改性处理的电镜照片，其中纤维以麻纤维为例，a图为原始未处理纤维，b图为PDA/PEI处理后纤维，c图为PDA/PEI和MXene处理后纤维，d图为PDA/PEI、MXene和PDA/PEI处理后纤维。第一层膜是PDA/PEI形成的膜，在纤维表面形成了亲水阳离子改性的膜，同时为了在纤维表面更好的结合MXene，第二层MXene是光热转换作用，吸收太阳光转换成热量。第三层聚多巴胺(PDA)/聚乙烯亚胺(PEI)形成的膜是为了保护MXene，防止MXene脱落或氧化；另外起到亲水导水的作用。

本发明用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器的制备方法，包括如下步骤：

一、制备隔热支撑板及柱形立体蒸发部件：

(1)、选择具有隔热性能且可漂浮在水面的材料制成的板体，备用；

(2)、根据实际需要裁剪板体得到隔热支撑板，备用；

(3)、选择多股纤维经加捻形成纱线条7；

(4)、将若干纱线条7按照一定的间隔距离依次固定在隔热支撑板1上，并穿过隔热支撑板1向下伸出，形成导水端5；

(5)、调整隔热支撑板1上方和下方的纱线条7的长度以及相邻的纱线条之间的间隙，得到由柱形立体蒸发部件4和隔热支撑板1组成的立体织物；

二、亲水和阳离子改性：

(1)、将立体织物用乙醇清洗，去除织物表面的杂质，用蒸馏水清洗并干燥；

(2)、将多巴胺和聚乙烯亚胺溶解在三羟甲基氨基甲烷缓冲液中并混合均匀，室温下反应24h，然后浸泡立体织物；

(3)、通过去离子水反复清洗织物表面的聚多巴胺/聚乙烯亚胺沉淀物；

(4)、将清洗后的立体织物利用鼓风干燥箱进行烘干，烘干温度60℃，烘干时间2h，达到完全干燥；

(5)、得到多巴胺/聚乙烯亚胺改性的表面呈阳离子特性的亲水立体织物；

三、光热转换层沉积改性处理：

利用静电组装方法将光热转换材料沉积在最终得到的亲水立体织物的表面，得到光热转换材料改性的垂直纱线阵列立体织物。

本实施例中，光热转换材料为MXene，光热转换层沉积改性处理包括如下步骤：

一、制备MXene溶液：

(1)、将2.5gMAX相前驱体Ti₃C₂T_x粉末，缓慢加入到3.0gLiF与9mol/L的HCl形成的50ml混合溶液中，在聚四氟乙烯烧杯中恒温搅拌反应，获得反应溶液；

(2)、将反应溶液用去离子水多次离心至上清液的pH为6；

(3)、将所得沉淀在去离子水中分散并超声处理，再次离心取上层上清液，获得体积百分比浓度为2mg/ml的MXene纳米片分散液；

二、亲水立体织物的MXene改性：

利用静电组装方法将MXene纳米片分散液中的MXene纳米片沉积在步骤(5)最终得到的亲水立体织物表面，得到光热转换材料改性的垂直纱线阵列立体织物，所述静电组装方法为涂层法或浸渍法，MXene含量占亲水立体织物的1wt％。

多巴胺和聚乙烯亚胺的重量比为2:1，浓度分别为0.5mg/mL，三羟甲基氨基甲烷缓冲液的pH为8.5，质量分数为0.5％。MAX的粒径为200目，温度为25℃，反应时间为12h，离心速率为1500rpm，得到的MXene纳米片分散液的浓度为0.5mg/mL。光热转换材料也可以选择石墨烯或碳纳米管，根据不同光热转换材料的沉积方法可选择实现。

为了进一步提高导水性能，保护亲水改性膜及MXene形成的膜，对光热转换材料改性的垂直纱线阵列立体织物进行防氧化处理，将最终得到的垂直纱线阵列立体织物沉浸在含有多巴胺和聚乙烯亚胺的三羟甲基氨基甲烷缓冲液中，在垂直纱线阵列立体织物表面形成一层多巴胺/聚乙烯亚胺包裹层，多巴胺/聚乙烯亚胺包裹层的厚度为1.5μm。

本发明优异的阻盐性能归因于亲水纱线框架构成的垂直排列孔隙，由于芯吸效应导致孔隙中充满海水，盐溶液总是通过扩散和对流沿最短路径从高盐浓度的纱线表面输送到低盐浓度的盐水中。同时纱线间垂直孔隙的水流速度高于小孔径纤维孔道的速度，引起蒸发器阵列中水溶液更快的盐交换，从而具有优异的耐盐性能。本发明仅利用太阳能作为驱动能源，不需要消耗其他的能源，同时避免了常规界面蒸发器需要定期维护及更换的问题，具有便携、价格低廉和水蒸发效率高等特点，可长期稳定应用于海水淡化、污水处理和户外饮用水提纯。

如图3、4、5、6、7、8、9、10所示，光热转换材料以MXene、纤维以麻纤维为例，本发明三维阵列式太阳能界面蒸发器的测试性能如下：

1、浸润性测试

空气中对水的接触角测试：将制作好的MXene改性麻纱线水平放置在接触角测量仪器上，取5μL水进行测量。MXene改性麻纱线基光热转换材料对水的接触角测试及润湿过程测试见图3。蒸发器对水表现为超亲水性，水滴在蒸发器表面的整个浸润过程仅为1秒。

2、光吸收性能测试

将MXene改性立体织物基光热转换材料裁剪长宽高2cm*2cm*1cm尺寸，利用UV-vis-NIR紫外光谱仪测试波长为280-2500nm范围内的光吸收性能。测试结果如图4所示。湿态下MXene改性垂直阵列立体织物(PDA/PEI-MXene-PDA/PEI)吸光率接近97.5％，表现出优异的光吸收性。

3、热传导性能测试：

将MXene改性垂直阵列立体织物蒸发器(3×3×3cm)在85℃的热板上放置2.5h。用红外热成像仪实时监测表面温度变化。测试结果如图5所示，相对表面之间显示55℃的温差，聚苯乙烯泡沫上表面温度保持在46℃左右，而蒸发器顶面温度固定在30℃左右，说明了蒸发器具有较好的隔热效果。

4、热定位性能测试

将MXene改性垂直阵列立体织物蒸发器，放置于烧杯中，利用氙灯模拟太阳光源进行光照实验，用红外热成像仪实时监测蒸发表面温度变化。测试结果如图6所示：当1个太阳入射光照射到漂浮在水上的立体织物表面时，顶部表面的温度从24℃增加到33.9℃，相比较而言，散装水的温度在40分钟内保持不表。

5、蒸发性能测试

将MXene改性垂直阵列立体织物蒸发器(纱线间隙从大到小分别定义为PP/M/PP-H-D1，PP/M/PP-H-D2，PP/M/PP-H-D3，PP/M/PP-H-D4)，放置于装有海水的烧杯中，利用模拟太阳光源进行光照实验，用电子天平实时监测水体蒸发质量变化。测试结果如图7所示，在无空气对流的1个太阳光照射下，随着纱线间宏观孔隙的降低，蒸发速率呈现先增加后减小的趋势，其中，PP/M/PP-H-D2具有最大蒸发速率3.10kg·m^-2·h^-1。随着蒸发器高度增加，其水蒸发速率持续增加，高度为8cm蒸发器蒸发速率高达3.95kg·m^-2·h^-1。

6、抗菌污染测试：

分别使用大肠杆菌和金黄色葡萄球菌来评估MXene改性垂直阵列立体织物的抗菌性。如图8所示，棉没有表现出抗菌活性。然而，麻纤维和PDA/PEI改性的麻纤维对大肠杆菌的抗菌效率分别为49.3％和53.2％，对金黄色葡萄球菌为44.5％和49.2％。MXene改性的麻纤维对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效率达到99.9％，表明其具有出色的抗菌性能。

7、抗油污污染性能测试：

将MXene改性垂直阵列立体织物蒸发器置于水中，采用甲基红染色的正己烷快速喷射到纤维表面，如图9所示，正己烷立即从纤维表面逃逸而不留下任何油滴，证明了MXene改性垂直阵列立体织物蒸发器优异的抗油污染性能。测试了蒸发器在豆油、柴油、机油水包乳液中的水蒸发性能，可以看出水蒸发量随时间呈线性变化，几乎与纯水的蒸发速率相当。

8、抗盐污染测试：

将MXene改性垂直阵列立体织物蒸发器漂浮在14wt％NaCl溶液中，并在一个太阳光照射下进行连续120h的蒸发试验，如图10所示，蒸发器表面未观察到析出的盐晶体，并且蒸发器表面温度始终保持稳定。

实施例2：

本实施例与实施例1相同部分不再赘述，其不同之处在于：

纱线条7的线密度为150tex，直径为4mm，相邻纱线条之间的间隙为25mm，高度为8cm。多巴胺/聚乙烯亚胺包裹层的厚度为2μm。

二、亲水和阳离子改性：

(1)、将立体织物用乙醇清洗，去除织物表面的杂质，用蒸馏水清洗并干燥；

(2)、将多巴胺和聚乙烯亚胺溶解在三羟甲基氨基甲烷缓冲液中并混合均匀，室温下反应24h，然后浸泡立体织物；

(3)、通过去离子水反复清洗织物表面的聚多巴胺/聚乙烯亚胺沉淀物；

(4)、将清洗后的立体织物利用鼓风干燥箱进行烘干，烘干温度80℃，烘干时间3.5h，达到完全干燥；

本实施例中，光热转换材料为MXene，光热转换层沉积改性处理包括如下步骤：

一、制备MXene溶液：

(1)、将2.5gMAX相前驱体Ti₃C₂T_x粉末，缓慢加入到3.0gLiF与9mol/L的HCl形成的50ml混合溶液中，在聚四氟乙烯烧杯中恒温搅拌反应，获得反应溶液；

(2)、将反应溶液用去离子水多次离心至上清液的pH为6.5；

(3)、将所得沉淀在去离子水中分散并超声处理，再次离心取上层上清液，获得体积百分比浓度为8mg/ml的MXene纳米片分散液；

二、亲水立体织物的MXene改性：

利用静电组装方法将MXene纳米片分散液中的MXene纳米片沉积在步骤(5)最终得到的亲水立体织物表面，得到光热转换材料改性的垂直纱线阵列立体织物，所述静电组装方法为涂层法或浸渍法，MXene含量占亲水立体织物的10wt％。

多巴胺和聚乙烯亚胺的重量比为1:1，浓度分别为1.5mg/mL，三羟甲基氨基甲烷缓冲液的pH为8.5，质量分数为1％。MAX的粒径为350目，温度为37℃，反应时间为21h，离心速率为3500rpm，得到的MXene纳米片分散液的浓度为10mg/mL。

实施例3：

本实施例与实施例1-2相同部分不再赘述，其不同之处在于：

纱线条7的线密度为300tex，直径为8mm，相邻纱线条之间的间隙为50mm，高度为15cm。多巴胺/聚乙烯亚胺包裹层的厚度为2.5μm。

二、亲水和阳离子改性：

(1)、将立体织物用乙醇清洗，去除织物表面的杂质，用蒸馏水清洗并干燥；

(2)、将多巴胺和聚乙烯亚胺溶解在三羟甲基氨基甲烷缓冲液中并混合均匀，室温下反应24h，然后浸泡立体织物；

(3)、通过去离子水反复清洗织物表面的聚多巴胺/聚乙烯亚胺沉淀物；

(4)、将清洗后的立体织物利用鼓风干燥箱进行烘干，烘干温度100℃，烘干时间5h，达到完全干燥；

本实施例中，光热转换材料为MXene，光热转换层沉积改性处理包括如下步骤：

一、制备MXene溶液：

(1)、将2.5gMAX相前驱体Ti₃C₂T_x粉末，缓慢加入到3.0gLiF与9mol/L的HCl形成的50ml混合溶液中，在聚四氟乙烯烧杯中恒温搅拌反应，获得反应溶液；

(2)、将反应溶液用去离子水多次离心至上清液的pH为7；

(3)、将所得沉淀在去离子水中分散并超声处理，再次离心取上层上清液，获得体积百分比浓度为15mg/ml的MXene纳米片分散液；

二、亲水立体织物的MXene改性：

利用静电组装方法将MXene纳米片分散液中的MXene纳米片沉积在步骤(5)最终得到的亲水立体织物表面，得到光热转换材料改性的垂直纱线阵列立体织物，所述静电组装方法为涂层法或浸渍法，MXene含量占亲水立体织物的20wt％。

多巴胺和聚乙烯亚胺的重量比为1:2，浓度分别为3mg/mL，三羟甲基氨基甲烷缓冲液的pH为8.5，质量分数为1.5％。MAX的粒径为600目，温度为45℃，反应时间为30h，离心速率为8500rpm，得到的MXene纳米片分散液的浓度为20mg/mL。

实施例4：

本实施例与实施例1-3相同部分不再赘述，其不同之处在于：

如图11所示，本实施例提供了另外一种形态的柱形立体蒸发部件。柱形立体蒸发部件4为若干单纤维8捆绑组成的簇形纤维束，若干单纤维8组成纤维束，沿若干单纤维8的长度方向自隔热支撑板1的上表面3向单纤维8的顶部依次横向绑扎有用于约束纤维束整体形状的限位条9，该簇形纤维束在隔热支撑板1上呈环形阵列、矩形阵列或无规律分布。具体制备过程是：将若干单纤维8组成纤维束，然后通过限位条9一次将纤维束进行绑扎，由于组成纤维束的若干单纤维8之间存在大量间隙10，且若干单纤维8的比表面积巨大，该结构大大增加了有效的蒸发面积，单纤维8的数量根据实际蒸发效率以及环境情况设定，确保纤维束松软，松紧程度决定单纤维8之间的间隙，因此绑扎的松紧度也可根据实际需要灵活调节。根据簇形纤维束之间的具体间隙要求，在隔热支撑板1上打若干固定孔，将纤维束依次固定在隔热支撑板1的固定孔上，纤维束穿入隔热支撑板1后且位于隔热支撑板1下方的纤维束形成导水端5，固定完毕后根据高度要求对隔热支撑板1上的纤维束进行裁切。隔热支撑板1漂浮在水面11上，把水分从单纤维8的底部传到顶部。通过采用简单有效的缝纫方法将纱线牢固编织在隔热支撑板1上，形成簇形纤维束尺寸和孔隙可调的垂直纱线阵列立体织物。

实施例5：

本实施例与实施例1-4相同部分不再赘述，其不同之处在于：

如图12所示，为了更加快速将停滞在孔隙内部的大量蒸汽向外扩散，进一步提高蒸发速率，使蒸发器能够适应各种复杂的湿度、温度等环境，在柱形立体蒸发部件4内设置有自导水端5穿过隔热支撑板1，向柱形立体蒸发部件4的顶端方向延伸的用于增强蒸汽扩散效率的支撑透气部件12，该支撑透气部件12包括一具有蒸汽扩散通道13的筒体14，沿筒体14的轴线方向在筒体14的筒壁上开设有若干用于快速扩散蒸汽的导汽孔15。筒体14设置在纱线条7或簇形纤维束的中心位置，也起到了稳定柱形立体蒸发部件4直立形态的作用。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的保护范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器，包括一用于漂浮于海水表面上的隔热支撑板，该隔热支撑板具有一与海水表面接触的下表面以及与所述下表面对应设置的上表面，其特征在于：所述隔热支撑板的上表面向上垂直延伸设置有若干用于持续蒸发海水的具有多孔隙或多间隙结构的大比表面积的柱形立体蒸发部件，该柱形立体蒸发部件向下穿过隔热支撑板的下表面向海水表面以下延伸形成一用于向柱形立体蒸发部件传输海水的导水端，在相邻柱形立体蒸发部件之间彼此形成若干用于将蒸汽快速扩散的导流通道，所述柱形立体蒸发部件进行亲水改性及光热转换层沉积改性处理。

2.根据权利要求1所述的用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器，其特征是：所述柱形立体蒸发部件为多股纤维经加捻形成的纱线条，该纱线条在隔热支撑板上呈环形阵列、矩形阵列或无规律分布。

3.根据权利要求1所述的用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器，其特征是：所述柱形立体蒸发部件为若干单纤维捆绑组成的簇形纤维束，该簇形纤维束在隔热支撑板上呈环形阵列、矩形阵列或无规律分布。

4.根据权利要求2所述的用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器，其特征是：所述纱线条的线密度为10-300tex，直径为0.5-8mm，相邻纱线条之间的间隙为0.1-50mm，高度为0.1cm-15cm。

5.根据权利要求1所述的用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器，其特征是：在柱形立体蒸发部件内设置有自导水端向柱形立体蒸发部件的顶端方向延伸的用于增强蒸汽扩散效率的支撑透气部件，所述支撑透气部件包括一具有蒸汽扩散通道的筒体，沿所述筒体的轴线方向在筒体的筒壁上开设有若干用于快速扩散蒸汽的导汽孔。

6.一种权利要求1-5任一项所述的用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

一、制备隔热支撑板及柱形立体蒸发部件：

(1)、选择具有隔热性能且可漂浮在水面的材料制成的板体，备用；

(2)、根据实际需要裁剪板体得到隔热支撑板，备用；

(3)、选择多股纤维经加捻形成纱线条或若干单纤维捆绑组成簇形纤维束；

(4)、将若干纱线条或簇型结构体按照一定的间隔距离依次固定在隔热支撑板上，并穿过隔热支撑板向下伸出；

(5)、调整隔热支撑板上方和下方的纱线条或簇形纤维束的长度以及相邻的纱线条或簇形纤维束之间的间隙，得到由柱形立体蒸发部件和隔热支撑板组成的立体织物；

二、亲水和阳离子改性：

(1)、将立体织物用乙醇清洗，去除织物表面的杂质，用蒸馏水清洗并干燥；

(2)、将多巴胺和聚乙烯亚胺溶解在三羟甲基氨基甲烷缓冲液中并混合均匀，室温下反应24h，然后浸泡立体织物；

(3)、通过去离子水反复清洗织物表面的聚多巴胺/聚乙烯亚胺沉淀物；

(4)、将清洗后的立体织物利用鼓风干燥箱进行烘干，烘干温度60-100℃，烘干时间2-5h，达到完全干燥；

(5)、得到多巴胺/聚乙烯亚胺改性的表面呈阳离子特性的亲水立体织物；

三、光热转换层沉积改性处理：

利用静电组装方法将光热转换材料沉积在最终得到的亲水立体织物表面，得到光热转换材料改性的垂直纱线阵列立体织物。

7.根据权利要求6所述的用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器的制备方法，其特征是：所述光热转换材料为MXene，光热转换层沉积改性处理包括如下步骤：

一、制备MXene溶液：

(1)、将2.5gMAX相前驱体Ti₃C₂T_x粉末，缓慢加入到3.0gLiF与9mol/L的HCl形成的50ml混合溶液中，在聚四氟乙烯烧杯中恒温搅拌反应，获得反应溶液；

(2)、将反应溶液用去离子水多次离心至上清液的pH为6-7；

(3)、将所得沉淀在去离子水中分散并超声处理，再次离心取上层上清液，获得体积百分比浓度为0.5-20mg/ml的MXene纳米片分散液；

二、亲水立体织物的MXene改性：

利用静电组装方法将MXene纳米片分散液中的MXene纳米片沉积在步骤(5)最终得到的亲水立体织物表面，得到光热转换材料改性的垂直纱线阵列立体织物，所述静电组装方法为涂层法或浸渍法，MXene含量占亲水立体织物的1-20wt％。

8.根据权利要求6所述的用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器的制备方法，其特征是：所述光热转换材料改性的垂直纱线阵列立体织物进行防氧化处理，将最终得到的垂直纱线阵列立体织物沉浸在含有多巴胺和聚乙烯亚胺的三羟甲基氨基甲烷缓冲液中，在垂直纱线阵列立体织物表面形成一层多巴胺/聚乙烯亚胺包裹层，所述多巴胺/聚乙烯亚胺包裹层的厚度为1.5-2.5μm。

9.根据权利要求6所述的用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器的制备方法，其特征是：所述多巴胺和聚乙烯亚胺的重量比为2:1-1:2，浓度分别为0.5-3mg/mL，三羟甲基氨基甲烷缓冲液的pH为8.5，质量分数为0.5-1.5％。

10.根据权利要求7所述的用于海水淡化的三维阵列式太阳能界面蒸发器的制备方法，其特征是：所述MAX的粒径为200-600目，温度为25-45℃，反应时间为12-30h，离心速率为1500-8500rpm，得到的MXene纳米片分散液的浓度为10mg/mL。

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