CN115490285A

CN115490285A - 一种巧克力棒状复合太阳能蒸发器及其制备方法与应用

Info

Publication number: CN115490285A
Application number: CN202211128780.9A
Authority: CN
Inventors: 许颖; 许斌; 盛开; 徐宏殷
Original assignee: Zhengzhou University
Current assignee: Zhengzhou University
Priority date: 2022-09-16
Filing date: 2022-09-16
Publication date: 2022-12-20
Anticipated expiration: 2042-09-16
Also published as: CN115490285B

Abstract

本发明公开了一种巧克力棒状复合太阳能蒸发器及其制备方法与应用，该制备方法包括：将纳米纤维膜打碎冻干，形成棒状气凝胶作为基体；将光热纳米颗粒置于水凝胶前驱液中分散均匀提升吸光度；将棒状气凝胶浸渍于水凝胶前驱液中交联固化，得到具有气凝胶基体和水凝胶皮层的巧克力棒状复合太阳能蒸发器。蒸发器底部浸入水中，外部伸出水面，利用内部气凝胶的毛细作用将水运输至三维空间补充水凝胶蒸发过程中的损失，有效提高蒸发和吸光面积，实现高效太阳能蒸发。本发明通过简单的溶液浸泡聚合反应，工艺简单，蒸馏通量大，容易实现生产放大。

Description

一种巧克力棒状复合太阳能蒸发器及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及太阳能海水淡化及污水净化领域，具体涉及一种巧克力棒状复合太阳能蒸发器及其制备方法与应用。

背景技术

在能源与水资源日益匮乏的当下，太阳能作为一种绿色可持续能源，成为今年来能源利用的焦点，利用太阳能的净水技术也开始逐渐被关注。其中太阳能蒸馏净水技术由于其低廉的价格，简易的收集方式，成为当前沿海地区和偏远地区获得净水淡水的有效途径。

目前太阳能蒸发净水的研究主要是面向提高太阳能光热转化效率而设计光热材料。但即使光热转换效率目前达到100%，其蒸发通量仍然受到光照限制，维持在1.5 kg·m^-2·h^-1左右。进一步提高蒸发通量，从而更快速的获得净水资源是目前研究的重点。研究发现，水凝胶作为光热蒸发材料具有很高的蒸发效能，但其本身的水运输能力较弱；当光热蒸发器成三维空间结构时，不仅可以利用水汽界面的太阳能，也可利用三维空间中的太阳热能，从而提升蒸发效能，但需要较强的水运输能力将水运至三维空间。因此，将水凝胶制备成三维蒸发器可利用二者的共同优点，进一步提升太阳能蒸馏过程中的蒸发通量，也将成为今后太阳能蒸发器开发使用的必然趋势。

发明内容

本发明主要解决的是现有太阳能蒸发器蒸发通量较低的问题，提供一种巧克力棒状复合太阳能蒸发器及其制备方法，该太阳能蒸发器不仅能够实现太阳能高效吸收和热转化，而且可以通过基体的毛细输水结构，将需要蒸发的原水提升至三维空间，从而实现高效利用太阳能的同时吸收环境热能，达到增加蒸发通量的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种巧克力棒状复合太阳能蒸发器的制备方法，包括以下步骤：

步骤（1）将SiO₂纺丝液进行静电纺丝，将得到的SiO₂纳米纤维与水以质量比2:1-1:2混合，分散，用均质机打碎，获得SiO₂纳米纤维的水悬浊液；

步骤（2）将步骤（1）的SiO₂纳米纤维的水悬浊液倒入铜管，通过液氮定向冷冻，得到纵向纤维结构，后将铜管冷冻干燥24 h，得到气凝胶基体；

步骤（3）将光热纳米颗粒倒入和戊二醛溶液加入到聚乙烯醇/壳聚糖前驱体溶液中提升吸光度；

步骤（4）将盐酸加入步骤（3）混合溶液中作为引发剂，搅拌均匀后转移至离心管内，静置作凝胶处理；

步骤（5）在凝胶过程中将步骤（2）得到的气凝胶基体放入离心管中间，待凝胶完成后将其取出，在去离子水中浸泡后，得到具有纯水凝胶皮层与气凝胶基体的巧克力棒状复合太阳能蒸发器。

进一步，所述步骤（3）中光热纳米颗粒浓度为聚乙烯醇/壳聚糖前驱体溶液的5%。

进一步，所述光热纳米颗粒为聚吡咯、聚苯胺、石墨烯、碳纳米管具有光热转换能力的纳米颗粒，颗粒直径为20 - 500 nm。

进一步，所述步骤（5）中凝胶化时间为6 h，气凝胶基体放入离心管中的凝胶前驱体溶液的时间为总凝胶化时间的1/3-2/3。

一种巧克力棒状复合太阳能蒸发器，包括水凝胶皮层与气凝胶基体。

进一步，单个所述巧克力棒状复合太阳能蒸发器的直径为1- 10 cm。

一种巧克力棒状复合太阳能蒸发器的应用，具体为将巧克力棒状复合太阳能蒸发器进行垂直排列，底部浸泡于待蒸发原水中，上部暴露于空气之中。

进一步，所述巧克力棒状复合太阳能蒸发器裸露于空气部分占总体长度的10-90%，增大光热转换材料的空气接触面积，使效果最佳。

进一步，所述巧克力棒状复合太阳能蒸发器水平方向排列距离为0-5 cm，增大空间热能交换，使得蒸发的效果最佳。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明制备的巧克力棒状复合太阳能蒸发器，其全光谱吸光率可达98%，即对于光的利用率非常高。

2、本发明制备的巧克力棒状复合太阳能蒸发器，基体水接触角为0°，即超亲水。

3、本发明制备的巧克力棒状复合太阳能蒸发器，其水运输高度可达10 cm，即具有很高的水运输能力。

4、本发明制备的单根巧克力棒状复合太阳能蒸发器，在1 kW/m²太阳光强度下的，水蒸发速率为10.6 kg/(m²·h)^-1，是平面蒸发速率的6倍。光热蒸发效率可达为93%，水蒸发效率和光热转换效率高。

5、本发明制备的多根巧克力棒状太阳能光热蒸发器，可以配合多种类型的蒸馏装置以得到最大程度的三维空间利用和更高的蒸发收集率。

6、本发明制备的多根高效太阳能蒸发器，在户外实验中，净水的收集率可达1.6 L(m²·h)^-1，是相同条件下平面光热蒸发器的4-5倍。

7、本发明制备的巧克力棒状复合太阳能蒸发器可用于实现海水的淡化，又可以对苦咸水和高氟水等多种水源水净化，还可以用于晒盐零排放等领域。

8、本发明制备的巧克力棒状复合太阳能蒸发器蒸发后所得蒸馏水纯度高，可以有效去除水中的无机盐、有机质、细菌等各种杂质，达到世界卫生组织的要求。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的巧克力棒状复合太阳能蒸发器的结构示意图；

图2为本发明实施例1中的不同高度的巧克力棒状复合太阳能蒸发器在光照下的蒸发速率；

图3为本发明实施例2中多根巧克力棒状复合太阳能蒸发器的排布；

图4是本发明实施例2中的巧克力棒状太阳能蒸发器在蒸馏收集装置中的排布示意图；

图5是将本发明实施例2中的光热转换材料用于太阳能净化海水溶液前后溶液的浓度变化；

图中，1、太阳能蒸发器，2、气凝胶基体，3、水凝胶皮层，4、固定泡沫，5、收集装置，6、原水。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案及效果做进一步描述，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

本实施例提供了一种巧克力棒状复合太阳能蒸发器的制备方法，具体步骤如下：

步骤1）：制备SiO₂纳米纤维气凝胶基体

将用静电纺丝方法制备的10g SiO₂纳米纤维与20 mL去离子水混合后倒入均质机破碎30min，得到具有SiO₂纳米纤维的50wt%水悬浊液；将悬浊液倒入内径为8mm的10cm长的铜管中，铜管底部放置泡沫阻隔。将铜管浸渍入液氮中迅速冷冻形成定向孔道结构。然后将其放入冷冻干燥机中冻干24h去除水分得到气凝胶基体。

步骤2）：制备聚乙烯醇/壳聚糖水凝胶皮层

在超声下将吡咯单体加入去离子水中得到2 g/L的均相溶液，加入氧化剂FeCl₃·6H₂O（8 g/L），聚合1h后用去离子水洗涤，得到聚吡咯纳米颗粒。将室温干燥后的聚吡咯纳米颗粒（0.5 g）和50wt%戊二醛溶液（1.25 uL）加入到10 mL的10 wt%聚乙烯醇/壳聚糖（1 :0.25）前驱体溶液中。将上述溶液中加入1mL的10 wt%盐酸作为引发剂，搅拌均匀后转移至10 mL离心管内，静置作凝胶处理；

步骤3）：复合过程

在凝胶3 h时将直径为0.8 cm长度为10 cm的气凝胶放入10 mL离心管中间。待6 h凝胶化完成后将包裹有水凝胶的巧克力棒状复合太阳能蒸发器取出，在去离子水中浸泡24h得到纯水凝胶，如图1所示。

图1是本实施例制备的巧克力棒状复合太阳能蒸发器1的结构示意图，包括水凝胶皮层3与气凝胶基体2。本实施例制备的巧克力棒状复合太阳能蒸发器的内部基体结构由垂直排列的纤维组成，水毛细孔道充足，为三维蒸发器向空间中水凝胶蒸发运输水提供有效通道。将蒸发器下部通过固定泡沫4***原水6中，上部裸露在空气中，可以有效的增加其太阳能吸收转换及蒸发性能。

蒸发实验：

将不同高度的巧克力棒状复合太阳能蒸发器1立于至于100 mL烧杯中，用2 cm厚固定泡沫4将其固定于烧杯中间，固定泡沫4下方气凝胶1 cm浸入原水6中，剩余部分暴露于空气中。将上述烧杯放至于具有实时记录功能的万分位电子天平上，在太阳光模拟器1 kW/m²的光强下，实时记60 min内蒸发量变化。图2不同高度暴露高度的蒸发量，当暴露高度为6cm时，蒸发速率可达10.6 kg·(m²·h)^-1，是目前为止蒸发速率最高的蒸发器之一。

实施例2

将实施例1中得到的最大蒸发速率的巧克力棒状复合太阳能蒸发器进行阵列排列如图3。阵列蒸发速率随着阵列距离变化而改变。以占地面积为总面积进行计算时，当x由0增加至1.5cm时，单位面积蒸发速率由2.0 kg·(m²·h)^-1增加至3.6 kg·(m²·h)^-1。随之x继续增加，由于占地面积开始逐渐变大，单位面积蒸发速率反而出现降低。

实施例3

将实施例2中得到的最大蒸发速率的巧克力棒状复合太阳能蒸发器放入斜板蒸发器中如图4用于户外海水蒸发实验测试，用收集装置5收集，收集装置5就是倒的梯形结构，上面为斜面，如图5所示，取自渤海的海水中四种主要离子Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺其相应的浓度均减少98% 以上，盐度远低于世界卫生组织和美国环境保护署规定的饮用水盐度标准。净水的收集率可达1.8 L· (m²·h)^-1，是相同条件下平面光热蒸发器的4倍。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种巧克力棒状复合太阳能蒸发器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的巧克力棒状复合太阳能蒸发器的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中光热纳米颗粒浓度为聚乙烯醇/壳聚糖前驱体溶液的5%。

3.根据权利要求1所述的巧克力棒状复合太阳能蒸发器的制备方法，其特征在于，所述光热纳米颗粒为聚吡咯、聚苯胺、石墨烯、碳纳米管具有光热转换能力的纳米颗粒，颗粒直径为20 - 500 nm。

4.根据权利要求1所述的巧克力棒状复合太阳能蒸发器的制备方法，其特征在于，所述步骤（5）中凝胶化时间为6 h，气凝胶基体放入离心管中的凝胶前驱体溶液的时间为总凝胶化时间的1/3-2/3。

5.一种巧克力棒状复合太阳能蒸发器，其特征在于，包括水凝胶皮层与气凝胶基体。

6.根据权利要求5所述的巧克力棒状复合太阳能蒸发器，其特征在于，单个所述巧克力棒状复合太阳能蒸发器的直径为1- 10 cm。

7.一种巧克力棒状复合太阳能蒸发器的应用，其特征在于，该应用具体为将巧克力棒状复合太阳能蒸发器进行垂直排列，底部浸泡于待蒸发原水中，上部暴露于空气之中。

8.根据权利要求7所述的巧克力棒状复合太阳能蒸发器的应用，其特征在于，所述巧克力棒状复合太阳能蒸发器裸露于空气部分占总体长度的10-90%。

9.根据权利要求7所述的巧克力棒状复合太阳能蒸发器的应用，其特征在于，所述巧克力棒状复合太阳能蒸发器水平方向排列距离为0-5 cm。