一种太阳能蒸馏装置及其制备方法

一种太阳能蒸馏装置及其制备方法
【专利摘要】一种太阳能蒸馏装置，用于制备蒸馏水，包括上表面结构、下表面结构、原水入水口、蒸馏水出水口和污水出水口，上表面结构和下表面结构围成封闭收容腔，上表面结构涂覆亲水涂层，下表面结构涂覆憎水涂层，污水由原水入水口流入，日光透过上表面结构照射，收容腔中的水蒸发至亲水涂层，形成水膜后由蒸馏水出水口流出，污水层由下表面结构的憎水涂层吸收，并顺着污水出水口流出。针对上表面结雾结水珠问题，对上表面结构亲水处理，采用了超亲水涂层技术，有效降低附着于其上的水膜的接触角，使阳光可顺利地通过，提高蒸发效率；对下表面结构憎水处理，增大了水的接触角，减少了水垢的形成堆积，使得太阳能蒸馏装置可以持续高效地蒸馏工作。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种太阳能产品，尤其是指一种太阳能蒸馏装置及其制备方法。 一种太阳能蒸馏装置及其制备方法

【背景技术】
[0002] 目前中国和许多发展中国面临水资源匮乏现象，严重威胁到中国的可持续发展和 人民的身体健康。二十年来经济腾飞的代价就是全国范围内的水，空气，土壤的严重污染， 表现在水和土壤中的农药杀虫剂残留，重金屈残留严重超标（仅仅湖南一个省份的重金屈 超标的农田就占了全省可耕地的三分之一），空气中PM2. 5超过联合国安全指标几十倍甚 至上百倍。全国范围内出现了癌症村，而且出现了癌症人群年轻化趋势。人均寿命据联合 国估计将短于正常预期寿命5-8年。在所有进入人体的污染物中，饮用水是最大的污染来 源。大部分的癌症村的病因就是来自当地被污染的水。如何把饮用水中的污染物质除去成 为现在热门的研发和产品开发方向。各种水质净化技术中，以离子交换，活性炭吸附，反向 渗透为主要技术趋势。这些技术的通病是成本过高，无论是离子交换的树脂，还是吸附用的 活性炭，还是反向渗透用的膜材料，都是昂贵的耗材。用户不得不重复购买补充这些净化材 料以持续实现净化的效果。根据估算，以中国的劣质水质的平均净化成本而言，每一个三口 之家每年需要花费1100元人民币购买净化材料。这对于水质污染大而且没有集中自来水 处理技术的偏远农村来说是一笔相当可观的开支。如何让生活在水质重污染区的民众喝上 干净，廉价的饮用水成为困扰中国各地政府的一大难题。
[0003] 太阳能净化水技术基本上分为两种，一种是先把太阳能转换成电能，然后通过反 向渗透装置进行分子级别的过滤和纯化。另外一种是直接利用太阳能的热能，把水蒸发冷 凝，然后接收冷凝下来的蒸馏水。后一种方法接近自然界的降雨过程，太阳把水体的水分部 分蒸发，然后再在高空冷凝降落下来。从效率而言，费效比而言，后一种方法更加节能更加 有效率。然而，用太阳能蒸发冷凝的过程依然存在几个技术难点，首先是作为冷凝的上表面 经常容易出现水珠密布，水珠有着对入射光线强烈的散射折射现象，严重影响了光线的透 入上表面，大大减少了阳光到达吸收层的强度。其次，如果用的原料水（进入过滤装置的原 水，一股是污染的，例如含有重金屈或者盐碱的）含有较多的二价金屈离子，容易出现水垢 积累。随着时间的推移，水垢的形成会严重降低吸热层的吸热效率。


【发明内容】

[0004] 为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供了一种能够高效、经济、环保地提 取蒸馏水的太阳能蒸馏装置，通过对蒸馏装置的上下表面结构进行亲水和憎水处理，来提 高蒸馏的效率，减少水垢的形成，有效解决了上表面结雾，下表面结垢的现象。
[0005] 本发明提供了一种太阳能蒸馏装置，其用于制备蒸馏水，其包括上表面结构、下表 面结构、原水入水口、蒸馏水出水口和污水出水口，所述上表面结构和下表面结构围成封闭 收容腔，其中，所述上表面结构上涂覆有亲水涂层，所述下表面结构上涂覆有憎水涂层，污 水由原水入水口流入，日光透过上表面结构照射，收容腔中的水蒸发至上表面结构上的亲 水涂层，形成水膜后由蒸馏水出水口流出，污水层由下表面结构的憎水涂层吸收，并顺着污 水出水口流出。
[0006] 其中，所述亲水涂层包括基材和亲水涂层，所述下表面结构包括基材和憎水涂层。 所述亲水涂层中含有二氧化钛和/或二氧化硅，所述基材可选用聚碳酸酯、玻璃、聚丙烯酸 酯、聚丙烯、硅橡胶、硅酮、硅烷聚合物、聚丙烯酸甲酯、环氧树脂中任选一种。所述憎水涂 层由有机硅化合物、硅烷、硅酮、有机含氟化合物、聚二氟乙烯、聚四氟乙烯、氟橡胶、含氟硅 烷、聚环氧乙烷中任选一种。
[0007] 优选地，在基材的表面亦可以增设高透光性的保护膜，在基材和亲水涂层之间可 增设过渡层；
[0008] 优选地，在下表面结构中，还进一步包括吸热层，其设于憎水涂层和基材之间，用 于提商下表面结构的吸热效率。
[0009] 优选地，在下表面结构中，还进一步包括透水纤维层，其贴附于憎水涂层之上，用 于导引水的铺展和流动。
[0010] 本发明还提供了一种用于制备太阳能蒸馏装置的方法，其包括以下步骤：
[0011] 步骤1)制备带有亲水涂层的上表面结构：
[0012] 步骤11)在上表面结构的基材内表面进行亲水处理；
[0013] 步骤12)亲水处理完后，在基材内表面涂覆一层偏酸性pH为3-6,含重量比仁6% 的部分水解的四乙氧基硅烷的乙醇溶液，在100-150度下烘干两小时，形成保护层，用于保 护聚碳酸酯，且可防止被亲水涂层中的二氧化钛在光催化下分解；
[0014] 步骤13)制备二氧化钛的纳米溶液，将四异丙醇钛酸酯，过氧化氢和水按照20 : 80 :200的体积比例混合在一起，pH值调节到7,整个混合溶液回馏15个小时，得到二氧化 钛的锐钛矿晶型纳米分散溶液，把已经涂覆有四乙氧基硅烷的基材在二氧化钛溶液里反复 浸泡法做涂覆，每次浸泡2-5秒种之后，取出在80-100度下烘干30分钟，反复2-4次，形成 带亲水涂层的上表面结构；
[0015] 步骤2)制备带有憎水涂层的下表面结构：
[0016] 步骤21)制备憎水试剂，将三甲氧基甲基硅烷，1，2 -二乙氧硅酯基乙烷，乙醇， 水，按照5 :2 :180 :13的体积比例均匀混合，pH值2-3,在60摄氏度活化3个小时；
[0017] 步骤22)然后，吸热材料板在憎水试剂里通过浸泡一取出一烘干，反复两次，烘干 温度在100-150摄氏度，形成带憎水涂层的下表面结构；
[0018] 步骤3)将上表面结构和下表面结构围成收容腔，构成所述太阳能蒸馏装置。
[0019] 与现有技术相比，本发明太阳能蒸馏装置，针对上表面结雾结水珠问题，对蒸馏装 置的上表面结构进行亲水处理，采用了超亲水涂层技术，在基材的内表面层形成含有纳米 级二氧化钛或二氧化硅的亲水涂层，在作为冷凝层的上表面引入了基于纳米二氧化钛的自 清洁涂层技术，以有效降低附着于其上的水膜的接触角，使得阳光可以顺利地通过，减少散 射损失，提高蒸发效率；并且，对蒸馏装置的下表面结构进行憎水处理，增大了水的接触角， 减少了水垢的形成堆积，使得本发明的太阳能蒸馏装置可以持续高效地蒸馏工作。

【专利附图】

【附图说明】
[0020] 图1为本发明一种太阳能蒸馏装置的结构示意图一；
[0021] 图2为本发明一种太阳能蒸馏装置的上表面结构的实施例一的剖视图；
[0022] 图3为本发明一种太阳能蒸馏装置的上表面结构的实施例二的剖视图；
[0023] 图4为本发明一种太阳能蒸馏装置的上表面结构的实施例三的剖视图；
[0024] 图5为本发明一种太阳能蒸馏装置的下表面结构的实施例一的剖视图；
[0025] 图6为本发明一种太阳能蒸馏装置的下表面结构的实施例二的剖视图；
[0026] 图7为本发明一种太阳能蒸馏装置的下表面结构的实施例三的剖视图；
[0027] 图8为本发明一种太阳能蒸馏装置的下表面结构的实施例四的剖视图；
[0028] 图9为本发明一种太阳能蒸馏装置的结构示意图二。

【具体实施方式】
[0029] 参照图1所示，为了提高蒸馏水的产率，减少吸热层的结垢问题，本发明提供了一 种太阳能蒸馏装置，其用于制备蒸馏水，其包括上表面结构1、下表面结构2、原水入水口 3、 蒸馏水出水口 4和污水出水口 5,所述上表面结构1和下表面结构2围成封闭收容腔6,其 中，所述上表面结构1上涂覆有亲水涂层，所述下表面结构2上涂覆有憎水涂层，污水由原 水入水口 3流入，日光透过上表面结构1照射，收容腔6中的水蒸发至上表面结构1上的亲 水涂层，形成水膜后由蒸馏水出水口 4流出，污水层由下表面结构2的憎水涂层吸收，并顺 着污水出水口 5流出。
[0030] 所述太阳能蒸馏装置呈平板盒状结构，倾斜放置，使得蒸馏水和污水能分别由倾 斜的下表面结构导入蒸馏水出水口 4和污水出水口 5,提高蒸馏水收集的效率。上表面结构 1和下表面结构2的厚度约为3mm。参照图2所不，在上表面结构的实施例一中，上表面结 构1的结构从外到里依次为基材101和亲水涂层102,所述亲水涂层102均匀地涂覆于基材 101的内表面，用于防止水珠凝结，使得在亲水涂层102上形成透明的水膜，而非水珠，降低 了水膜的接触角，使得阳光可以顺利地通过，减少散射损失。其中，基材101由透明材料制 成，具有能够基本透过红外波段的光能量，且在紫外线照射情况下稳定不分解的特性，其可 选用聚碳酸酯、玻璃、聚丙烯酸酯、聚丙烯、硅橡胶、硅酮、硅烷聚合物、聚丙烯酸甲酯、环氧 树脂等中任选一种，优选聚碳酸酯，其在综合性能上较为出色稳定，另外，玻璃的抗紫外线 能力最强，但强度韧度不足，为候选材料。
[0031] 亲水涂层102中含有二氧化钛和/或二氧化硅，可为二氧化钛或二氧化硅固体颗 粒，优选纳米二氧化钛，其中，所述二氧化钛或二氧化硅的颗粒体积粒径平均值为仁500纳 米，优选地，最倾向适用的颗粒体积粒径分布区间为5-100纳米。二氧化钛的最佳晶型为锐 钛矿。二氧化钛纳米颗粒可以和纳米二氧化硅胶体混合形成水溶液或有机体系的分散胶 体，再涂覆于基材的内表面，所述二氧化钛和二氧化硅的质量干重百分比为1 : 10-10 : 1。 制备上表面结构时，首先将二氧化钛或二氧化硅固体颗粒高速均匀混合，然后适当引入溶 齐IJ，然后喷涂于基材上。水珠在表面的形成是因为表面能较低，一股低于水的表面能，导致 水珠倾向于自我收缩，量化表不为接触角。在上表面结构中，所述基材为表面能较低的有机 材料，在和纳米二氧化钛混合喷涂后，需要经过表面蚀刻处理后才能恢复高表面能状态，优 选地，在有氧气存在的情况下等离子蚀刻，通过氧化气氛的蚀刻能够吧表面有机物羟基化， 从而提高亲水涂层的表面能。一股有机分子容易在上表面吸附造成吸附表面能降低，容易 导致水珠的接触角增加。由于该纳米涂层对有机分子的降解功能，有机分子在该表面能够 及时的被氧化降解成水和二氧化碳，能够及时修复该涂层由增水变为亲水，从而防止水珠 凝结。这样一来，上表面时刻保持这一层透明的水膜而不是水珠，阳光可以顺利通过而不受 散射损失。
[0032] 参照图3所示，在本发明的上表面结构的实施例二中，在基材101的表面亦可以增 设高透光性的保护膜103,如聚酯、聚乙烯或聚丙烯膜，可在长期灰尘积累或风沙侵蚀后更 换，起到保护基材的作用，也保证了基材长期使用的透光性。在本实施中，所述上表面结构 从外至里，依次包括保护膜103、基材层101和亲水涂层102。
[0033] 参照图4所示，在本发明的上表面结构的实施例三中，在基材101和亲水涂层102 之间增设过渡层104,在本实施中，所述上表面结构从外至里，依次包括保护膜103、基材层 101、过渡层104和亲水涂层102。
[0034] 由于普通含有二价金屈的原水容易在蒸发过程中在吸热层表面留下水垢，尤其在 炎热的夏天，水垢更易于形成并堆积，水垢的组成主要是钙镁离子的氢氧化物、碳酸盐、硫 酸盐、磷酸盐等，一旦水垢覆盖于下表面结构的表层，其生产速度会指数上升。为了有效防 止水垢在下表面结构的内表面层形成。参照图5所示，在本发明的下表面结构的实施例一 中，在下表面结构中增设憎水涂层，所述下表面结构2的结构从外到里依次为基材201和憎 水涂层202,所述基材201的材料与上表面结构2的基材101的材料相同，所述憎水涂层202 涂覆于基材201的内表面层，具有表面能低的特性，起到防止污垢形成堆积的作用，水垢不 易在憎水涂层202表面形成，易于清洗。憎水涂层202由有机硅化合物、硅烷、硅酮、有机含 氟化合物、聚二氟乙烯、聚四氟乙烯、氟橡胶、含氟硅烷、聚环氧乙烷中任选一种。所述憎水 涂层202的厚度为仁10000纳米，优选100-10000纳米。喷涂憎水涂层202后，纯净水的接 触角大于45度，优选地接触角大于60%，优选75-120度，使得纯净水的接触角明显增大。
[0035] 参照图6所示，在本发明的下表面结构的实施例二中，在下表面结构中，还进一步 包括吸热层203,其设于憎水涂层202和基材201之间，用于提高下表面结构的吸热效率，吸 收太阳光转化成热能，热能以辐射形式辐射回收容腔中，辐射系数越小越好，应小于60%， 优选小于50 %，最佳的辐射系数小于25 %，所述吸热层203可采用过镀金屈氧化物，如氧化 铬，俗称"黑膜"，或采用以铝合金为基材的钛铝氮氧化物（TiAINO)，掺杂或不掺杂氮化铝均 可，俗称"蓝膜"，吸热层优选为以铝合金为基材的钛铝氮氧化物。所述吸热层203的厚度为 50-5000纳米，优选200-800纳米。为了达到蒸馏水制备产率的要求，吸热层203的光辐射 吸收系数a大于35%，优选大于50%，最佳的光辐射吸收系数a大于75%，在本实施例中， 所述下表面结构从外至里，依次包括基材层201、吸热层203和憎水涂层202。
[0036] 参照图7所示，在本发明的下表面结构的实施例三中，在下表面结构中，还进一步 包括透水纤维层204,其贴附于憎水涂层203之上，用于导引水的铺展和流动，所述透水纤 维层204的厚度为0. 1微米-20毫米，优选为50微米-100微米，空隙率大于30%，优选为 大于50%。所述透水纤维层204选自纤维素、纤维素磺酸酯、黄原酸纤维素、聚酯纤维、晴纶 纤维、聚酰胺纤维、聚亚酰胺纤维、玻璃纤维中任选一种。在本实施例中，所述下表面结构从 外至里，依次包括基材层201、吸热层203、憎水涂层202和透水纤维层204。
[0037] 参照图8所示，在本发明的上表面结构的实施例四中，在下表面结构中，还进一步 包括隔热层205,其设置于吸热层203与基材201之间，用于提高下面吸热层203和上面冷 凝层之间的温度差，所述隔热层205可为玻璃棉、聚酰胺、聚苯乙烯中任选一种。在本实施 例中，所述下表面结构从外至里，依次包括基材层201、隔热层205、吸热层203、憎水涂层 202和透水纤维层204。
[0038] 参照图9所示，在本发明太阳能蒸馏装置的示意图二中，在下表面结构的底部亦 可增设保温层6,所述保温层6有多孔高分子材料制成，对下表面结构保温处理，加快蒸发 效率。
[0039] 在本发明中，在下表面结构的内表面可设置磨砂结构，增加粗糙度，还可设置凹凸 结构，增加蒸发面积。
[0040] 以下详细说明上表面结构和下表面结构的制备方法：
[0041] 一、制备具有亲水涂层的上表面结构：
[0042] 首先，对上表面结构的基材内表面进行亲水处理，选用TANTEC公司的便携式等离 子发生装置，HV-X-PlasmaTEC型号的等离子发生器喷头对基材的聚碳酸酯内表面进行亲水 处理，设置功率为1. 5千瓦，走线速度为每平方米两个小时，亲水处理前，在基材的内表面， 水珠接触角为50度，处理后，形成水膜，接触角下降为25度，使得水珠不易堆积于亲水涂层 上，提高了水冷凝效率。
[0043] 接着，亲水处理完后，在基材内表面涂覆一层偏酸性pH为3-6,含重量比仁6 %的 部分水解的四乙氧基硅烷的乙醇溶液，所述重量比优选2%，在100-150度下烘干两小时， 形成保护层，用于保护聚碳酸酯，且可防止被亲水涂层中的二氧化钛在光催化下分解，同时 可以提高亲水涂层中的二氧化钛的粘附力。
[0044] 其次，制备二氧化钛的纳米溶液。制备方法简要阐述如下：四异丙醇钛酸酯 (TTIP)，过氧化氢（重量比浓度30% )，和水按照20 :80 :200的体积比例混合在一起，pH值 调节到7。然后整个混合溶液回馏15个小时，所得到的溶液就是二氧化钛的锐钛矿晶型纳 米分散溶液。二氧化钛纳米分散胶体制备好以后，把已经涂覆有四乙氧基硅烷的基材在二 氧化钛溶液里反复浸泡法做涂覆，每次浸泡3秒种之后，取出在90度下烘干30分钟，反复3 次，或者直到达到需要的厚度为止。经过3次浸泡烘干后得到的膜的厚度在230纳米左右。
[0045] 二、制备具有憎水涂层的下表面结构：
[0046] 吸热层选用福建新越金屈材料公司的真空镀卷铝太阳能吸热材料。材料的基本特 征是：95%的热吸收率和低于5%的反射率。
[0047] 憎水试剂的制备如下：将三甲氧基甲基硅烷，1，2 -二乙氧硅酯基乙烷（BTSE， bis(triethoxysilane)ethane)，乙醇，水，按照5 :2 :180 :13的体积比例均勻混合，pH值调 节到酸性，大约2-3,在60摄氏度活化3个小时，所得的溶液的有效使用期是24-48小时。 [0048] 然后，吸热材料板在憎水试剂溶液里通过浸泡一取出一烘干，反复两次，烘干温度 在100-150摄氏度，得到的憎水涂层的厚度大约为200纳米。在憎水处理前吸热层材料的 水珠接触角度为45度，憎水处理后为105度。最后，将上表面结构和下表面结构围成收容 腔，构成所述太阳能蒸馏装置。
[0049] 对憎水处理后的吸热层抗结垢性能进行检测：首先，测试抗结垢性能之前，制备模 拟容易结垢的盐碱溶液，模拟在蒸发盐碱溶液的时候产生结垢的现象。模拟盐碱水的构成 是：氯化钠：氯化镁：硫酸钠：氯化钙：水的重量比例是：1 : 0. 2 : 0. 3 : 0. 2 : 98. 3,测试 的条件是：憎水处理后的吸热层卷材的尺寸为三厘米乘以三厘米，放入盛有1000毫升模拟 结垢的浑浊溶液的大烧杯中，在80摄氏度的条件下在加热台上缓慢加热蒸发，直到溶液刻 度降到800毫升为止，蒸发了 200毫升，控制加热蒸发速度，大约整个过程5个小时左右，然 后取出吸热层卷材样品，用清水洗净称重。抗结垢的性能有两方面，一个是目测蓝色的吸热 材料表面的白色沉淀物，一个是物理称重法，看重量的增加：
[0050]

【权利要求】
1. 一种太阳能蒸馏装置，其用于制备蒸馏水，其包括上表面结构、下表面结构、原水入 水口、蒸馏水出水口和污水出水口，所述上表面结构和下表面结构围成封闭收容腔，其特征 在于：所述上表面结构上涂覆有亲水涂层，所述下表面结构上涂覆有憎水涂层，污水由原水 入水口流入，日光透过上表面结构照射，收容腔中的水蒸发至上表面结构上的亲水涂层，形 成水膜后由蒸馏水出水口流出，污水层由下表面结构的憎水涂层吸收，并顺着污水出水口 流出。
2. 根据权利要求1所述的太阳能蒸馏装置，其特征在于：所述亲水涂层包括基材和亲 水涂层。
3. 根据权利要求2所述的太阳能蒸馏装置，其特征在于：所述亲水涂层中含有二氧化 钛和/或二氧化硅，所述基材可选用聚碳酸酯、玻璃、聚丙烯酸酯、聚丙烯、硅橡胶、硅酮、硅 烷聚合物、聚丙烯酸甲酯、环氧树脂中任选一种。
4. 根据权利要求2所述的太阳能蒸馏装置，其特征在于：在基材的表面亦可以增设高 透光性的保护膜。
5. 根据权利要求4所述的太阳能蒸馏装置，其特征在于：在基材和亲水涂层之间增设 过渡层。
6. 根据权利要求1所述的太阳能蒸馏装置，其特征在于：所述下表面结构包括基材和 憎水涂层。
7. 根据权利要求6所述的太阳能蒸馏装置，其特征在于：所述憎水涂层由有机硅化合 物、硅烷、硅酮、有机含氟化合物、聚二氟乙烯、聚四氟乙烯、氟橡胶、含氟硅烷、聚环氧乙烷 中任选一种。
8. 根据权利要求6所述的太阳能蒸馏装置，其特征在于：在下表面结构中，还进一步包 括吸热层，其设于憎水涂层和基材之间，用于提高下表面结构的吸热效率。
9. 根据权利要求8所述的太阳能蒸馏装置，其特征在于：在下表面结构中，还进一步包 括透水纤维层，其贴附于憎水涂层之上，用于导引水的铺展和流动。
10. -种用于制备如权利要求1所述的太阳能蒸馏装置的方法，其特征在于包括以下 步骤： 步骤1)制备带有亲水涂层的上表面结构： 步骤11)在上表面结构的基材内表面进行亲水处理； 步骤12)亲水处理完后，在基材内表面涂覆一层偏酸性pH为3-6,含重量比仁6%的部 分水解的四乙氧基硅烷的乙醇溶液，在100-150度下烘干两小时，形成保护层，用于保护聚 碳酸酯，且可防止被亲水涂层中的二氧化钛在光催化下分解； 步骤13)制备二氧化钛的纳米溶液，将四异丙醇钛酸酯，过氧化氢和水按照20 :80 :200 的体积比例混合在一起，pH值调节到7,整个混合溶液回馏15个小时，得到二氧化钛的锐钛 矿晶型纳米分散溶液，把已经涂覆有四乙氧基硅烷的基材在二氧化钛溶液里反复浸泡法做 涂覆，每次浸泡2-5秒种之后，取出在80-100度下烘干30分钟，反复2-4次，形成带亲水涂 层的上表面结构； 步骤2)制备带有憎水涂层的下表面结构： 步骤21)制备憎水试剂，将三甲氧基甲基硅烷，1，2 -二乙氧硅酯基乙烷，乙醇，水，按 照5 :2 :180 :13的体积比例均匀混合，pH值2-3,在60摄氏度活化3个小时； 步骤22)然后，吸热材料板在憎水试剂里通过浸泡一取出一烘干，反复两次，烘干温度 在100-150摄氏度，形成带憎水涂层的下表面结构； 步骤3)将上表面结构和下表面结构围成收容腔，构成所述太阳能蒸馏装置。
【文档编号】C02F1/14GK104058476SQ201410173867
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2014年4月28日
【发明者】党晓军, 崔骥, 邝葵阳 申请人:党晓军