一种三维立体海水蒸发器及其应用的制作方法

本发明涉及一种海水蒸发器，特别涉及到一种三维立体海水蒸发器及其应用，属于材料技术和海水淡化技术领域。

背景技术：

水是生命的源泉，是支撑经济、社会发展的必需资源。随着我国经济社会的快速发展和城市化进程的不断推进，水资源总量短缺和时空匹配矛盾日益突出，特别在沿海地区和海岛，水资源缺乏已成为制约经济社会发展的瓶颈之一。全球超过十亿人缺乏淡水，相关学者推算，到2025年将有三分之二的世界人口面临缺乏淡水。与此同时，海水资源非常丰富，如何将海水淡化成饮用水是人类一直追求的目的。海水淡化作为稳定的水资源增量技术，是解决我国沿海和临海地区水资源供需矛盾、优化水资源结构和保障供水安全的重要战略选择。常用的海水淡化途径过滤法，但是从经济效益方面考虑，其所需的过滤材料需经常更换，成本高、技术难度大、耗能大、经济负担重，从海水处理的效果考虑，其依旧存在效率低的问题。

专利cn108035050a公开了一种三维多层填充电热蒸发织物、制备方法及应用。所述织物包括依次复合的电热蒸发层、漂浮隔热层、吸水层，三者通过捆绑纱相互交织结合为一体。制备方法为：按照纱线的选择方案排布各层经纱和捆绑纱；引入各层纬纱；引入漂浮嵌入材料；捆绑纱相互交织，将各层织造成一体。将所述电热蒸发层中的电热纤维的两端连接电极，利用电热纤维产生的热量将电热蒸发层中的水分加热蒸发。专利cn108035051a公开了一种线圈结构多层中空电热蒸发织物，其特征在于，由蒸发层、电热层、隔热导水层及漂浮层组成，蒸发层、电热层、隔热导水层及漂浮层通过不同的功能纤维织造成为一个整体。专利cn108166126a公开了一种三维结构电热蒸发织物及其制备方法，所述织物包括依次复合的电热蒸发层、漂浮隔热层、吸水层，三者通过捆绑纱结合为一体。制备方法为：按照纱线的选择方案排布经纱；引入各层纬纱；捆绑纱相互交织将各层经纬纱织造成一体；步进电机卷取；经过多次循环后下机。将电热蒸发层中电热纤维的两端连接电极，利用电热纤维产生的热量将电热蒸发层的水分加热蒸发。专利cn108035036a公开了一种三维多层中空结构电热蒸发织物，所述织物包括依次复合的蒸发层、电热层、隔热导水层及漂浮层，四者通过间隔纱结合为一体。制备方法为：开动引纬装置，引入各层纬纱；单组综框运动带动各层经纱同步交织，实现蒸发层、电热层、隔热导水层和漂浮层的织造；放入高度为间隔片，双组综框运动带动间隔纱相互交织，构成间隔层；打纬，并通过步进电机卷取，即获得三维多层结构电热蒸发织物。将电热层中电热纤维的两端连接电极，利用电热纤维产生的热量将蒸发层加热，使水分蒸发。专利cn108018642a公开了一种线圈结构多层填充电热蒸发织物、制造方法，其特征在于，由蒸发层、电热层、漂浮隔热层及吸水层组成，蒸发层、电热层、漂浮隔热层及吸水层通过不同的功能纤维和材料织造成为一个整体。以上现有专利都是采用纬纱织造，且利用电热加速水分的蒸发，成本加大，增加处理成本。

德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华等人发展了一种具有分级纳米结构的凝胶用于海水蒸发，其蒸发效率在一个太阳下能够达到3.2kg/m²/h，但是其的材料强度仅有10⁴pa,并且制备过程要经过10次冷冻干燥，比较复杂。

阿卜杜拉国王科技大学的王鹏等人通过将氧化石墨烯和碳管的混合液抽滤的方法获得了发展了一种3d结构的海水蒸发器，但是其在一个太阳下效率仅能达到1.59kg/m²/h。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种三维立体海水蒸发器，以克服现有技术的不足。

本发明的又一目的在于提供所述三维立体海水蒸发器的应用。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种三维立体海水蒸发器，其包括具有水分吸收及运输作用的通道结构和具有光热转换作用的反应器单元，所述反应器单元位于所述通道结构的一端，所述通道结构和反应器单元构建形成三维立体结构，所述反应器单元包括高分子功能化纸。

本发明实施例还提供了前述三维立体海水蒸发器于海水淡化领域的用途。

本发明实施例还提供了一种海水淡化方法，其包括：将前述的三维立体海水蒸发器置于承载有海水的容器内，使所述海水蒸发，得到淡化后的纯水。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)本发明提供的三维立体海水蒸发器通过合理地设计通道的组成、形状及尺寸以及通过调控光热转化作用的反应器单元的组成、几何结构等，利用高分子功能化纸的光热效应，可以实现三维立体海水蒸发器的结构可控，进而开发具有结构简单、体积小、立体三维全向性的海水蒸发器；

2)本发明提供的三维立体海水蒸发器综合利用太阳能资源，蒸发效率高，其蒸发量在2.6kg/m²/h以上，并且其对不同浓度(10-10000mg/l)的na⁺、mg²⁺、ca²⁺、k⁺、sr²⁺、b³⁺等离子中的一种或多种混合体系均具有99.98％以上的截留率，在海水淡化过程中表现出蒸发效率高、截留率高等优点，将会在海水淡化领域具有广阔的应用前景；

3)本发明提供的三维立体海水蒸发器的抗拉强度大于100mpa，弹性模量大于12gpa，并且具有较好的耐候性，在高温、低温、高浓度盐、强酸、强碱环境中处理24h后，抗拉强度和弹性模量基本保持。

附图说明

图1a是本发明一典型实施方案之中一种三维立体海水蒸发器的三维空间结构示意图。

图1b是本发明一典型实施方案之中一种三维立体海水蒸发器的海水蒸发淡化过程示意图。

图2a-图2b分别是本发明实施例1中所制备的三维立体海水蒸发器的微观形貌图及润湿性测试结果示意图。

图3是本发明实施例1中采用数均分子量10000的n-聚吡咯-聚丙烯酸共聚物修饰复合纸与采用数均分子量为10000的聚吡咯修饰复合纸的升温速率结果示意图。

图4是本发明实施例1中采用夹角α＝30°、50°、70°、90°对应的海水蒸发量结果示意图。

图5a和图5b是本发明实施例1所制备的三维立体海水蒸发器用于海水淡化实验，不同浓度的离子的截留率示意图。

图6是本发明对照例1中分级纳米结构的凝胶的力学性能示意图。

图7是本发明对照例2中氧化石墨烯和碳管的混合液抽滤薄膜的对太阳光的海水淡化量示意图。

附图标记说明：1-通道结构，2-反应器单元，h-结构单元高度，l-结构单元宽度，α-结构单元之间的夹角，h-通道结构末端裁剪直角三角形的高度。

具体实施方式

鉴于现有技术中存在的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，其主要是利用高分子功能化纸的光热效应，通过合理地设计通道的组成、形状及尺寸以及通过调控光热转化作用的反应器单元的组成、几何结构等，可以实现三维立体海水蒸发器的结构可控，进而开发具有结构简单、体积小、立体三维全向性的海水蒸发器。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

作为本发明技术方案的一个方面，其所涉及的系一种三维立体海水蒸发器，如图1a所示，所述三维立体海水蒸发器包括具有水分吸收及运输作用的通道结构1和具有光热转换作用的反应器单元2，所述反应器单元位于所述通道结构的一端，所述通道结构和反应器单元构建形成三维立体结构，所述反应器单元包括高分子功能化纸。

在一些实施例中，所述通道结构的形状包括四边形，所述通道结构的长度为0.05～0.5m，宽度为1～10cm。

进一步地，如图1a所示，所述通道结构的末端经过裁剪处理，所述裁剪处理为直角三角形剪裁处理，其中，直角三角形的高度h为0.01～0.05m。

在一些实施例中，所述通道结构的材质包括选棉织物，其中，所述棉织物的纹理包括平纹、斜纹、缎纹或蜂窝状纹等，优选具有孔径可控、力学性能优异、结构稳定的蜂窝织物，但不仅限于此。

在一些实施例中，如图1a所示，所述反应器单元包括四个结构单元(优选为等腰三角形)，每个结构单元的长度为5～50cm，高度h为0.01～2m，相邻两个结构单元之间的夹角α为30～90°。

在一些实施例中，所述高分子功能化纸包括复合纸、印刷纸、纸袋纸、瓦楞纸、凹版纸、凸版纸或牛皮纸等，但不限于此。

进一步地，所述高分子功能化纸的平滑度为5～20s。

进一步地，所述高分子功能化纸的水分含量为2～10wt％。

进一步地，所述高分子功能化纸的形貌结构包括锯齿形、平纹形、菱形、阶梯形或螺纹形等，但不限于此。

在一些实施例中，所述高分子功能化纸中的高分子包括聚吡咯衍生物、聚苯胺衍生物等，但不仅限于此。

进一步地，所述聚吡咯衍生物包括聚吡咯与高分子材料的共聚物和/或掺杂聚吡咯，所述聚苯胺衍生物包括聚苯胺与高分子材料的共聚物和/或掺杂聚苯胺。

进一步地，共聚的高分子材料包括聚丙烯酸、聚乙二醇、聚丙三醇、聚苯甲酸、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸二甲胺乙酯等极性高分子中的任意一种或两种以上的组合，但不仅限于此。

进一步地，所述掺杂聚吡咯或掺杂聚苯胺中所含掺杂元素包括n、s、si、bi、ti、p等中的任意一种或两种以上的组合，但不仅限于此。

进一步地，所述聚吡咯衍生物的数均分子量为2000～20000。

进一步地，所述聚苯胺衍生物的数均分子量为5000～50000。

在一些实施例中，所述三维立体海水蒸发器的抗拉强度大于100mpa，弹性模量大于12gpa，并且具有较好的耐候性，在高温、低温、高浓度盐、强酸、强碱环境中处理24h后，抗拉强度和弹性模量保持。进一步地，所述高温环境的温度为100～600℃，所述低温环境的温度为-50～0℃，所述高盐环境的盐浓度为0.1～10mol/l，所述强酸为浓度为0.1～5mol/l的盐酸溶液，所述强碱为浓度为0.1～10mol/l的氢氧化钠溶液。

在一些实施例中，所述三维立体海水蒸发器的蒸发量在2.6kg/m²/h以上，对海水中离子的截留率在99.98％以上。

进一步地，所述三维立体海水蒸发器对不同浓度(10～10000mg/l)的离子均具有99.98％以上的截留率，其中所包含的离子包括na⁺、mg²⁺、ca²⁺、k⁺、sr²⁺、b³⁺等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

作为本发明技术方案的另一个方面，其还涉及前述的三维立体海水蒸发器于海水淡化领域的用途。

相应的，本发明实施例的另一个方面还提供了一种海水淡化方法，参见图1b所示，其包括：在密闭空间内，将前述的三维立体海水蒸发器置于承载有海水的容器内，使所述海水蒸发，得到淡化后的纯水。

藉由前述制备工艺，本发明的三维立体海水蒸发器具有结构简单、体积小、立体三维全向性等特点，从而使得其在海水淡化过程中表现出蒸发效率高、截留率高等优点，将会在海水淡化领域具有广阔的应用前景。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及若干较佳实施例，对本发明的技术方案进行进一步详细的解释说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

(1)通道的结构。四边形，长度为0.05m，宽度为1cm，直角三角形剪裁的高度为0.01m；

(2)通道的组成。纹理为平纹的棉织物。

(3)反应器单元的结构。分为四个结构单元，每个结构单元的长度为5cm，高度为0.01m，结构单元夹角α分别为30°、50°、70°、90°。

(4)反应器单元的组成。平滑度为5s，水分含量为2％，微观形貌为锯齿形，采用数均分子量2000的n-聚吡咯-聚丙烯酸共聚物修饰复合纸。

将本实施例所得到的三维立体海水蒸发器进行形貌及润湿性测试，发现经过修饰后，亲水性增强，利于水汽蒸发(分别如图2a和图2b所示)。图3为采用数均分子量2000的n-聚吡咯-聚丙烯酸共聚物修饰复合纸与采用数均分子量为2000的聚吡咯修饰复合纸的升温速率示意图，发现经过n-聚吡咯-聚丙烯酸共聚物进行修饰后，复合纸的升温速率明显提高。其中，图3中的曲线1为采用数均分子量2000的n-聚吡咯-聚丙烯酸共聚物修饰复合纸的升温速率，曲线2为采用数均分子量为2000的聚吡咯修饰复合纸的升温速率。进一步的，如图4所示，海水淡化蒸发实验表明，在反应器的结构单元之间的夹角分别为30°、50°、70°、90°时，其蒸发量分别为2.92kg/m²/h、3.03kg/m²/h、2.85kg/m²/h、2.70kg/m²/h。本案发明人将本实施例所得到的三维立体海水蒸发器用于海水淡化实验，其na⁺、mg²⁺、ca²⁺、k⁺在浓度为10-10000mg/l范围内均具有99.98％的截留率(如图5a和图5b所示)。力学性能表明，其抗拉强度为110mpa，弹性模量为12.2gpa，分别在高温(100℃)、低温(-50℃)、高浓度盐离子(0.1mol/lnacl)、强酸(0.1mol/lhcl)、强碱(0.1mol/lnaoh)静置24h，其力学性能保持96.4％。

实施例2

(1)通道的结构。四边形，长度为0.3m，宽度为5cm，直角三角形剪裁的高度为0.03m；

(2)通道的组成。纹理为蜂窝的棉织物。

(3)反应器单元的结构。分为四个结构单元，每个结构单元的长度为10cm，高度为0.5m，结构单元夹角α分别为40°、60°、80°。

(4)反应器单元的组成。平滑度为8s，水分含量为4％，微观形貌为螺纹形，采用数均分子量5000的s-聚苯胺-聚乙烯醇修饰的瓦楞纸。

将本实施例所得到的三维立体海水蒸发器进行形貌及润湿性测试，发现经过修饰后，亲水性增强，利于水汽蒸发。进一步的，海水淡化蒸发实验表明，在反应器的结构单元之间的夹角分别为40°、60°、80°时，其蒸发量分别为2.92kg/m²/h、3.21kg/m²/h、2.65kg/m²/h。本案发明人将本实施例所得到的三维立体海水蒸发器用于海水淡化实验，其na⁺、mg²⁺、ca²⁺、k⁺在浓度为10-10000mg/l范围内均具有99.99％的截留率。力学性能表明，其抗拉强度为114mpa，弹性模量为12.5gpa，分别在高温(200℃)、低温(0℃)、高浓度盐离子(2mol/lnacl)、强酸(1mol/lhcl)、强碱(2mol/lnaoh)静置24h，其力学性能保持97.2％。

实施例3

(1)通道的结构。四边形，长度为0.3m，宽度为5cm，直角三角形剪裁的高度为0.03m；

(2)通道的组成。纹理为斜纹的棉织物。

(3)反应器单元的结构。分为四个结构单元，每个结构单元的长度为30cm，高度为1m，结构单元夹角α分别为45°、65°、85°。

(4)反应器单元的组成。平滑度为15s，水分含量为6％，微观形貌为阶梯形，采用数均分子量20000的si-聚吡咯-聚乙二醇修饰的牛皮纸。

将本实施例所得到的三维立体海水蒸发器进行形貌及润湿性测试，发现经过修饰后，亲水性增强，利于水汽蒸发。进一步的，海水淡化蒸发实验表明，在反应器的结构单元之间的夹角分别为45°、65°、85°时，其蒸发量分别为2.65kg/m²/h、2.72kg/m²/h、3.10kg/m²/h。本案发明人将本实施例所得到的三维立体海水蒸发器用于海水淡化实验，其na⁺、mg²⁺、ca²⁺、k⁺在浓度为10-10000mg/l范围内均具有99.98％的截留率。力学性能表明，其抗拉强度为115mpa，弹性模量为12.6gpa，分别在高温(300℃)、低温(-10℃)、高浓度盐离子(5mol/lnacl)、强酸(3mol/lhcl)、强碱(5mol/lnaoh)静置24h，其力学性能保持98.2％。

实施例4

(1)通道的结构。四边形，长度为0.4m，宽度为6cm，直角三角形剪裁的高度为0.04m；

(2)通道的组成。纹理为平纹的棉织物。

(3)反应器单元的结构。分为四个结构单元，每个结构单元的长度为40cm，高度为1.5m，结构单元夹角α分别为40°、60°、80°。

(4)反应器单元的组成。平滑度为18s，水分含量为8％，微观形貌为齿形，采用数均分子量50000的bi-聚苯胺-聚甲基丙烯酸二甲胺乙酯修饰的纸袋纸。

将本实施例所得到的三维立体海水蒸发器进行形貌及润湿性测试，发现经过修饰后，亲水性增强，利于水汽蒸发。进一步的，海水淡化蒸发实验表明，在反应器的结构单元之间的夹角分别为45°、65°、85°时，其蒸发量分别为2.82kg/m²/h、3.20kg/m²/h、2.76kg/m²/h。本案发明人将本实施例所得到的三维立体海水蒸发器用于海水淡化实验，其na⁺、mg²⁺、ca²⁺、k⁺在浓度为10-10000mg/l范围内均具有99.99％的截留率。力学性能表明，其抗拉强度为110mpa，弹性模量为12.2gpa，分别在高温(400℃)、低温(-30℃)、高浓度盐离子(8mol/lnacl)、强酸(4mol/lhcl)、强碱(8mol/lnaoh)静置24h，其力学性能保持97.5％。

实施例5

(1)通道的结构。四边形，长度为0.5m，宽度为8cm，直角三角形剪裁的高度为0.04m；

(2)通道的组成。纹理为缎纹的棉织物。

(3)反应器单元的结构。分为四个结构单元，每个结构单元的长度为40cm，高度为1.5m，结构单元夹角α分别为35°、65°、85°。

(4)反应器单元的组成。平滑度为20s，水分含量为10％，微观形貌为菱形，采用数均分子量10000的p-聚吡咯-聚苯甲酸修饰的凹版纸。

将本实施例所得到的三维立体海水蒸发器进行形貌及润湿性测试，发现经过修饰后，亲水性增强，利于水汽蒸发。进一步的，海水淡化蒸发实验表明，在反应器的结构单元之间的夹角分别为35°、65°、85°时，其蒸发量分别为2.66kg/m²/h、2.82kg/m²/h、3.40kg/m²/h。本案发明人将本实施例所得到的三维立体海水蒸发器用于海水淡化实验，其na⁺、mg²⁺、ca²⁺、k⁺在浓度为10-10000mg/l范围内均具有99.99％的截留率。力学性能表明，其抗拉强度为110mpa，弹性模量为12.2gpa，分别在高温(500℃)、低温(-40℃)、高浓度盐离子(9mol/lnacl)、强酸(4mol/lhcl)、强碱(9mol/lnaoh)静置24h，其力学性能保持98.7％。

实施例6

(1)通道的结构。四边形，长度为0.5m，宽度为10cm，直角三角形剪裁的高度为0.05m；

(2)通道的组成。纹理为螺纹的棉织物。

(3)反应器单元的结构。分为四个结构单元，每个结构单元的长度为40cm，高度为1.5m，结构单元夹角α分别为33°、53°、73°。

(4)反应器单元的组成。平滑度为20s，水分含量为10％，微观形貌为平纹形，采用数均分子量20000的ti-聚苯胺-聚乙烯醇修饰的凸版纸。

将本实施例所得到的三维立体海水蒸发器进行形貌及润湿性测试，发现经过修饰后，亲水性增强，利于水汽蒸发。进一步的，海水淡化蒸发实验表明，在反应器的结构单元之间的夹角分别为45°、55°、65°时，其蒸发量分别为2.67kg/m²/h、2.88kg/m²/h、3.60kg/m²/h。本案发明人将本实施例所得到的三维立体海水蒸发器用于海水淡化实验，其na⁺、mg²⁺、ca²⁺、k⁺在浓度为10-10000mg/l范围内均具有99.98％的截留率。力学性能表明，其抗拉强度为110mpa，弹性模量为12.2gpa，分别在高温(600℃)、低温(-50℃)、高浓度盐离子(10mol/lnacl)、强酸(5mol/lhcl)、强碱(10mol/lnaoh)静置24h，其力学性能保持99.7％。

对照例1

德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华等人发展了一种具有分级纳米结构的凝胶用于海水蒸发，其蒸发效率在一个太阳下能够达到3.2kg/m²/h，但是其的材料强度仅有10⁴pa(图6),并且制备过程要经过10次冷冻干燥，比较复杂。

对照例2

阿卜杜拉国王科技大学的王鹏等人通过将氧化石墨烯和碳管的混合液抽滤的方法获得了发展了一种3d结构的海水蒸发器，但是其在一个太阳下效率仅能达到1.59kg/m²/h(图7)。

此外，本案发明人还参照实施例1-实施例6的方式，以本说明书中列出的其它原料和条件等进行了试验，并同样制得了具有结构简单、体积小、立体三维全向性等特点的海水蒸发器。应当理解，以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。