本发明涉及功能材料应用技术领域，特别涉及一种基于光热转换材料利用太阳能进行污水净化的装置。
背景技术：
随着经济的发展和人口的增长加剧了水体的污染，从而造成严重的水资源短缺。污水包括工业废水、生活污水、商业污水和表面径流，因其成分复杂，污染物种类多，例如：颗粒物质、重金属、有毒有机物、细菌、病原体等，实现高效的污水净化得到清洁水比较困难。
太阳能是一种绿色、清洁、可再生能源，基于光热转换材料将吸收的太阳能有效的转换成热能，进一步加热水，收集蒸汽从而达到净化污水的目的，是一种环境友好型获取清洁水的方式。光热转换材料包括炭黑、碳纳米管、纳米金颗粒或石墨烯，可以用于高效的太阳能水蒸发进行污水净化，然而目前没有一种简单一体化的装置可以实现污水中各种污染物的净化。
技术实现要素：
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种基于光热转换材料利用太阳能进行污水净化的装置，该装置结合过滤和太阳能水蒸发技术，实现对各类污水的处理。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于光热转换材料利用太阳能进行污水净化的装置，包括：水收集槽，用于收集冷凝后的清洁水；过滤容器，所述过滤容器的上端开口，以作为进水口，且所述过滤容器的下端密封，所述过滤容器的过滤层设置于所述过滤容器的中部，以过滤污水中粒径在100微米以上的颗粒物质；吸水材料、隔热泡沫材料和光热转换材料，所述吸水材料插入所述隔热泡沫材料中，并通过毛细作用将水引到所述光热转换材料中，所述光热转换材料平放于所述隔热泡沫材料上表面；外置石英容器和内置容器，所述外置石英容器和所述内置容器通过双通导管与所述过滤容器连通，所述外置石英容器的顶部为锥形，以通过太阳光水蒸发产生的水蒸气在所述外置石英容器的顶部冷凝成水滴，从而冷凝之后的清洁水顺着所述外置容器的内壁流入所述水收集槽，并且所述内置容器固定内置所述吸水材料、隔热泡沫材料和光热转换材料，且所述内置容器的上端开口，所述内置容器的下端密封，并固定在所述外置石英容器底部。
本发明实施例的基于光热转换材料利用太阳能进行污水净化的装置，结合太阳能光热转换材料的优异性质，达到高效的太阳能水蒸发进行污水处理，生产不含有颗粒物质、离子、重金属、有机物、细菌等的清洁水，从而结合过滤和太阳能水蒸发技术，实现对各类污水的处理。
另外，根据本发明上述实施例的基于光热转换材料利用太阳能进行污水净化的装置还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：出水口，所述出水口与所述水收集槽连通。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述外置石英容器为石英材质，以保证不低于98％太阳光透过率。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述外置石英容器为石英材质，以保证不低于98％太阳光透过率。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述过滤层为滤纸、混合纤维素膜、聚四氟乙烯膜和尼龙膜。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述吸水材料为棉棒、滤纸、棉布或亲水海绵。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述光热转换材料为炭黑、碳纳米管膜、碳纳米管泡沫、纳米金颗粒、石墨烯泡沫、石墨烯膜、黑色二氧化钛、三氧化二钛、二硫化钼、石墨烯/碳纳米管复合材料或石墨烯/纳米金颗粒复合材料。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述隔热泡沫为聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚四氟乙烯。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的基于光热转换材料利用太阳能进行污水净化的装置的结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的基于光热转换材料利用太阳能进行污水净化的装置的立体结构示意图；
图3为根据本发明一个实施例的1kw·m-2下的太阳光照射下水蒸发速率曲线图；
图4为根据本发明一个实施例的对3种酸碱性污水处理前后离子浓度变化曲线图；
图5为根据本发明一个实施例的对3种制药行业废水处理前后电导率变化曲线图；
图6为根据本发明一个实施例的对含有有机物污水处理前后溶液的紫外-可见光吸收光谱图；
图7为根据本发明一个实施例的对含有重金属离子污水处理前后离子浓度变化曲线图；
图8为根据本发明一个实施例的对海水淡化前后海水中主要五种离子浓度变化曲线图。
附图标记说明：
基于光热转换材料利用太阳能进行污水净化的装置100、水收集槽1、过滤容器2、吸水材料3、隔热泡沫材料4、光热转换材料5、外置石英容器6和内置容器7、进水口8、过滤层9、双通导管10和出水口11。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于光热转换材料利用太阳能进行污水净化的装置。
图1是本发明一个实施例的基于光热转换材料利用太阳能进行污水净化的装置的结构示意图。
如图1所示，该基于光热转换材料利用太阳能进行污水净化的装置100包括：水收集槽1、过滤容器2、吸水材料3、隔热泡沫材料4、光热转换材料5、外置石英容器6和内置容器7。
其中，水收集槽1用于收集冷凝后的清洁水。过滤容器2的上端开口，以作为进水口8，且过滤容器2的下端密封，过滤容器2的过滤层9设置于过滤容器2的中部，以过滤污水中粒径在100微米以上的颗粒物质。吸水材料3插入隔热泡沫材料4中，并通过毛细作用将水引到光热转换材料5中，光热转换材料5平放于隔热泡沫材料4上表面。外置石英容器6和内置容器7通过双通导管10与过滤容器2连通，外置石英容器6的顶部为锥形，以通过太阳光水蒸发产生的水蒸气在外置石英容器6的顶部冷凝成水滴，从而冷凝之后的清洁水顺着外置容器6的内壁流入水收集槽，并且内置容器7固定内置吸水材料3、隔热泡沫材料4和光热转换材料5，且内置容器7的上端开口，内置容器7的下端密封，并固定在外置石英容器6底部。本发明实施例的装置100结合过滤和太阳能水蒸发技术，实现对各类污水的处理。
进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的装置100还包括：出水口11。其中，出水口11与水收集槽1连通。
具体而言，如图1和图2所示，本发明实施例的装置100包括：水收集槽1、过滤容器2、吸水材料3、隔热泡沫材料4、光热转换材料5、外置石英容器6、内置容器7、进水口8、过滤层9、双通导管10和出水口11。过滤层9置于过滤容器2之中，过滤容器2、外置石英容器6和内置容器7三者通过双通导管10连通并固定在一起。外置石英容器6与内置容器7之间形成水收集槽1，用于收集太阳能水蒸发冷凝之后的清洁水。吸水材料3、隔热泡沫材料4和光热转换材料5相对固定，并都置于内置容器7中。出水口11和水收集槽1连通，将收集的清洁水通过出水口排出使用。
进一步地，在本发明的一个实施例中，外置石英容器6为石英材质，以保证不低于98％太阳光透过率。
进一步地，在本发明的一个实施例中，过滤容器2、内置容器7和双通导管材质10可以为普通玻璃、石英玻璃、铁、陶瓷、聚四氟乙烯和亚克力板。
进一步地，在本发明的一个实施例中，过滤层9可以为滤纸、混合纤维素膜、聚四氟乙烯膜和尼龙膜。
进一步地，在本发明的一个实施例中，吸水材料3可以为棉棒、滤纸、棉布或亲水海绵。
进一步地，在本发明的一个实施例中，光热转换材料5可以为炭黑、碳纳米管膜、碳纳米管泡沫、纳米金颗粒、石墨烯泡沫、石墨烯膜、黑色二氧化钛、三氧化二钛、二硫化钼、石墨烯/碳纳米管复合材料或石墨烯/纳米金颗粒复合材料。
进一步地，在本发明的一个实施例中，隔热泡沫4可以为聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚四氟乙烯。
具体而言，如图1和图2所示，过滤容器2为上端开口，下端密封；过滤层9至于过滤容器2中部，用于污水中大部分粒径在100微米以上的颗粒物质过滤；双通导管10连通过滤容器2、外置石英容器6和内置容器7；外置容器7可以为石英材质，保证不低于98％太阳光透过率，顶部为锥形，通过太阳光水蒸发产生的水蒸气在外置容器7锥形顶部冷凝成水滴，冷凝之后的清洁水顺着外置容器7内壁流入水收集槽1；的吸水材料3插入隔热泡沫材料4中，通过毛细作用将水引到光热转换材料5中，光热转换材料5平放于隔热泡沫材料4上表面，吸水材料3、隔热泡沫4和光热转换材料5三者一体化固定于内置容器7中；的内置容器7上端开口，下端密封，固定在外置石英容器6底部，并与外置石英容器6构成水收集槽1；水收集槽1用于收集冷凝后的清洁水。
下面将以具体实施例的方式对本发明实施例进行进一步的说明。
在本发明的第一个具体实施例中，具体如下：
(1)将滤纸作为过滤层9置于过滤容器2中，将石墨烯泡沫材料作为光热转换材料置5于聚苯乙烯隔热泡沫上，吸水材料棉棒插入聚苯乙烯隔热泡沫中，将水引到石墨烯泡沫表面。
(2)将安装好的基于石墨烯泡沫为光热转换材料用于污水净化的装置进行太阳能水清洁性能测试，在一个太阳光强度(采用太阳光模拟器)下，该装置中水的蒸发速率为1.70kgm-2h-1，如图3所示，在一个太阳光强度下，1h利用1m2的石墨烯泡沫可在水收集槽里收集1.70kg的冷凝清洁水。
(3)将安装好的基于石墨烯泡沫为光热转换材料用于污水净化的装置进行太阳能酸碱性污水净化。将三种酸碱性污水经过进水口8进入滤纸，通过滤纸的预处理去除大颗粒物质。预处理之后的水通过双通导管10进入内置容器7中。吸水棉棒将酸碱性污水引到石墨烯泡沫表面。在一个太阳光强度下，酸碱性污水的水蒸发速率为1.72kgm-2h-1，即在一个太阳光强度下，1h利用1m2的石墨烯泡沫对酸碱性污水进行太阳能水清洁处理，可在水收集槽里收集1.72kg的冷凝清洁水。净化前后三种酸碱性溶液相应的ph从4.74、12.9和7.3分别变为6.99、7.02和7.05(如图4所示，其中原始表示净化之前的酸碱性污水)。太阳能水净化之后三种酸碱性溶液ph都接近于中性水，离子去除率高达99％。
在本发明的第二个具体实施例中，具体如下：
(1)将混合纤维素膜作为过滤层9置于过滤容器2中，将碳纳米管膜材料作为光热转换材料5置于聚四氟乙烯隔热泡沫上，吸水材料棉布插入聚四氟乙烯隔热泡沫中，将水引到碳纳米管膜表面。
(2)将安装好的基于碳纳米管膜为光热转换材料用于污水净化的装置进行太阳能水清洁性能测试，在一个太阳光强度(采用太阳光模拟器)下，该装置中水的蒸发速率为1.78kgm-2h-1，在一个太阳光强度下，1h利用1m2的碳纳米管膜可在水收集槽里收集1.78kg的冷凝清洁水。
(3)将安装好的基于碳纳米管膜为光热转换材料用于污水净化的装置进行太阳能制药行业污水净化。将三种制药行业污水经过进水口8进入混合纤维素膜，通过混合纤维素膜的预处理去除大颗粒物质。预处理之后的水通过双通导管10进入内置容器7中。吸水棉布将制药行业污水引到纳米管膜表面。在一个太阳光强度下，制药行业污水的水蒸发速率为1.75kgm-2h-1，即在一个太阳光强度下，1h利用1m2的碳纳米管膜对制药行业污水进行太阳能水清洁处理，可在水收集槽里收集1.75kg的冷凝清洁水。净化前后三种制药行业溶液的相应的电导率从3410μscm-1、124300μscm-1和31800μscm-1分别降到310μscm-1、285μscm-1和283μscm-1(如图5所示，其中原始表示净化之前的制药行业污水)，净化之后水的电导率在国家规定的生活饮用水卫生标准(gb5749-2006)范围内。
在本发明的第三个具体实施例中，具体如下：
(1)将聚四氟乙烯膜作为过滤层9置于过滤容器2中，将石墨烯膜材料作为光热转换材料5置于聚苯乙烯隔热泡沫上，吸水材料亲水滤纸插入聚苯乙烯隔热泡沫中，将水引到石墨烯膜表面。
(2)将安装好的基于石墨烯膜为光热转换材料用于污水净化的装置进行太阳能水清洁性能测试，在一个太阳光强度(采用太阳光模拟器)下，该装置中水的蒸发速率为1.72kgm-2h-1，在一个太阳光强度下，1h利用1m2的石墨烯膜可在水收集槽里收集1.72kg的冷凝清洁水。
(3)将安装好的基于石墨烯膜为光热转换材料用于污水净化的装置进行太阳能含有有机物的污水净化。将含有有机物的污水经过进水口8进入聚四氟乙烯膜，通过聚四氟乙烯膜的预处理去除大颗粒物质。预处理之后的水通过双通导管10进入内置容器7中。吸水滤纸将含有有机物污水引到石墨烯膜表面。在一个太阳光强度下，含有有机物污水的水蒸发速率为1.68kgm-2h-1，即在一个太阳光强度下，1h利用1m2的石墨烯膜对含有有机物污水进行太阳能水清洁处理，可在水收集槽里收集1.68kg的冷凝清洁水。净化前后含有有机物污水在紫外-可见区的吸收强度从0.9299变为0.0274(如图6所示，其中原始表示净化之前的含有有机物的污水)，离子去除率高达97％。
在本发明的第四个具体实施例中，具体如下：
(1)将尼龙膜作为过滤层9置于过滤容器2中，将石墨烯/碳纳米管复合材料作为光热转换材料5置于聚氯乙烯隔热泡沫上，吸水材料棉棒插入聚氯乙烯隔热泡沫中，将水引到石墨烯/碳纳米管复合材料表面。
(2)将安装好的基于石墨烯/碳纳米管复合材料为光热转换材料用于污水净化的装置进行太阳能水清洁性能测试，在一个太阳光强度(采用太阳光模拟器)下，该装置中水的蒸发速率为1.77kgm-2h-1，在一个太阳光强度下，1h利用1m2的石墨烯/碳纳米管复合材料可在水收集槽里收集1.77kg的冷凝清洁水。
(3)将安装好的基于石墨烯/碳纳米管复合材料为光热转换材料用于污水净化的装置进行太阳能含有重金属离子污水净化。将含有重金属离子的污水经过进水口8进入尼龙膜，通过尼龙膜的预处理去除大颗粒物质。预处理之后的水通过双通导管10进入内置容器7中。吸水棉棒将含有重金属离子的污水引到石墨烯/碳纳米管复合材料表面。在一个太阳光强度下，含有重金属离子污水的水蒸发速率为1.73kgm-2h-1，即在一个太阳光强度下，1h利用1m2的石墨烯/碳纳米管复合材料对含有重金属离子污水进行太阳能水清洁处理，可在水收集槽里收集1.73kg的冷凝清洁水。净化前后五种重金属离子(cr3+、pb2+、zn2+、ni2+和cu2+)相应的浓度从36.75mgkg-1、74.32mgkg-1、83.43mgkg-1、32.98mgkg-1和31.73mgkg-1分别降低到0.01mgkg-1、0.009mgkg-1、0.007mgkg-1、0.01mgkg-1和0.01mgkg-1(如图7所示，其中原始表示净化之前的含有重金属离子的污水)，离子去除率高达97％。
在本发明的第五个具体实施例中，具体如下：
(1)将混合纤维素膜作为过滤层9置于过滤容器2中，将石墨烯/纳米金颗粒复合材料作为光热转换材料5置于玻璃纤维隔热材料上，吸水材料棉布插入玻璃纤维隔热材料中，将水引到石墨烯/纳米金颗粒复合材料表面。
(2)将安装好的基于石墨烯/纳米金颗粒复合材料为光热转换材料用于污水净化的装置进行太阳能水清洁性能测试，在一个太阳光强度(采用太阳光模拟器)下，该装置中水的蒸发速率为1.80kgm-2h-1，在一个太阳光强度下，1h利用1m2的石墨烯/纳米金颗粒复合材料可在水收集槽里收集1.80kg的冷凝清洁水。
(3)将安装好的基于石墨烯/纳米金颗粒复合材料为光热转换材料5用于污水净化的装置进行太阳能海水淡化。将海水(例如：取自南海的海水)经过进水口8进入混合纤维素膜，通过混合纤维素膜的预处理去除大颗粒物质。预处理之后的水通过双通导管10进入内置容器7中。吸水棉布将海水引到石墨烯/纳米金颗粒复合材料表面。在一个太阳光强度下，海水的水蒸发速率为1.78kgm-2h-1，即在一个太阳光强度下，1h利用1m2的石墨烯/纳米金颗粒复合材料对海水进行太阳能海水淡化处理，可在水收集槽里收集1.78kg的冷凝清洁水。净化前后海水中五种主要离子(na+、mg2+、ca2+、k+和b3+)相应的浓度从4900mgl-1、265mgl-1、28mgl-1、58mgl-1和0.85mgl-1分别降低到0.65mgl-1、0.36mgl-1、0.056mgl-1、0.032mgl-1和0.012mgl-1(具体参照图8所示，其中原始表示净化之前的海水)，离子去除率高达99.7％，盐度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。
在本发明的第六个具体实施例中，具体如下：
(1)将尼龙膜作为过滤层9置于过滤容器2中，将石墨烯泡沫作为光热转换材料5置于聚氯乙烯隔热泡沫上，吸水材料棉棒插入聚氯乙烯隔热泡沫中，将水引到石墨烯泡沫表面。
(2)将安装好的基于石墨烯泡沫为光热转换材料用于污水净化的装置进行太阳能水清洁性能测试，在一个太阳光强度(采用太阳光模拟器)下，该装置中水的蒸发速率为1.75kgm-2h-1，在一个太阳光强度下，1h利用1m2的石墨烯泡沫可在水收集槽里收集1.75kg的冷凝清洁水。
(3)将安装好的基于石墨烯泡沫为光热转换材料用于污水净化的装置进行太阳能湖水净化。将湖水(例如，取自北京)经过进水口8进入尼龙膜，通过尼龙膜的预处理去除大颗粒物质。预处理之后的水通过双通导管10进入内置容器7中。吸水棉棒将含有湖水引到石墨烯泡沫表面。在一个太阳光强度下，含有湖水的水蒸发速率为1.75kgm-2h-1，即在一个太阳光强度下，1h利用1m2的石墨烯泡沫对湖水进行太阳能水清洁处理，可在水收集槽里收集1.75kg的冷凝清洁水。收集的水，对其进行菌落培养后，检测不出菌落，说明细菌去除率>99.9％。
根据本发明实施例提出的基于光热转换材料利用太阳能进行污水净化的装置，结合过滤和太阳能水蒸发技术，实现对各类污水的一体化处理，首先通过过滤装置对污水中大颗粒物质进行预处理，其次通过基于光热转换材料的太阳能水蒸发过程制备和收集清洁水，并设计的一体化污水净化处理装置，结合太阳能光热转换材料的优异性质，实现高效的太阳能水蒸，进而对酸碱性污水、制药行业污水、含有有机物污水、含有重金属离子污水、海水和湖水的太阳能水净化处理，生产不含有颗粒物质、离子、重金属、有机物、细菌等的清洁水。制备得到的清洁水中颗粒物质去除率不低于99.9％、离子去除率不低于99％、有机物去除率不低于97％、细菌去除率不低于99.9％，符合饮用水标准。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。