一种太阳能蒸汽发生装置及其制备方法和应用与流程

本发明涉及环境保护领域，尤其涉及一种太阳能蒸汽发生装置及其制备方法和应用。

背景技术：

利用太阳能蒸汽发生装置进行水的纯化是近几年的研究热点之一。该技术的工作原理是：采用多孔亲水材料作为吸水层，在基材上表面负载碳基材料或溅射贵金属材料等作为吸光层。在太阳光照射下，吸光层将太阳能转换为热能，加速太阳能蒸汽发生装置表面水分的蒸发，而吸水层源源不断的将下部水分输送至上表面，持续完成物质的分离过程。收集表面蒸汽冷凝成的液滴便得到了蒸腾分离的产物。利用太阳能蒸汽发生装置的分离技术具有绿色环保、节能等多种优势，可用于水的纯化与分离，在海水淡化、染料分离和油水分离等领域都具有潜在的应用价值。

油水分离有多种方法，包括有重力式分离、离心式分离、电分离、吸附分离、气浮分离等，重力式分离很难分离油包水，离心式分离可以将油水较大程度地分离开，但设备不易维护，电分离通过电场对水滴的作用,削弱了乳状液的界面膜强度，促进水滴的碰撞、合并，最终聚结成粒径较大的水滴，从原油中分离出来。但由于用电蒸发处理含水量较高的原油乳状液时，会产生电击穿而无法建立极间必要的电场强度，所以，该方法不能独立使用，只能作为其它处理方法的后序工艺。目前报道的油水分离材料多为膜分离，但是薄膜的机械性能普遍较差，而且操作过程中需要维持薄膜两边较大的压差，需要外界能量的输入。将太阳能蒸腾技术与油水分离相结合，在太阳光照射下，直接利用自然能源，结合材料对水和油滴浸润性的差异实现水包油型油水乳液的分离。具有分离效率高、节能环保、机械性能好、可分离多种物质等优异特性。

技术实现要素：

本发明提供一种太阳能蒸汽发生装置及其制备方法和应用，用以解决现有技术油水分离过程中能量消耗较大，薄膜机械性能差的问题。

第一方面，本发明提供一种太阳能蒸汽发生装置，包括：

木材底座和形成于所述木材底座的上表面用于接受太阳光照射的吸光层；

所述木材底座由木材原料事先经过浸泡在质量浓度为6％～8％的聚乙烯醇水溶液中再低温冷冻干燥的处理制备而成；

所述吸光层与所述木材原料的生长方向垂直。

进一步地，所述聚乙烯醇水溶液浓度优选为7％。

进一步地，所述木材原料为轻质木，厚度为1～2cm。

更进一步，所述轻质木为巴尔沙木，厚度为1.5cm。

进一步地，所述吸光层为碳纳米管层，所述碳纳米管层厚度为50～300μm；优选为100μm。

本发明以密度较小且不易变形的轻质木为底座，此类轻质木在沿着树木生长方向存在有大量微米级的孔隙，通过聚乙烯醇水溶液的处理，在其孔隙中填充大量多孔聚乙烯醇，利用水和油滴浸润性的不同，使得水可以通过装置的同时油滴无法通过从而将水和油分离。

第二方面，本发明提供一种太阳能蒸汽发生装置的制备方法，用于制备上述太阳能发生装置，具体步骤如下：

处理所述木材原料得到所述木材底座；

在所述木材底座用于接受太阳光照射的上表面形成所述吸光层。

本发明提供一种太阳能蒸汽发生装置及其制备方法在油水分离和海水淡化方面的应用。

进一步地，应用于油水分离时包括：将所述太阳能蒸汽发生装置放置并漂浮在油水乳液上，所述装置经太阳照射产生蒸腾作用将油水乳液的油和水分离。

更进一步，所述油水乳液中油滴的粒径为微米或纳米级别。

在本发明一个优选的实施方式中，太阳能蒸汽发生装置的制备方法在油水分离方面的应用具体如下：

1)采用长和宽分别为2～5cm，厚度为1～2cm的巴尔沙木块为木材原料，经去离子水煮沸清洗晾干；

2)将步骤1)的木材原料放置在浓度为6％～8％的聚乙烯醇水溶液中，反复抽滤直到聚乙烯醇水溶液填充至木材内部孔隙中，经液氮低温冷冻后移入真空冷冻干燥机内冷冻干燥48h，得到木材底座；

3)将步骤2)获得的木材底座在垂直于树木生长方向，用于接受太阳光照射的上表面涂覆碳纳米管，厚度约50～300μm，得到太阳能蒸汽发生装置；

4)在油水乳液上放置太阳能蒸汽发生装置，在太阳光照射条件下，装置表面产生大量水蒸汽，收集水蒸气冷凝后的液滴得到各油水分离产物；

5)用有机碳含量分析仪检测油水乳液和油水分离产物的有机碳含量，来计算油水分离效率。

本发明提供的一种太阳能蒸汽发生装置及其制备方法和应用，具有以下

有益效果：

(1)太阳能蒸汽发生装置通过聚乙烯醇材料的多孔结构将油和水分离，分离效率高，对多种微米级和纳米级油滴的分离效果都可以达到99.7％左右；

(2)以太阳能为能源，经太阳光照射将浸润到木材底座中的水分蒸发，后冷凝收集水蒸气实现油水分离，节能环保；

(3)在进行油水分离的同时还可以除去水中的盐分；

(4)太阳能蒸汽发生装置机械性能好，稳定性好，经久耐用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1中巴尔沙木垂直于生长方向的sem扫描电镜图；

图2为实施例1中所述的太阳能蒸汽发生装置的示意图；

图3为实施例2中步骤2)聚乙烯醇多孔高分子材料填充在巴尔沙木孔隙中的sem扫描电镜图；

图4为实施例2中步骤3)填充聚乙烯醇的巴尔沙木和填充聚乙烯醇的巴尔沙木负载碳纳米管的吸收光谱图；

图5为实验例1中太阳能蒸汽发生装置在同一太阳光照下微米级的硅油、大豆油、十六烷、正癸烷或正辛烷的油水乳液分离效率图；

图6为实验例2中纳米硅油乳液中油滴的粒度分布图；

图7为实验例2中太阳能蒸汽发生装置在太阳光照射下硅油纳米乳液的分离效率图；

图8为实验例2中太阳能蒸汽发生装置在同一太阳光照下纳米级大豆油、十六烷、正癸烷和正辛烷的油水乳液分离效率图；

图9为实验例3中太阳能蒸汽发生装置在太阳光照射下海水配制的大豆油纳米乳液的分离效率图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种太阳能蒸汽发生装置，包括

木材底座和形成于所述木材底座的上表面用于接受太阳光照射的吸光层；

所述木材底座由木材原料事先经过浸泡在质量浓度为6％～8％的聚乙烯醇水溶液中再低温冷冻干燥的处理制备而成；

所述吸光层与所述木材原料的生长方向垂直。

具体地，本实施例可以选用质地较轻、不易变形的木材为底座，例如巴尔沙木，如图1所示，垂直于生长方向的sem扫描电镜图显示其沿生长方向存在大量孔隙。将木材完全浸没在聚乙烯醇水溶液中，经反复抽滤待聚乙烯醇水溶液完全填满木材孔隙后将木材取出，低温冷冻后冷冻干燥即得到木材底座。填充的聚乙烯醇为多孔结构，且孔径远小于巴尔沙木中的孔隙，在水滴可以通过的同时油滴无法通过。在木材底座垂直于树木生长方向，且用于接受太阳光照射的上表面涂覆吸光层，例如碳纳米管，碳纳米管将光能转化为热能的效率很高，有利于水分的蒸发。

图2为本实施例一种太阳能蒸汽发生装置的示意图，如图所示，装置的长和宽可以为2～5cm，厚度为1～2cm，巴尔沙木沿着生长方向存在大量孔隙，孔隙中存在有经上述处理方法后填充的多孔聚乙烯醇，图中孔隙宽度仅为示意，其实际直径为10-80μm，在垂直于生长方向用于接受阳光照射的一面上有碳纳米管层。

在实际使用时，将太阳能蒸汽发生装置放置在油水乳液上，在太阳光的照射下吸光层将光能转化为热能，将吸入木材底座内部的水分蒸发，再将水蒸气冷凝收集，例如使蒸汽通过冷凝管冷凝成液滴流入烧杯内，得到干净的水即实现油水分离。

本发明利用水和油滴浸润性的不同，将太阳能蒸腾技术与油水分离技术相结合，在太阳光照射下实现对水和油的分离，在保证节能环保的同时，拥有较高的分离效率。

实施例2

本实施例提供一种太阳能蒸汽发生装置的制备方法，包括如下步骤：

1)采用厚度为1.5cm的巴尔沙木块为木材原料，经去离子水煮沸清洗晾干；

2)将步骤1)的木材原料放置在浓度为7％的聚乙烯醇水溶液中，反复抽滤直到聚乙烯醇水溶液填充至木材内部孔隙中，经液氮低温冷冻后移入真空冷冻干燥机内冷冻干燥48h，得到木材底座，采用sem电镜扫描其微观结构；

3)将步骤2)获得的木材底座在与生长方向垂直，用于接受太阳光照射的上表面上涂覆碳纳米管，厚度约100μm，得到太阳能蒸汽发生装置。

图3为步骤2)中聚乙烯醇多孔高分子材料填充在巴尔沙木孔隙中的sem扫描电镜图，如图3所示，巴尔沙木的孔隙中填满了多孔聚乙烯醇。具体地，对步骤2)填充多孔聚乙烯醇的木材底座和步骤3)得到的蒸汽发生装置的吸光度进行测量比对，得到图4所示结果，结果显示负载碳纳米管后，填充聚乙烯醇的木材底座对光的吸收率明显提高，吸收率>91％。

实验例1

本实验例使用实施例2所制备的太阳能蒸汽发生装置进行微米级油水乳液分离测试，具体步骤如下：

1)用细胞破碎机分别配制油含量为1％的硅油、大豆油、十六烷、正癸烷和正辛烷的稳定水包油型油水乳液，油水乳液中油滴的粒径为微米级别，用显微镜可观察到油滴粒径为1～40μm。

2)在各个油水乳液上分别放置太阳能蒸汽发生装置，在同一太阳光照射条件下，装置表面产生大量水蒸汽，收集水蒸气冷凝后的液滴得到各油水分离产物。

3)用有机碳含量分析仪检测步骤1)的油水乳液和步骤2)的油水分离产物的有机碳含量，来计算油水分离效率。

结果如图5所示，纵坐标toc为水体中溶解性和悬浮性有机物含碳总量，和分离之前相比，硅油、大豆油、十六烷、正癸烷和正辛烷水包油型油水乳液的分离效率>99.7％，都具有较高的分离效率。

实验例2

本实验例使用实施例2所制备的太阳能蒸汽发生装置进行纳米级油水乳液分离测试，具体步骤如下：

1)用细胞破碎机分别配制油含量为1％的硅油、大豆油、十六烷、正癸烷和正辛烷的稳定水包油型油水乳液，油水乳液中油滴的粒径为纳米级别，油滴粒径均<1μm。

2)在各个油水乳液上分别放置太阳能蒸汽发生装置，在同一太阳光照射条件下，装置表面产生大量水蒸汽，收集水蒸气冷凝后的液滴得到各油水分离产物。

3)用有机碳含量分析仪检测步骤1)油水乳液和步骤2)油水分离产物的有机碳含量，来计算油水分离效率。

图6为本实验例使用纳米粒度分析仪分析硅油油滴的粒度分布图，如图5所示，硅油油滴的粒径为100～800nm。

图7为本实施例中硅油纳米乳液的分离效率图，如图6所示，硅油纳米乳液产物的toc含量为13.688±2.1mg/l，分离效率为99.8474±1.95％。

图8为本实施例大豆油、十六烷、正癸烷和正辛烷油水乳液的油水分离效率检测结果条形图，如图8所示，大豆油、十六烷、正癸烷和正辛烷水包油型油水乳液的分离效率>99.7％，都具有较高的分离效率。

实验例3

本实验例使用实施例2所制备的太阳能蒸汽发生装置进行海水配制的大豆油纳米乳液分离测试；

1)用细胞破碎机配制油含量为1％的大豆油水包油型油水乳液，所述油水乳液用海水配制，油水乳液中油滴的粒径为纳米级别，油滴粒径<700nm。

2)将太阳能蒸汽发生装置浮于油水乳液上，在太阳光照下，装置表面产生大量水蒸汽，收集水蒸气冷凝后的液滴得到油水分离产物。

3)用质谱和有机碳含量分析仪检测步骤1)的油水乳液和步骤2)所述油水分离产物的钠、钾、镁、钙离子浓度和有机碳含量，来计算海水中油水乳液的分离效率。

结果如图9所示，海水配制的大豆油纳米油水乳液的分离效率为99.85±0.12％，具有较高的分离效率，同时实施例2所述的太阳能蒸汽发生装置对海水淡化的效果也非常明显。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。