一种太阳能光热膜蒸馏装置的制作方法

本发明涉及海水淡化技术领域，特别涉及一种太阳能光热膜蒸馏装置。

背景技术：

伴随着气候变化、人口增加和经济发展，淡水资源的短缺和污染问题已变得日益严重，成为一个亟需解决的全球性问题。作为生产淡水的一种有效方法，膜蒸馏最近引起了人们极大的关注。膜蒸馏是采用疏水微孔膜以膜两侧的蒸汽压差为传质驱动力的新型膜分离过程，具有操作温度较低(～70℃)、对给水的盐度相对不敏感性、并能脱除几乎全部的非挥发性溶质等优点。太阳能是地球上分布最广，储量最大的能源，因其可持续、绿色等特点，研究和工业领域近年来广泛关注于利用太阳能驱动膜蒸馏过程的相关技术。

在传统的太阳能驱动水处理系统中，冷凝水不易收集、冷凝水和蒸汽阻挡入射光等问题，会严重削弱系统的蒸发效率和稳定性。因此，设计合理的水处理系统，高效收集冷凝水、解决冷凝水和蒸汽的挡光问题是实现高效水处理的关键。而膜蒸馏利用疏水膜对侧的冷凝水高效收集穿过膜的蒸汽，并解决了挡光问题。

在传统的太阳能驱动膜蒸馏系统中，通常是利用太阳能集热器提供的热能来加热给水，实现海水淡化和污水处理。该方法需要加热给水整体，通过对流、传导的散热严重，太阳能利用率低。2014年，美国麻省理工学院gangchen课题组提出了局域化加热的概念，高效利用太阳能进行快速的光热蒸发，显著地提高了太阳能的利用效率[h.ghasemietal.nat.commun.2014,5:4449]。随后，基于局域化加热概念的光热膜蒸馏被提出，将光热蒸发材料沉积在膜上或掺入膜中，在光照下，对流经膜上的给水直接进行光热蒸发，实现膜蒸馏过程[a.politanoetal.adv.mater.2017,29；1603504]。随后的相关研究对光热膜蒸馏系统做了进一步优化，主要集中在对光热蒸发材料的研究上，如：优化光热蒸发材料的吸光性[dp.dongareetal.proc.natlacad.sci.usa2017,114；6936-6941；l.huangetal.desalination2018,442；1-7]，而在实际应用中，由于光热蒸发材料直接与大量给水直接接触，造成了光热蒸发材料向给水整体的热损失，严重削弱系统的光热蒸发效率。同时，给水与膜进行直接接触，也造成了膜污染的问题。因此，设计合理的光热蒸发材料和膜两者的结构是实现长期稳定且高效的水处理的关键。此外，现有太阳能膜蒸馏系统往往结构较复杂，制造成本较高，如：申请号为cn200520005444.0的中国专利公开的一种太阳能膜蒸馏装置，所述热工质加热装置中加入热太阳能加热装置，冷工质冷却装置采用太阳能冷却装置，驱动装置采用太阳能发电装置，但是整个装置体积较庞大，系统成本高。所以，面向实际应用，设计结构紧凑、成本低廉的膜蒸馏装置是一迫切需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种结构简单、易于操作的太阳能光热膜蒸馏装置，避免了由于给水和膜直接接触造成的膜污染问题，太阳能光热膜蒸馏装置的稳定性和太阳能利用效率均显著提高。

本发明提供如下技术方案：

一种太阳能光热膜蒸馏装置，所述太阳能光热膜蒸馏装置从左到右依次包括给水腔、蒸汽腔、冷凝水腔；所述蒸汽腔内从左到右依次设有独立式光热蒸发材料、若干个水蒸汽通道和疏水膜，所述独立式光热蒸发材料的底部插入给水腔中；所述给水腔中的给水经蒸汽腔蒸发形成蒸汽后进入冷凝水腔内。

所述冷凝水腔内设有冷液仓，收集穿过疏水膜的水蒸汽。

本发明提供的太阳能光热膜蒸馏装置的工作过程为：独立式光热蒸发材料吸收给水腔中的水并产生蒸汽，产生的水蒸汽依次经过水蒸汽通道、疏水膜后进入到冷凝水腔，经冷凝后完成蒸馏过程。

所述给水腔设有透光玻璃板，所述透光玻璃板与独立式光热蒸发材料受光一侧紧贴，用于透过太阳光并保持装置气密性。

优选的，所述的给水腔包括透光玻璃板和给水槽。独立式光热蒸发材料的底部插入给水腔中。优选的，所述的透光玻璃板和给水槽是一体的。

所述的水蒸汽通道由独立式光热蒸发材料和疏水膜之间用隔衬相隔形成，所述的水蒸汽通道宽度为0.1-10mm。

所述的水蒸汽通道由独立式光热蒸发材料和疏水膜包围形成，用于富集独立式光热蒸发材料产生的蒸汽并将给水和疏水膜分离开。

水蒸汽的通道宽度是实现长期稳定和高效地膜蒸馏过程的关键。当宽度过大时，蒸汽的传输阻力和系统的热损失将会增大；当宽度过小时，系统的加工和操作复杂性将会提高，存在膜污染的隐患。

优选的，所述的水蒸汽通道宽度为1-3mm。既可以减少热损失又可以减少膜污染的隐患。

所述给水腔的上部设有原水进水口，所述给水腔的下部设有浓水出水口，原水经原水进水口输入到给水腔，经蒸汽腔蒸发浓缩后的原水从浓水出水口排出。

所述冷凝水腔的下部设有冷凝水入口和冷凝水腔的上部设有冷凝水出口，从冷凝水进水口输入的冷凝水将蒸汽冷凝收集后从冷凝水出水口排出。

所述的疏水膜为有支撑体或无支撑体的平板膜，所述疏水膜的孔径为0.1-0.5μm。

所述的疏水膜的材质选自聚四氟乙烯、聚丙烯或聚偏氟乙烯。

优选的，所述的疏水膜为有支撑体的平板膜，孔径为0.1-0.3μm，材质为聚偏氟乙烯。

优选的，所述太阳能光热膜蒸馏装置还包括给水泵、冷凝水泵、储液槽和驱动装置，所述驱动装置驱动给水储液槽的给水流经给水槽、所述驱动装置驱动冷凝水储液槽中的冷凝水流经冷液仓。

优选的，所述驱动装置为太阳能电池板。

所述独立式光热蒸发材料包括支撑体和覆盖在支撑体外表面的吸光体，所述支撑体为泡沫镍，所述吸光体为垂直取向石墨烯，所述垂直取向石墨烯覆盖有亲水性涂层；所述独立式光热蒸发材料用于吸收给水腔中的原水并产生蒸汽。独立式光热蒸发材料捕集太阳能，并将光能转化为热能，快速地产生局部高温区。

覆盖有亲水性涂层的垂直取向石墨烯由碳纳米壁阵列组成。所述泡沫镍为多孔结构。

经表面喷涂的垂直取向石墨烯作为水输送流道，通过毛细作用传输给水到局部高温区，迅速产生光热蒸汽；解决了常规光热膜蒸馏系统中由于光热蒸发材料与给水整体直接接触，所引起的热损失问题，提高了系统的光热蒸发效率；同时将实现给水与膜的分离，解决了常规膜蒸馏系统中由于膜与给水直接接触，所引起的膜污染问题，提高了系统的长期稳定性。

所述吸光体的吸光率为90-99％。优选的，所述吸光体的吸光率为96.0-98.0％。

所述独立式光热蒸发材料的制备方法包括如下步骤：

(1)将泡沫镍放置于等离子体增强化学气相沉积反应腔内，通入甲烷或者氢气与甲烷的混合气，进行化学气相沉积反应后，通入惰性气体，冷却，得到垂直取向石墨烯/泡沫镍；

(2)将步骤(1)得到的垂直取向石墨烯/泡沫镍用丙酮、甲醇、去离子水清洗，然后在干燥的气氛中干燥；

(3)将步骤(2)得到的垂直取向石墨烯/泡沫镍表面用喷枪均匀地喷涂溶液，在空气中静置干燥，在垂直石墨烯表面形成超清水涂层，得到独立式光热蒸发材料。

所述步骤(1)中氢气与甲烷的混合气的流量比为0-20：1。

优选的，所述步骤(1)中氢气与甲烷的混合气的流量比为0-15：1。氢气和甲烷的流量比是合成垂直取向石墨烯的关键，当混合气的流量比大于15：1时，所得产物不是垂直取向石墨烯。

优选的，所述步骤(1)混合气的流量比为1-5：1。当流量比小于1：1，合成速度较慢；当流量比大于5：1所得产物的形貌和化学性质更接近于不定型碳、碳纳米纤维和碳纳米管。

所述步骤(1)中，化学气相沉积反应的反应条件为：合成气压为1-1000pa；合成温度为400-1000℃。

优选的，所述步骤(1)中，合成温度为500-1000℃，合成气压为10-1000pa。

当气压<1pa时，对合成设备的工艺要求较高，不易达到；当气压>1000pa时，能耗较大，不利于实际应用。当温度<400℃，垂直取向石墨烯无法被合成；当温度>1000℃，对设备的工艺要求较高，且需要较大的输入功率，不利于实际应用。

优选的，所述步骤(1)中，化学气相沉积反应的反应条件为：合成气压为50-500pa，合成温度为600-800℃。

所述步骤(1)中，化学气相沉积反应中的等离子体源选自微波等离子，功率为200-400w，维持10-180min。

当时间<10min时，所合成的垂直取向石墨烯量较少，光吸收率较低；当时间大于>180min，对光吸收率已无明显提升，但能量和原料消耗较大。

优选的，微波等离子维持30-120min。

所述步骤(1)中，惰性气体作为冷却气体。

所述步骤(2)中，惰性气体作为干燥气体。

所述步骤(3)中，聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)溶液作为喷涂溶液，喷涂次数为1-10次。

优选的，喷涂次数为3-6次，在这一范围内，表面覆盖涂层的垂直取向石墨烯能够获得很好的亲水性，同时涂层不会完全覆盖掉垂直取向石墨烯的纳米片结构。

本发明通过优化了光热蒸发材料和疏水膜两者的结构，提供了一种结构简单、易于操作的太阳能光热膜蒸馏装置，避免了由于给水和膜直接接触造成的膜污染问题，能够高效收集冷凝水，解决了冷凝水和蒸汽的挡光问题，太阳能光热膜蒸馏装置的稳定性和太阳能利用效率均显著提高。

附图说明

图1为实施例1提供的太阳能光热膜蒸馏装置的结构示意图；

图2为实施例1提供的太阳能光热膜蒸馏装置的连接示意图；

图3为实施例1提供的太阳能光热膜蒸馏装置的光热蒸发原理示意图；

图4为本发明提供的太阳能光热膜蒸馏装置的独立式光热蒸发材料的制备流程图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的说明。以下描述的实施例仅用于解释本发明，对本发明形式上和实质上无任何的限制。

如图4所示，独立式光热蒸发材料的制备过程等离子体增强化学气相沉积法制备垂直取向石墨烯，喷涂法制备超清水涂层。

对本发明提供的独立式光热蒸发材料进行如下性能测试：

1、水接触角：利用型号为dropmetera-200的接触角仪，测量独立式光热蒸发材料和膜表面的水接触角，表征材料的亲水性，利用电动泵，将5μl的水滴滴在材料表面，利用高速相机记录水滴的变化过程，通过杨-拉普拉斯方程，计算水接触角。

2、吸光率：利用型号为uv-3150uv-vis的紫外-可见光分光光度计，测量在200-2600纳米波段独立式光热蒸发材料的光反射率和光透射率，利用公式：光吸收率＝1-光反射率-光透射率，计算平均光吸收率。

实施例1：

如图1、图2所示，本发明提供的太阳能光热海水淡化装置，包括：透光玻璃板1、独立式光热蒸发材料2、疏水膜3、水蒸汽通道4、隔衬5、给水槽6、冷液仓7、原水进水口8、浓水出水口9、冷凝水入口10、冷凝水出口11、太阳能电池12、给水泵13、冷凝水泵14、给水储液槽15、冷凝水储液槽16。其中，透光玻璃板1和给水槽6组成给水腔，给水腔的上部设有原水进水口8，给水腔的下部设有浓水出水口9。独立式光热蒸发材料2、疏水膜3、水蒸汽通道4和隔衬5组成蒸发腔。冷凝腔的下部设有冷凝水入口10，冷凝腔的上部设有冷凝水出口11。

如图1、图2，由太阳能电池板12提供的电能驱动给水泵13、冷凝水泵14持续运转；给水通过原水进水口8注入给水槽6；独立式光热蒸发材料2与疏水膜3之间用隔衬5形成一水蒸汽通道4；疏水膜3的另一侧为冷液仓7；冷凝水通过冷凝水入口10注入冷液仓7；透光玻璃板1紧贴独立式光热蒸发材料2的受光一侧，既起到封闭膜蒸馏装置的作用，又起到引导水蒸汽至水蒸汽通道4的作用；独立式光热蒸发材料2底部插入给水槽6中，吸收太阳能，并将光能转化为热能，蒸发给水；水蒸汽在水蒸汽通道4内富集，随后穿过疏水膜2冷凝，冷液仓7收集冷凝的淡水；疏水膜3的孔径为0.3μm；水蒸汽通道4宽度为1mm。在太阳能光热膜蒸馏装置的运行过程中，原水进水口8、浓水出水口9、冷凝水入口10、冷凝水出口11、都保持打开状态；给水储液槽15、冷凝水储液槽16都维持一定量水位。当装置停止工作后，可以转移、使用冷凝水储液槽16中的淡水。

如图3所示，独立式光热蒸发材料2包括支撑体17和覆盖在支撑体17外表面的吸光体18，所述吸光体18为表面喷涂了超亲水涂层的垂直取向石墨烯，所述支撑体17为泡沫镍。

吸光体18捕集太阳能，将太阳能转化为热能，形成局部高温区；支撑体17起到机械支撑作用，将吸光体18和疏水膜3分离开。同时，吸光体18还作为给水流道19，通过毛细作用输送给水20，使之到达局部高温区域，实现快速光热蒸发。同时，给水流道19可以保护疏水膜3，防止疏水膜3与给水20直接接触，解决膜污染问题；此外，给水流道19可以避免吸光体18将热流直接传递至给水20，降低能量损失。

其中，独立式光热蒸发材料2的制备方法如下：

1.将泡沫镍放置于等离子体增强化学气相沉积反应腔内，抽真空至<10pa，然后，加热至800℃；

2.打开ch4与h2气阀，通入ch4与h2的混合气体，其中，h2的流量为5mlmin^-1，ch4的流量为5mlmin^-1，气压调整到100pa；

3.开启电感耦合等离子体源，功率调整至250w，维持120min；

4.关闭等离子体源，关闭ch4与h2气阀，打开ar气阀，通入ar，作为冷却气体，待冷却至室温，取出垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫；

5.将所得到的垂直取向石墨烯/泡沫镍表面用喷枪喷涂3次，均匀地喷涂上聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)溶液，在空气中静置干燥，在垂直石墨烯表面形成超清水涂层，得到独立式光热蒸发材料。

制备的独立式光热蒸发材料的，外表面为黑色。经表面喷涂处理的独立式光热蒸发材料表现出强亲水性，水接触角为20.4°，说明吸光体可以通过毛细作用传输给水。

独立式光热蒸发材料的微观结构表现为三维的多孔结构；垂直取向石墨烯由碳纳米壁构成，均匀地分布在泡沫镍的骨架上。

独立式光热蒸发材料在200-2600纳米波段的平均光吸收率高达98.0％；垂直取向分布的碳纳米壁，阻止了入射光的逃逸，对光的捕集能力极强。

独立式光热蒸发材料2底部插入给水槽6中，吸收太阳能，并将光能转化为热能，蒸发给水；水蒸汽在水蒸汽通道4内富集，随后穿过疏水膜3冷凝，冷液仓7收集冷凝的淡水，在1kwm^-2的光强条件下，该材料的太阳能利用效率为69.2％。

使用本发明提供的太阳能光热膜蒸馏装置，对盐度为3.25％的天然海水进行膜蒸馏处理，脱盐率达到99.5％，满足饮用要求；对盐度为9.85％的人工盐水进行膜蒸馏处理，脱盐率达到99.4％，满足饮用要求；对盐度为16.7％的人工盐水进行膜蒸馏处理，脱盐率达到99.2％，满足饮用要求。对油水混合物(天然海水：3.25％；矿物油：1gl^-1)进行膜蒸馏处理，脱盐率达到99.1％，冷凝水的总有机碳量维持在5mgl^-1以下，满足饮用要求。

连续60h处理油水混合物(天然海水：3.25％；矿物油：1gl^-1)后，疏水膜表面没有肉眼可见的油污染物附着，水接触角为128.1°，证明了膜仍保留较强的疏水性。

实施例2

本实施例所使用的太阳能光热膜蒸馏装置如实施例1所述，其中，疏水膜3的孔径为0.1μm；水蒸汽通道4宽度为3mm；独立式光热蒸发材料2的制备方法如下：

1.将泡沫镍放置于等离子体增强化学气相沉积反应腔内，抽真空至<10pa，然后，加热至700℃；

2.打开ch4与h2气阀，通入ch4与h2的混合气体，其中，h2的流量为5mlmin^-1，ch4的流量为5mlmin^-1，气压调整到50pa；

3.开启电感耦合等离子体源，功率调整至250w，维持60min；

4.关闭等离子体源，关闭ch4与h2气阀，打开ar气阀，通入ar，作为冷却气体，待冷却至室温，取出垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫；

5.将所得到的垂直取向石墨烯/泡沫镍表面用喷枪喷涂6次，均匀地喷涂上聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)溶液，在空气中静置干燥，在垂直石墨烯表面形成超清水涂层，得到独立式光热蒸发材料。

本实施例的各项性能测试结果见表1。

实施例3

本实施例所使用的太阳能光热膜蒸馏装置如实施例1所述，其中，疏水膜3的孔径为0.2μm；水蒸汽通道4宽度为2mm；独立式光热蒸发材料2的制备方法如下：

1.将泡沫镍放置于等离子体增强化学气相沉积反应腔内，抽真空至<10pa，然后，加热至650℃；

2.打开ch4与h2气阀，通入ch4与h2的混合气体，其中，h2的流量为5mlmin^-1，ch4的流量为5mlmin^-1，气压调整到400pa；

3.开启电感耦合等离子体源，功率调整至250w，维持30min；

4.关闭等离子体源，关闭ch4与h2气阀，打开ar气阀，通入ar，作为冷却气体，待冷却至室温，取出垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫；

5.将所得到的垂直取向石墨烯/泡沫镍表面用喷枪喷涂4次，均匀地喷涂上聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)溶液，在空气中静置干燥，在垂直石墨烯表面形成超清水涂层，得到独立式光热蒸发材料。

本实施例的各项性能测试结果见表1。

实施例4

本实施例所使用的太阳能光热膜蒸馏装置如实施例1所述，其中，疏水膜3的孔径为0.22μm；水蒸汽通道4宽度为1.5mm；独立式光热蒸发材料2的制备方法如下：

1.将泡沫镍放置于等离子体增强化学气相沉积反应腔内，抽真空至<10pa，然后，加热至600℃；

2.打开ch4与h2气阀，通入ch4与h2的混合气体，其中，h2的流量为5mlmin^-1，ch4的流量为5mlmin^-1，气压调整到500pa；

3.开启电感耦合等离子体源，功率调整至250w，维持90min；

4.关闭等离子体源，关闭ch4与h2气阀，打开ar气阀，通入ar，作为冷却气体，待冷却至室温，取出垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫；

5.将所得到的垂直取向石墨烯/泡沫镍表面用喷枪喷涂5次，均匀地喷涂上聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)溶液，在空气中静置干燥，在垂直石墨烯表面形成超清水涂层，得到独立式光热蒸发材料。

本实施例的各项性能测试结果见表1。

表1实施例1-4制备的太阳能光热海水淡化装置的性能测试结果

上述是结合实施例对本发明作出的详细说明，但是本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它任何在本发明专利核心指导思想下所作的改变、替换、组合简化等都包含在本发明专利的保护范围之内。