本发明涉及一种光热蒸发复合材料及其制备方法及其制备方法和用途。
背景技术
淡水资源对我国和全球来说都是一个严峻和急迫的问题。人类赖以生存的淡水只有地表水总量的不到3％，而且随着人口的增加，环境的污染，淡水资源越来越紧缺，海水、苦咸水淡化，污水的治理净化显得尤为迫切，这也是解决淡水资源，保护环境的重要途径。
近年来，自然环境不断恶化，传统燃料不断消耗，人们对可再生清洁能源的需求日益迫切。太阳能与风能是非常有价值的可再生绿色能源，并且取之不尽用之不竭。利用太阳能进行海水淡化的技术一直在应用，但是效率很低，目前比较成熟的技术，虽然有些技术利用了太阳能或者风能，但还是消耗了其他的大量能源，整体效率并不高，而且成本较高。如何能将太阳能和风能等绿色可再生资源充分利用，提高效率，解决海水、苦咸水的淡化及部分污水的净化是一个非常有价值且符合可持续发展的重要方式。
目前海水淡化技术主要包括反渗透、低温多效、多级闪蒸、电渗析、蒸馏、露点蒸发、水电联产、热膜联产以及利用核能、风能、潮汐能进行海水淡化的技术等20余种。从大的分类上看，主要分为蒸馏法(热法)和膜分离法两大类，其中低温多效蒸馏法、多级闪蒸法和反渗透膜法是全球主流技术。前两种属于蒸馏法，是将海水加热蒸发成蒸汽，然后冷凝得到淡水，此方法受限制较小，淡化后水纯度高，适用面广。低温多效的方法比较节能且对水的预处理要求低、淡化水品质高，但是设备结构复杂，成本较高。多级闪蒸法在技术上比较成熟，运行可靠性较强并且装置产量大，但能耗偏高。反渗透膜法属于膜分离技术，该技术对海水预处理要求比较高且能耗较高、存在化学和热的稳定性问题。
通常太阳能是对整个水体进行加热，水的比热很大，大部分能量并没有直接有效的促使水直接蒸发，所以效率比较低。利用风能对海水淡化的方式，一般是通过直接和间接方式进行的，直接方式是直接利用风能的机械能用于渗透膜法和压力蒸馏法，间接方式是通过将风能转化为电能之后再运用于海水淡化。风能的利用效率比较低，另外对风能的大小有一定的要求，且设备庞大复杂，成本高。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光热蒸发复合材料及其制备方法和用途，填补了现有技术的不足，用于解决现有技术中海水淡化设备复杂，成本高的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种光热蒸发复合材料，所述复合材料至少包括：多孔吸光材料层、多孔亲水材料层以及保温材料层；
所述多孔吸光层设置在多孔亲水层上，所述多孔亲水层设置子保温材料层上，所述多孔亲水层向下延伸形成吸水柱穿过保温材料层；
所述光热蒸发材料可漂浮于水面之上，
所述多孔光热材料的比较面积大于等于300m2/g，吸光率大于等于80％；
所述多孔亲水材料含有亲水基团；
所述保温材料含有疏水基团，导热系数小于等于0.3wm-1k-1。
在本技术方案中，所述多孔亲水材料层形成类似于蘑菇状的结构。
所述吸水柱的直径可以根据需要而设定，其形状不受限制。
所述亲水基团可以是含-oh，-cooh等亲水基团。
所述疏水集团可以是含有烃基(—cnh2n+1、—ch＝ch2、—c6h5等)、硝基(—no2)等。
更进一步地，所述光热蒸发材料可漂浮于水面之上是指保温材料漂浮在水面上，而保温材料上方的多孔吸光材料层、多孔亲水材料层不与水接触。
更进一步地，所述吸光率大于等于90％。
所述吸光率是指某一单色光通过固体时因被吸收而光强度减弱的度量。
优选地，所述保温材料包覆多孔吸水材料的侧面，使得整个复合材料呈柱形。其主要目的是为了将多孔亲水材料的上部与水隔离，只有底部柱状截面与水体连通。
更进一步地，所述复合材料呈圆柱形。
在本技术方案中，所述多孔吸光材料层通过多孔亲水材料层吸收水分。
进一步地，所述多孔吸光层的厚度为1～10mm，吸水材料的厚度为5～30mm，保温材料层的厚度3～25mm，所述多孔吸光层顶面的面积为500mm2-5000mm2。
进一步地，所述多孔吸光层顶面面积为1000mm2-4000mm2。
进一步地，所述多孔吸光层顶面面积为2000mm2-3000mm2。
优选地，所述光热蒸发复合材料还包括粘合剂。
所述粘合剂用于粘结以上材料。
更优选地，所述粘合剂为具有粘性的亲水多孔材料。
更优选地，所述粘合剂为高岭土、偏高岭土、粉煤灰中的任意一种或几种。
优选地，所述多孔吸光材料层选自多孔碳、介孔碳、石墨烯中的任意一种或几种。
优选地，所述多孔亲水材料层选自亲水性多孔沸石、棉麻、粘胶纤维或碳纤维中的任意一种或几种。
优选地，所述多孔吸光材料层是指孔径尺寸为介孔(2-50nm)或者大孔(50nm-50μm)；所述多孔亲水材料的孔径为2nm-50μm。
更优选地，所述保温材料选自聚苯乙烯泡沫、发泡聚氨酯、疏水性气凝胶中的任意一种或几种。
本发明的另外一个方面提供了上述复合材料的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：
(1)利用粘合剂将多孔亲水材料层与多孔吸光材料层粘附，并置于保温炉中保温，获得中间体；
(2)将中间体材料加工成型，并包覆保温材料。
进一步地，所述步骤(1)中保温的温度为40-100℃，时间为8-24h。
进一步地，所述步骤(1)具体为：将粘合剂前驱体、水以及激发剂混合，搅拌获得粘合剂，利用粘合剂将多孔亲水材料层与多孔吸光材料层粘附，并置于保温炉中保温，获得中间体。
进一步地，所述粘合剂前驱体为高岭土、偏高岭土、粉煤灰中的任意一种或几种。
进一步地，所述激发剂选自双氧水、氢氧化钠、工业钠水玻璃中的任意一种或几种。
进一步地，所述激发剂的浓度为10-70wt％。
进一步地，所述粘合剂前驱体：水：激发剂的重量比为：50～65:20～25:1～5。
进一步地，所述前驱体：多孔亲水材料：吸光材料＝8～20:10～40:1。
本发明的另外一个方面提供了上述光热蒸发复合材料用于淡化水的用途。
本发明中所述光热蒸发复合材料的使用方法：将光热复合材料置于水面之上，保证吸光层高于水面，亲水材料浸于水中，在太阳光辐照下即可实现水的快速蒸发，利用风或其它负压可实现水蒸发的增强，将蒸发的水蒸气冷凝收集即可实现海水、苦咸水的淡化，污水的净化等。
进一步地，可以利用若干个复合材料组合成大面积(例如数千平方米)的复合材料铺设在水面上，对水进行淡化。
本材料的具体工作原理：多孔亲水材料利用毛细管作用将水输送到吸光层，而吸光层由于具有良好的吸光性能和蓄热功能，将太阳能集聚在该区域形成局部热区，并且吸光层提供了高比表面积和适宜的孔结构为水蒸发提供了充足的反应界面和逸出通道，从而实现水的快速蒸发。
如上所述，本发明的光热蒸发复合材料，具有以下有益效果：
本发明提供了光热蒸发复合材料，将光热蒸发复合材料浮在水面上，利用吸水部吸收水分，吸收后的水分通过吸光材料吸收的光照形成热能被加热蒸发，形成水蒸气，收集水蒸气即可形成对海水、苦咸水的淡化，污水的净化等。本材料成本低，使用效率高。
附图说明
图1本发明的一种具体实施方式结构示意图
1吸光材料层
21亲水层顶部
22亲水部
3保温材料层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置。此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1
对所用反应用容器、搅拌桨等，均用酒精、去离子水清洗。100g偏高岭土(山东曲阜天博晶碳科技有限公司提供)加入50ml去离子水，高速搅拌2min；加入2g双氧水(30wt％)，继续搅拌得到浆料；用40g浆料将80g沸石材料与5g多孔碳材料复合于模具中，并放置于50℃炉中，保温12h后，开模取出得到成型多孔亲水复合材料，将复合后的材料进行加工至设计尺寸:亲水材料直径50mm，保温材料厚度25mm；吸光材料直径50mm，厚度3mm。
本实施例制备的材料结构如图1所示。在本实施例中，光热蒸发复合材料包括：多孔吸光材料层1、多孔亲水材料层以及保温材料层3；所述多孔吸光层设置在多孔亲水层上，所述多孔亲水层设置于保温材料层上，所述多孔亲水层向下延伸形成吸水柱穿过保温材料层，所述多孔亲水材料层包括板状的顶部21以及柱形的吸水部22，所述吸水部22的一端连接顶部21的底面，所述多孔亲水材料层吸水部22突出于保温材料外部形成吸水通道。
用于海水淡化时，在正常光照am1.5g即辐照强度为1kw/m2光照条件下，无风情况下淡化速率可以达到1.15kgm-2h-1，风速1m/s，2m/s和3m/s时，淡化速率可分别达2.8,5.75和7.58kgm-2h-1。
实施例2
对所用反应用容器、搅拌桨等，均用酒精、去离子水清洗。150g高岭土(山东曲阜天博晶碳科技有限公司提供)加入70ml去离子水，高速搅拌3min；加入4g氢氧化钠溶液(10wt％)，继续搅拌得到浆料；用20g浆料将20g多孔亲水粘胶纤维与2g介孔碳材料复合于模具中，并放置于70℃炉中，保温18h后，开模取出得到成型多孔亲水复合材料，将复合后的材料进行加工至设计尺寸：亲水材料直径30mm，保温材料厚度15mm；吸光材料直径30mm，厚度1mm。
用于海水淡化时，在正常光照am1.5g即辐照强度为1kw/m2光照条件下，无风情况下淡化速率可以达到1.2kgm-2h-1，风速1m/s，2m/s和3m/s时，淡化速率可分别达2.9,5.9和7.6kgm-2h-1。
本实施例中制备的材料结构与实施例1类似。
实施例3
对所用反应用容器、搅拌桨等，均用酒精、去离子水清洗。180g粉煤灰(山东曲阜天博晶碳科技有限公司提供)加入80ml去离子水，高速搅拌5min；加入7g工业钠水玻璃(70wt％)，继续搅拌得到浆料；用浆料将30g多孔亲水棉麻材料与xxg石墨烯复合并置于模具中，并放置于90℃炉中，保温24h后，开模取出得到成型多孔亲水复合材料，将复合后的材料进行加工至设计尺寸：亲水材料直径40mm，保温材料厚度20mm；吸光材料直径40mm，厚度2mm。
用于海水淡化时，在正常光照am1.5g即辐照强度为1kw/m2光照条件下，无风情况下淡化速率可以达到1.25kgm-2h-1，风速1m/s，2m/s和3m/s时，淡化速率可分别达2.92,5.85和7.62kgm-2h-1。
本实施例中制备的材料结构与实施例1类似。
以上的实施例是为了说明本发明公开的实施方案，并不能理解为对本发明的限制。此外，本文所列出的各种修改以及发明中方法、组合物的变化，在不脱离本发明的范围和精神的前提下对本领域内的技术人员来说是显而易见的。虽然已结合本发明的多种具体优选实施例对本发明进行了具体的描述，但应当理解，本发明不应仅限于这些具体实施例。事实上，各种如上所述的对本领域内的技术人员来说显而易见的修改来获取发明都应包括在本发明的范围内。