本发明涉及海水淡化领域，具体涉及一种基于气液界面加热淡化海水的方法。
背景技术：
目前，全球超过1/3的人口生活在水资源短缺地区，并且淡水资源匮乏状况日益严重，已成为全球性的环境问题甚至政治问题。海水淡化被认为是一种最为实用的、能够持续提供淡水来源的有效方法。海水淡化方法按分离过程可分为蒸发法、膜法、结晶法、溶剂萃取法和离子交换法等，实际应用最广泛的主要是蒸发法(蒸馏法)和膜法。
目前，在工程中最为常用的海水淡化方法是多级闪蒸和反渗透法。但是，这两种现行的海水淡化工艺虽已发展成熟，但仍存在电能消耗巨大的缺点。电能的使用不但增加治水成本，而且如果使用煤电的话，还会造成空气污染和温室效应。另外，这两种海水淡化工艺需要建立复杂的运行操作系统，对于海岛、及偏远地区并不适用。为了降低能耗，太阳能、风能、地热能等清洁可再生能源是解决海水淡化动力的良好选择。根据世界太阳能的分布情况，缺水地区拥有更加丰富的太阳能资源，因此太阳能海水淡化成为了水危机以及环境污染困境下解决水资源短缺问题的重要手段之一。
研究表明，水分蒸发只发生在空气和水的界面处，只要加热表层海水即可达到同样的水蒸发效果，并且还能大大节省能源。因此诞生了基于“气液界面”加热的太阳能海水淡化技术。该技术以黑色材料、或贵金属纳米材料为光热转换材料，将光热转换材料通过各种不同的方式漂浮在海水表面，利用黑色材料的高太阳光吸收率、或贵金属纳米材料的表面等离子体加热效应，加热表面海水，然后通过冷凝蒸发水制备淡水。但是，现有的“气液界面”加热技术中当太阳能加热“气液界面”处的海水时，热量会通过下部非蒸发的海水转移，导致热量损失，降低海水淡化效率。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于气液界面加热淡化海水的方法，以碳纳米管-无尘纸-海绵为光热转化材料，充分利用热能，减少热量损失，加速海水蒸馏。
本发明所提供的技术方案为：
一种基于气液界面加热淡化海水的方法，包括如下步骤：
1)将碳纳米管分散在水中超声处理，得到碳纳米管悬浊液；
2)碳纳米管悬浊液于无尘纸上真空抽滤，之后对无尘纸干燥处理，得到负载碳纳米管的无尘纸；
3)海绵吸入待淡化海水后浮于待淡化海水表面，将负载碳纳米管的无尘纸贴于海绵上，得到浮于待淡化海水表面的碳纳米管-无尘纸-海绵，然后进行光照蒸馏待淡化海水。
上述技术方案中采用碳纳米管-无尘纸-海绵为光热转化材料，能够充分利用热能，减少热量损失。其主要原因在于海绵具有多孔性和绝热性，多孔性可利用毛细作用促使下部海水自动流到表面进行加热蒸发，绝热性是防止碳纳米管吸光转换的热量通过热传导转移到下水体非蒸发部分，即对产生的热量进行储存，用来集中加热“气-水界面”上的水分子，充分利用热能，减少热量损失。
此外，碳纳米管颗粒较大，无法浮于海水表面，而无尘纸具有多孔性利用毛细作用加强吸水，但是同样也无法浮于海水表面，因此采用碳纳米管-无尘纸-海绵这种特殊的结构，使得光热转化材料能够浮于海水表面，实现“气液界面”加热。
作为优选，所述步骤1)中超声处理的功率为600-700w，时间为30-60min。该条件下能够使得碳纳米管均匀分散，避免在无尘纸上负载时不均匀，同时也不会过度地破坏碳纳米管的微观形貌。
作为优选，所述步骤1)中碳纳米管与水的投料比为5-30mg:40ml。进一步优选为5-15mg:40ml，通过控制碳纳米管的用量，避免因碳纳米管的用量过多导致其在无尘纸表面的厚度增加，阻碍水蒸汽的蒸发，使水蒸发速率有所下降。
作为优选，所述步骤2)中真空抽滤的真空度为-0.015至-0.02mpa。
作为优选，所述步骤2)中无尘纸选用直径为3-5cm圆形无尘纸。采用无尘纸作为碳纳米管的直接载体，无尘纸的毛细作用促使水自动流到表面进行加热蒸发，加快蒸发速率。
作为优选，所述步骤3)中海绵与无尘纸相互接触的面形状相同。
作为优选，所述步骤3)中海绵选用圆柱体聚氨酯海绵。
作为优选，所述步骤3)中采用氙灯进行光照，光照距离为6.5-8.5cm，光照强度为0.8-6kw/m2。其中，光照距离是指氙灯与碳纳米管-无尘纸-海绵的距离。
同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明以碳纳米管-无尘纸-海绵为光热转化材料，充分利用热能，减少热量损失，加速海水蒸馏。
(2)本发明采用碳纳米管-无尘纸-海绵这种特殊的结构，使得光热转化材料能够浮于海水表面，实现“气液界面”加热。
附图说明
图1为实施例1中超声处理前的碳纳米管的扫描电镜图；
图2为实施例1中超声处理后的碳纳米管的扫描电镜图；
图3为蒸发水的质量随时间变化曲线；
图4为不同碳纳米管用量对蒸发水效率的影响曲线；
图5为不同光强对加速海水蒸发的影响曲线。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
(1)将10mg颗粒状碳纳米管加入到装有40ml人工海水的100ml烧杯中，于biosafer650-92超声波细胞粉碎机中超声破碎得到碳纳米管悬浊液，超声波细胞粉碎机主要参数为：超声功率650w，超声功率精度75％，变幅杆(mm)
(2)将碳纳米管悬浊液于直径4cm圆形无尘纸上真空(真空度为-0.015至-0.02mpa)抽滤，无尘纸室温干燥24h。
(3)将干燥好的有10mg碳纳米管附着的无尘纸贴于浸满水的圆柱体聚氨酯海绵表面(底面直径4cm，厚度2cm)，将该碳纳米管-无尘纸-海绵组合漂浮于装有人工海水的50ml烧杯(直径4cm)水面上，烧杯放在电子天平上，该组合表面距离光源7.5cm且组合表面光照强度为0.8kw/m2，光源垂直照射该组合表面和水体表面。照射2h，并记录由于照射过程中水蒸发产生的质量变化。环境温度25℃，湿度40％，人工海水温度25℃。
对比例1
将装有人工海水的50ml烧杯(直径4cm)放在电子天平上，水体表面距离光源7.5cm(此位置水体表面光照强度为0.8kw/m2)，光源垂直照射水体表面。照射2h，并记录由于照射过程中水蒸发产生的质量变化。环境温度25℃，湿度40％，人工海水初始温度温度25℃。
对比例2
将没有碳纳米管附着的无尘纸贴于浸满水的圆柱体聚氨酯海绵表面(底面直径4cm，厚度2cm)，将该海绵-无尘纸组合漂浮于装有人工海水的50ml烧杯(直径4cm)水面上，烧杯放在电子天平上，该组合表面距离光源7.5cm且组合表面光照强度为0.8kw/m2，光源垂直照射该组合表面和水体表面。照射2h，并记录由于照射过程中水蒸发产生的质量变化。环境温度25℃，湿度40％，人工海水温度25℃。
性能测试1
分别对实施例1、对比例1和对比例2中蒸发水的质量随时间变化进行比较，如图3可知，在氙灯下照射2h时，纯水、纯水表面漂浮着海绵-无尘纸组合以及纯水表面漂浮着海绵+无尘纸+10mg碳纳米管组合水蒸发质量分别是1.180g、1.400g和2.946g，即0.940kgm-2、1.114kgm-2、2.346kgm-2，水蒸发速率分别为0.470kgm-2h-1、0.557kgm-2h-1和1.173kgm-2h-1。从蒸发速率可以看出当只有海绵+无尘纸时能够促进水的蒸发，但当加入光热转换材料碳纳米管水蒸发速率提高较多，可以达到纯水蒸发速率的2.5倍。
实施例2～6
(1)分别将5、7.5、10、15、20mg颗粒状碳纳米管加入到5个装有40ml人工海水的100ml烧杯中，于biosafer650-92超声波细胞粉碎机中超声破碎得到碳纳米管悬浊液，超声波细胞粉碎机主要参数为：超声功率650w，超声功率精度75％，变幅杆(mm)
(2)将碳纳米管悬浊液于直径4cm圆形无尘纸上真空(真空度为-0.015至-0.02mpa)抽滤，无尘纸室温干燥24h。
(3)将干燥好的有碳纳米管附着的无尘纸贴于浸满水的圆柱体聚氨酯海绵表面(底面直径4cm，厚度2cm)，将该海绵-无尘纸-碳纳米管组合漂浮于装有人工海水的50ml烧杯(直径4cm)水面上，烧杯放在电子天平上，该组合表面距离光源7.5cm且组合表面光照强度为0.8kw/m2，光源垂直照射该组合表面和水体表面。照射2h，并记录由于照射过程中水蒸发产生的质量变化。环境温度25℃，湿度40％，人工海水温度25℃。
性能测试2
分别对实施例2～6中蒸发水的质量变化进行比较，如图4可知，在氙灯下照射2h时，纯水表面漂浮着海绵+无尘纸+5mg碳纳米管组合、纯水表面漂浮着海绵+无尘纸+7.5mg碳纳米管组合、纯水表面漂浮着海绵+无尘纸+10mg碳纳米管组合、纯水表面漂浮着海绵+无尘纸+15mg碳纳米管组合和纯水表面漂浮着海绵+无尘纸+20mg碳纳米管组合水蒸发质量分别是2.843g、2.877g、2.946g、2.688g和2.579g，水蒸发速率分别为1.131kgm-2h-1、1.145kgm-2h-1、1.173kgm-2h-1、1.07kgm-2h-1和1.027kgm-2h-1，分别是纯水蒸发速率的2.41、2.44、2.50、2.28和2.185倍，由此可以得到当随着碳纳米管含量的增加水蒸发速率先有一定的提升后又出现下降，这可能是碳纳米管含量的增加能够将更多的光能转化为热量，随后碳纳米管含量过多导致太厚阻碍了水蒸汽挥发逸出从而使水蒸发速率出现下降，当碳纳米管含量为10mg左右效果最佳。
实施例7
(1)将10mg颗粒状碳纳米管加入到装有40ml人工海水的100ml烧杯中，于biosafer650-92超声波细胞粉碎机中超声破碎得到碳纳米管悬浊液，超声波细胞粉碎机主要参数为：超声功率650w，超声功率精度75％，变幅杆(mm)
(2)将碳纳米管悬浊液于直径4cm圆形无尘纸上真空(真空度为-0.015至-0.02mpa)抽滤，无尘纸室温干燥24h；
(3)将干燥好的有10mg碳纳米管附着的无尘纸贴于浸满水的圆柱体聚氨酯海绵表面(底面直径4cm，厚度2cm)，将该海绵-无尘纸-碳纳米管组合漂浮于装有人工海水的50ml烧杯(直径4cm)水面上，烧杯放在电子天平上，该组合表面距离光源7.5cm且组合表面光照强度为6kw/m2，光源垂直照射该组合表面和水体表面。照射2h，并记录由于照射过程中水蒸发产生的质量变化。环境温度25℃，湿度40％，人工海水温度25℃。
对比例3
将装有人工海水的50ml烧杯(直径4cm)放在电子天平上，水体表面距离光源7.5cm且水体表面光照强度为6kw/m2，光源垂直照射水体表面。照射2h，并记录由于照射过程中水蒸发产生的质量变化。环境温度25℃，湿度40％，人工海水温度25℃。
性能测试3
分别对实施例1和7，对比例1和3中蒸发水的质量变化进行比较，如图5可知，在氙灯下照射2h时，纯水(对比例3)、以及纯水表面漂浮着海绵+无尘纸+10mg碳纳米管组合(实施例7)水蒸发质量分别是3.46g和12.41g，水蒸发速率分别为1.377kgm-2h-1和4.940kgm-2h-1。从蒸发速率可以看出当海绵+无尘纸+10mg碳纳米管能够促明显进水蒸发速率，可以达到纯水蒸发速率的3.59倍与实施例1相比蒸发速率有了更大提升，说明光强越大，该组合越能发挥其加快水蒸发的能力。