自漂浮竹质基太阳能光热转换器及其制备方法

1.本发明涉及太阳能光热蒸发器件，具体地，涉及自漂浮竹质基太阳能光热转换器及其制备方法。


背景技术：

2.随着工业发展和人口的增加，水资源受到污染并且急剧减少，据统计，到2025年，世界上大约一半的人将面临严重的水资源短缺问题，人们的生存受到严重威胁。因此，人们开发了利用太阳能和海水资源通过太阳能海水蒸发技术进行海水淡化获取水资源的方法，其中，以多孔、导热率低的材料为基体，通过在上面负载光热转换材料构建二维平面结构的太阳能光热转化器件受到广泛关注。但是二维太阳能光热蒸发器件的海水淡化效率仍然较低。一方面，二维太阳能蒸发器件会向周围散失热量，并且入射的太阳光会在二维平面上以反射和散射的形式损失，导致光热转换效率较低。因此，有必要开发一种新型太阳能蒸发器件以改善蒸发效率。
3.三维结构太阳能蒸发器件具有可以减少热损失和光反射、增加蒸发面积等优点，相比于二维太阳能蒸发器件蒸发效率有较大提高。目前构筑三维结构基底材料大多数是铜片、纸片、泡沫镍等，这些材料需要加工才能做为太阳能蒸发器件的基底材料使用，成本高且传输水分能力不强，还难以回收，因此需要一种更加环保、绿色并且可塑性较强的材料作为三维结构太阳能蒸发器件的基底材料。此外，现有人工构筑的三维结构，例如玫瑰型结构等，制作过程复杂，消耗材料较多，阳光在反射过程中也会造成一部分能量的散失。


技术实现要素：

4.针对上述三维结构太阳能蒸发器件基材性能差、结构复杂等问题，本发明提供了一种自漂浮竹质基太阳能光热转换器及其制备方法，该转换器以竹签为基材，利用简单的化学表面聚合技术在竹签上负载价格价廉的光热转换聚合物粒子，实现自漂浮、低成本、高效的目的。
5.为了实现上述目的，本发明一方面提供一种自漂浮竹质基太阳能光热转换器的制备方法，该制备方法包括如下步骤：在竹质基材上负载光热转换材料，然后将其捆扎成捆。
6.上述技术方案中，可通过竹质基材自身的毛细作用透过基材间的微通道不断地将水输送到蒸发界面，降低蒸发势垒。此外，竹质基材密度低，可以实现自漂浮，使用方法和制备方法都很简单，制得的热转换器成本低，价格低廉，绿色环保，可大规模生产和使用。
7.进一步地，该制备方法为：在所述竹质基材上负载光热转换材料后，将其清洗、干燥后，捆扎成捆。
8.上述技术方案中，采用去离子水清洗。
9.优选地，所述竹质基材为圆棒型。
10.进一步地，所述竹质基材包括圆棒型的中间段和位于所述中间段两端并从端头向所述中间段直径逐渐增大的端头段。
11.上述技术方案中，形成的3d阵列锥形孔道结构可以通过多次反射入射阳光促进能量的回收，达到最大的能量吸收，避免了2d平面太阳能光热蒸发器件的能量散失，实现高效换热。
12.优选地，所述中间段的直径为1～5mm，长度为5～10cm，所述端头段的长度为0.5～2cm，所述竹质基材的数量为50～300根。以实现效能最大化。
13.优选地，所述光热转换材料为聚吡咯、聚多巴胺或单宁酸。
14.具体地，以聚吡咯为光热转换材料的制备方法包括如下步骤：
15.(1)将所述竹质基材浸渍到fecl3溶液中；
16.(2)将步骤(1)得到的试样放进装有吡咯单体的密闭玻璃容器中进行吡咯化学气相沉积；
17.(3)将步骤(2)得到的试样捆扎成捆即得。
18.进一步具体地，步骤(1)中fecl3溶液的浓度为0.05～1mol/l，浸渍时间是3～5h；所述步骤(2)的气相沉积的温度为50℃～60℃，沉积时间时间是5h～8h。
19.另一个技术方案中，以聚多巴胺为光热转换材料的制备方法包括如下步骤：
20.(1)在ph值为8～9的三羟甲基氨基甲烷溶液中加入盐酸多巴胺制成聚多巴胺反应前驱液；
21.(2)将所述竹质基材浸渍到步骤(1)得到的聚多巴胺反应前驱液。
22.(3)将步骤(2)得到的试样捆扎成捆即得。
23.进一步具体地，步骤(1)中，三羟甲基氨基甲烷溶液的浓度为10～20mm，聚多巴胺反应前驱液中盐酸多巴胺的浓度为0.5～4mg/ml；在ph值为8～9的三羟甲基氨基甲烷溶液中加入盐酸多巴胺搅拌24～48h，制成聚多巴胺反应前驱液。
24.第三个技术方案中，以单宁酸为光热转换材料的制备方法包括如下步骤：
25.(1)将所述竹质基材浸渍到单宁酸溶液中；
26.(2)将步骤(1)得到的试样清洗后浸渍于的fe2(so4)3溶液中；
27.(3)将步骤(2)得到的试样捆扎成捆即得。
28.进一步具体地，步骤(1)中，单宁酸浓度为4～8％(w/v)；步骤(2)中，fe2(so4)3溶液的浓度为4～8％(w/v)，浸渍时间为12～24h。
29.本发明第二方面提供一种自漂浮竹质基太阳能光热转换器，该转换器由上述的制备方法制得。
30.通过上述技术方案，本发明实现了以下有益效果：
31.1、本法明采用竹质基材制备太阳能光热转换器，竹质基材具有亲水性，低导热率，绿色天然，机械强度高等优点，制得的太阳能光热转换器可通过竹质基材自身的毛细作用透过基材间的微通道不断地将水输送到蒸发界面，降低蒸发势垒，使得转换器具有高太阳能吸收能力和很强的光热转化能力，有利于区域高温的集中，促进海水蒸发。此外，竹质基材密度低，可以实现自漂浮，使用方法和制备方法都很简单，制得的热转换器成本低，价格低廉，绿色环保，可大规模生产和使用。
32.2、本发明采用的竹质基材包括圆棒型的中间段和位于中间段两端并从端头向中间段直径逐渐增大的端头段，形成的3d阵列锥形孔道结构可以通过多次反射入射阳光促进能量的回收，达到最大的能量吸收，避免了2d平面太阳能光热蒸发器件的能量散失，实现高
效换热。
33.3、本发明制备的太阳能光热转换器件应用于海水领域，可以解决人类的水资源问题。
附图说明
34.图1是本发明所述的太阳能光热转换器的结构示意图；
35.图2是本发明优选使用的竹质基材的结构示意图；
36.图3为本发明实施例1制得的太阳能光热转换器件的扫描电镜图；
37.图4为本发明实施例1制得的太阳能光热转换器件的温度变化图；
38.图5为本发明实施例1制得的太阳能光热转换器件蒸发速率图。
39.附图标记
40.1竹质基材
具体实施方式
41.以下结合实施例对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
42.以下实施例中，采用如图2所述的竹质基材1捆扎为如图1所示的太阳能光热转换器，所述竹质基材1包括中间段和从中间段向两端直径逐渐减小的端头段。
43.实施例1
44.s1：选取长短相同的100条竹签，将竹签用乙醇、去离子水分别超声清洗30min、20min之后气干干燥；
45.s2：在装有500ml去离子水的烧杯中加入6.757g的六水合三氯化铁，配置成0.05mol/l的fecl3溶液，将竹签放入其中浸渍3h；
46.s3：浸渍后的竹签放进装有吡咯单体的密闭玻璃容器中进行吡咯化学气相沉积5h后，在竹签上面负载球状聚吡咯颗粒(如图3所示)；
47.s4：用去离子水清洗试样，气干；然后将竹签样品用橡皮筋捆成向日葵形状。
48.实施例2
49.s1：选取长短相同的100条竹签，将竹签用乙醇、去离子水分别超声清洗30min、20min之后气干干燥；
50.s2：在装有500ml去离子水的烧杯中加入0.6057g的三羟甲基氨基甲烷，配制10mm的三羟甲基氨基甲烷水溶液；
51.s3：配制0.1m稀盐酸，然后慢慢滴入上述溶液中，直至将其ph值调至8.5；
52.s4：加入0.5g的盐酸多巴胺，配制成盐酸多巴胺浓度分别为1.0mg/ml的聚多巴胺反应前驱液，搅拌均匀；
53.s5：将竹签浸入上述溶液中，在室温下浸渍24h；
54.s6：利用去离子水清洗试样，干燥。
55.实施例3
56.s1：选取长短相同的100条竹签，将竹签用乙醇、去离子水分别超声清洗30min、20min之后气干干燥；
57.s2：在装有500ml去离子水烧杯中加入20mg的单宁酸，配制浓度(4％，w/v)的单宁酸水溶液；
58.s3：将竹签放入上述溶液中，常温常压浸渍12h；
59.s4：取出负载有单宁酸的竹签，利用去离子水清洗试样；
60.s5：在装有500ml去离子水烧杯中加入20mg的fe2(so4)3，搅拌均匀配制成浓度(4％，w/v)的fe2(so4)3水溶液，将竹签在常温常压下浸渍2h。
61.模拟太阳光水蒸发实验
62.将实施例1中制得的仿向日葵型竹质基聚吡咯太阳能光热转换器件，放到装满海水的100ml的烧杯中，然后置于分析天平中。采用am1.5g模拟太阳光，光照强度为100mw/cm2进行太阳能海水淡化，整个实验装置和电脑相连，记录60min内每5min中的质量变化，其中光照下的纯竹签、海水和无光照时的光热器件、竹签、海水也相应的进行测试。用红外摄像仪测试光热器件、竹签、海水测量60min内的温度变化。图4展示的是实施例1、纯竹签和纯海水的净蒸发速率(光照的速率-黑暗的速率)。图5展示的是实施例1、纯竹签和纯海水的温度变化图，从图4和图5可以看出，实施例1制得的太阳能光热转换器的蒸发速率远高于纯竹签和纯海水的蒸发速率，升温速率比纯竹签和纯海水更快，升温效果比纯竹签和纯海水更好。
63.以上结合实施例详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
64.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
65.此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。