一种太阳能蒸发器及其制备方法与应用与流程

本发明涉及海水淡化领域，尤其涉及一种太阳能蒸发器及其制备方法与应用。

背景技术：

能源危机和淡水资源短缺是21世纪的两个重要议题。太阳能蒸发作为解决能源和水资源短缺的常用技术，其应用潜力不断扩大。太阳能蒸发利用清洁丰富的太阳能，可实现纯水生产和海水淡化的水处理工艺。

目前太阳能蒸发器的研究目标是提高太阳能利用率和延长使用寿命，因此提高蒸发速率和抑制盐结晶是目前提高太阳能蒸发速率所必须达到的目标。聚吡咯(ppy)和多巴胺等高分子材料由于其加工简单、光热转换能力强等优点，被证明适合作为光热材料，将其掺入蒸发器中具有优异的蒸发性能。

然而，目前大多数的太阳能蒸发器都存在热损失大和盐结晶严重的问题。热损失主要由热传导和热辐射损失引起，通过蒸发器结构的设计，加强热能管理，可以减少热损失。除此之外，在蒸发界面过量的水供应也会造成严重的传热损失。然而，当蒸发界面供水较少且不连续时，产生的热辐射，则会容易引起盐结晶。蒸发界面上结晶盐的存在降低了太阳光的吸收，影响了太阳能蒸发器的蒸发性能，并对设备造成不可逆的损坏。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种太阳能蒸发器及其制备方法与应用，旨在解决现有太阳能蒸发器容易在蒸发界面上产生结晶盐的问题。

一种太阳能蒸发器的制备方法，其中，包括：

将光热材料与硅藻土混合得到混合液；

采用互通多孔材料吸附所述混合液，得到吸附混合液的互通多孔材料；

将所述吸附混合液的互通多孔材料进行固化处理，制备得到太阳能蒸发器。

所述的太阳能蒸发器的制备方法，其中，所述将光热材料与硅藻土混合得到混合液后，还包括：将所述混合液静置消除气泡。

所述的太阳能蒸发器的制备方法，其中，所述固化处理包括：

将所述吸附混合液的互通多孔材料在80-130℃的环境下进行干燥固化。

所述的太阳能蒸发器的制备方法，其中，所述互通多孔材料为三聚氰胺海绵。

所述的太阳能蒸发器的制备方法，其中，所述三聚氰胺海绵的厚度为0.5-3cm。

所述的太阳能蒸发器的制备方法，其中，所述光热材料与所述硅藻土的质量比为5-15：0.1-0.3。

所述的太阳能蒸发器的制备方法，其中，所述光热材料包括聚乙烯二氧噻吩。

所述的太阳能蒸发器的制备方法，其中，所述光热材料为包含聚乙烯二氧噻吩的导电油墨。

一种太阳能蒸发器，其中，采用如上所述太阳能蒸发器的制备方法制备得到。

一种如上所述的太阳能蒸发器在淡化海水中的应用。

有益效果：本发明将吸附有光热材料与硅藻土的混合液的互通多孔材料进行固化，从而制备得到含有硅藻土的太阳能蒸发器。本发明利用所述硅藻土的超亲水性，使所述硅藻土能够作为太阳能蒸发器的供水渠道，从而为蒸发界面提供适量的水，进而显著缓解了蒸发界面的盐结晶现象。

附图说明

图1为本发明中所述三聚氰胺海绵的场发射电子显微镜图。

图2为本发明所制备的太阳能蒸发器的蒸发速率图。

具体实施方式

本发明提供一种太阳能蒸发器及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种太阳能蒸发器的制备方法，其中，包括：

s101、将光热材料与硅藻土混合得到混合液；

s201、采用互通多孔材料吸附所述混合液，得到吸附混合液的互通多孔材料；

s301、将所述吸附混合液的互通多孔材料进行固化处理，制备得到太阳能蒸发器。

本发明将吸附有光热材料与硅藻土的混合液的互通多孔材料进行固化，从而制备得到含有硅藻土的太阳能蒸发器。本发明利用所述硅藻土的超亲水性，使所述硅藻土能够作为太阳能蒸发器的供水渠道，从而为蒸发界面提供适量的水，进而显著缓解了蒸发界面的盐结晶现象。

所述s101中，所述光热材料是指具有一定光热转换能力的材料。所述光热材料能够将光能转换成热能，进而能够为蒸发过程提供蒸发所需的热量。

本发明所述光热材料可以是有机光热材料(光热聚合物材料)。在本发明的一个实现方式中，所述光热材料包括聚乙烯二氧噻吩(pedot)或聚乙烯二氧噻吩的衍生物。所述聚乙烯二氧噻吩是3,4-乙烯二氧噻吩单体(edot)的聚合物，具有光热转换能力强的优点，能够被作为光热材料。本发明能利用聚乙烯二氧噻吩的光热转换能力蒸发提供所需的热。

本发明所述光热材料可以是包含所述聚乙烯二氧噻吩的混合光热材料。在本发明的一个实现方式中，所述光热材料为包含聚乙烯二氧噻吩的导电油墨。具体地，所述包含聚乙烯二氧噻吩的导电油墨为工业油墨el-p3040。所述工业油墨el-p3040是一种富含聚乙烯二氧噻吩的导电油墨，具体是一种基于聚合物pedot/pss(聚乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐)的高透明度的导电油墨。本发明能够利用所述工业油墨el-p3040中的聚乙烯二氧噻吩实现光热转换，从而蒸发提供热能。

所述s101中，所述硅藻土是一种硅质岩石，其化学成分以sio2为主，含有少量的al2o3、fe2o3、cao、mgo等和有机质。所述硅藻土的密度1.9-2.3g/cm³，堆密度0.34-0.65g/cm³,比表面积4065m²/g，孔体积0.45-0.98cm³/g，吸水率是自身体积的2-4倍，熔点1650c-1750℃，在电子显微镜下可以观察到特殊多孔的构造。

所述硅藻土的颜色为白色、灰白色、灰色和浅灰褐色等，有细腻、松散、质轻、多孔、吸水性和渗透性强的性质。本发明利用所述硅藻土的超亲水性，使所述硅藻土能够作为太阳能蒸发器的供水渠道，从而为蒸发界面提供适量的水，进而显著缓解了蒸发界面的盐结晶现象。

在本发明的一个实现方式中，所述光热材料与所述硅藻土的质量比为5-15：0.1-0.3。本发明中蒸发表面的供水量可以通过调节硅藻土的含量来控制的。本发明通过合理控制所述光热材料与所述硅藻土的质量比或者说通过调节所述硅藻土的含量，调节所制备的蒸发器的蒸发界面的供水量，保证所述蒸发器的蒸发界面具有合适供水量，从而能够同时避免在蒸发界面过量的水供应造成严重的传热损失的问题以及蒸发界面的盐结晶问题。

所述s101中，所述混合液为所述光热材料与所述硅藻土的混合产物。当所述光热材料为液态时，可直接将所述硅藻土加入到所述光热材料，形成混合液；当所述光热材料为固态时，可以通过添加一定量的溶剂，从而制备得到混合液。所述溶剂可以根据光热材料以及硅藻土的性质进行选择。本发明制备成所述混合液便于所述硅藻土及光热材料进入所述互通多孔材料的孔道中，保证所述硅藻土及光热材料在所述互通多孔材料中的均匀分布。

所述s101中，所述将光热材料与硅藻土混合的过程中还包括对所述光热材料与硅藻土进行搅拌，从而两者的混合均匀性。具体地，所述搅拌的时间可以为1-2h。

所述s101中，所述将光热材料与硅藻土混合制备得到混合液后，还包括：将所述混合液静置消除气泡。本发明消除所述混合液中的气泡，能够避免在制备过程中所述气泡随着混合液进入所述互通多孔材料的孔道中，导致固化后所述光热材料和所述硅藻土在所述互通多孔材料分布不连续的问题。具体地，所述静置的时间为6-10h。

所述s201中，所述互通多孔材料是指具有互通孔道的材料。通常来说，所述互通多孔材料可以为海绵或泡沫。在本发明的一个实现方式中，所述互通多孔材料是三聚氰胺海绵(三聚氰胺泡沫)。所述三聚氰胺海绵能够为所述太阳能蒸发器提供互通大孔，并具有适宜机械强度，相当于所述太阳能蒸发器的骨架。

如图1所示，在本发明的一个实现方式中，所述三聚氰胺海绵的厚度为0.5-3cm，所述三聚氰胺海绵的孔径为50-500μm。通过设置合理的所述三聚氰胺海绵的厚度以及所述三聚氰胺海绵的孔径，可以保证所述混合溶液充分进入所述三聚氰胺海绵的孔道中，进而提高太阳能蒸发器的蒸发性能。具体地，所述三聚氰胺海绵为圆形三聚氰胺海绵，其直径可以为1-50cm。

本发明采用互通多孔材料吸附所述混合液，得到吸附混合液的互通多孔材料。可见，所述吸附混合液的互通多孔材料为互通多孔材料的孔道中含有所述混合液的材料。在本发明的一个实现方式中，所述采用互通多孔材料吸附所述混合液具体可以是将所述互通多孔材料浸入所述混合液中，所述混合液浸入所述互通多孔材料的孔道中。进一步的，将所述互通多孔材料浸入所述混合液中的过程中，还包括挤压所述互通多孔材料，使所述混合溶液快速进入所述互通多孔材料的孔道中。此外，所述吸附混合液的互通多孔材料的制备方法还可以是通过抽滤的方法，实现所述混合溶液进入所述三聚氰胺海绵的孔道中，制备得到所述吸附混合液的互通多孔材料。

所述s301中，通过将所述吸附混合液的互通多孔材料进行固化处理，使吸附在所述互通多孔材料孔道中的混合液固化，得到太阳能蒸发器。

在本发明的一个实现方式中，所述固化处理包括：将所述吸附混合液的互通多孔材料在80-130℃的环境下进行干燥固化。所述80-130℃的环境具体可以是通过开启烘箱并设置烘箱温度实现。进一步地，所述固化处理的时间可以是8-15。本发明通过将所述吸附混合液的互通多孔材料在烘箱中进行干燥固化实现太阳能蒸发器的快速制备。

在本发明的一个实施方式中，本发明所述太阳能蒸发器的制备方法包括步骤：

首先，制备el-p3040导电油墨(富含pedot)与硅藻土的混合液；

其次，将三聚氰胺海绵浸入制备好的混合液中；

最后，在烘箱中加热固化，得到太阳能蒸发器。

本发明还提供一种太阳能蒸发器蒸发性能的测试方法：

以氙灯为模拟太阳光源，进行了蒸发性能试验。利用电子天平实时监测蒸发过程的质量变化，质量损失为蒸发水量。蒸发器的蒸发率(γ，kg/m²h)和蒸发效率(η，％)按下列公式计算

式中，δm(kg)为试验系统在时间t(h)时的重量变化，s(m²)为蒸发器的辐照面积，hv(2.26×106j/kg)为纯水蒸发总焓，p(w/m²)为光源的辐照功率。

本发明还提供一种太阳能蒸发器，其中，采用如上所述太阳能蒸发器的制备方法制备得到。所述太阳能蒸发器包括：互通多孔材料，分布在所述互通多孔材料孔道中的复合材料；其中，所述复合材料包括：光热材料、硅藻土。具体地，所述复合材料可以是覆盖在所述互通多孔材料孔道的表面。进一步地，按重量份计，所述复合材料由包括如下成分制备得到：光热材料5-15份、硅藻土0.1-0.3份。

本发明还提供一种如上所述的太阳能蒸发器在淡化海水中的应用。本发明太阳能蒸发器中的所述硅藻土能够作为太阳能蒸发器的供水渠道，从而为蒸发界面提供适量的水，进而显著缓解了蒸发界面的盐结晶现象，特别适合用作淡化海水的太阳能蒸发器。

下面通过具体的对比例和实施例对本发明的技术方案进行说明。

对比例1

el-p3040导电油墨(富含pedot)的预处理：将10g的el-p3040导电油墨(富含pedot)搅拌1h，然后静置10h消除气泡，得到预处理后的el-p3040导电油墨。

制备吸附el-p3040导电油墨的三聚氰胺海绵：将厚度为1cm、直径为25mm的圆形三聚氰胺海绵浸入上述预处理后的el-p3040导电油墨中，并挤压所述三聚氰胺海绵充分吸附预处理后的el-p3040导电油墨，得到吸附el-p3040导电油墨的三聚氰胺海绵。

制备太阳能蒸发器：将所述吸附el-p3040导电油墨的三聚氰胺海绵在100℃的烘箱中干燥10小时，得到太阳能蒸发器。

实施例1

制备el-p3040导电油墨(富含pedot)与硅藻土的混合液：将10g的el-p3040导电油墨(富含pedot)与0.15g的硅藻土的混合物搅拌1h，然后静置10h消除气泡，得到混合液。

制备吸附混合液的三聚氰胺海绵：将厚度为1cm、直径为25mm的圆形三聚氰胺海绵浸入上述混合液中，并挤压所述三聚氰胺海绵充分吸附所述混合液，得到吸附混合液的三聚氰胺海绵。

制备太阳能蒸发器：将所述吸附混合液的三聚氰胺海绵在100℃的烘箱中干燥10小时，得到太阳能蒸发器。

实施例2

制备el-p3040导电油墨(富含pedot)与硅藻土的混合液：将10g的el-p3040导电油墨(富含pedot)与0.3g的硅藻土的混合物搅拌1h，然后静置10h消除气泡，得到混合液。

制备吸附混合液的三聚氰胺海绵：将厚度为1cm、直径为25mm的圆形三聚氰胺海绵浸入上述混合液中，并挤压所述三聚氰胺海绵充分吸附所述混合液，得到吸附混合液的三聚氰胺海绵。

制备太阳能蒸发器：将所述吸附混合液的三聚氰胺海绵在100℃的烘箱中干燥10小时，得到太阳能蒸发器。

实施例3

制备el-p3040导电油墨(富含pedot)与硅藻土的混合液：将10g的el-p3040导电油墨(富含pedot)与0.6g的硅藻土的混合物搅拌1h，然后静置10h消除气泡，得到混合液。

制备吸附混合液的三聚氰胺海绵：将厚度为1cm、直径为25mm的圆形三聚氰胺海绵浸入上述混合液中，并挤压所述三聚氰胺海绵充分吸附所述混合液，得到吸附混合液的三聚氰胺海绵。

制备太阳能蒸发器：将所述吸附混合液的三聚氰胺海绵在100℃的烘箱中干燥10小时，得到太阳能蒸发器。

蒸发性能测试：将海水倒入烧杯中，并将对比例1以及实施例1-3所制备的太阳能蒸发器分别置于烧杯中海水的液面上，以氙灯为模拟太阳光源，采用一个太阳光强度(1000w/m²)的辐照强度，进行蒸发测试。

测试结果：

1、如图2所示，图中ep-0～0.6代表硅藻土含量为0-0.6g的太阳能蒸发器。ep-0对应于对比例1所制备的太阳能蒸发器，ep-0.15、ep-0.3、ep-0.6分别对应于实施例1-3所制备的太阳能蒸发器。从图2可以看出，纯水、ep-0、ep-0.15、ep-0.3、ep-0.6的蒸发速率分别为：0.38kg/m²h、0.93kg/m²h、1.06kg/m²h、1.41kg/m²h、1.09kg/m²h。

2、实施例1-3所制备的太阳能蒸发器经过长时间(10小时)的连续蒸发，用肉眼观察蒸发器的蒸发界面均未形成盐结晶。可见，本发明首次将硅藻土和导电油墨与太阳能蒸发器进行创新型结合，显著改善了蒸发器的蒸发性能特别是缓解了蒸发界面的盐结晶现象。

本发明以工业油墨el-p3040(富含pedot)和硅藻土为原料，制备了一种新型光热蒸发功能层蒸发器，利用pedot的光热转换能力提供蒸发热，利用硅藻土的超亲水性作为供水渠道，为蒸发界面提供适量的水。对高盐度溶液(海水)脱盐处理过程中的盐结晶现象进行了监测，结果表明，本发明所述太阳能蒸发器有效地克服了盐结晶现象。本发明能够适用于大规模生产的太阳能蒸发器，促进太阳能蒸发器在海水淡化中的应用。

下表1为本发明中的专用名词的含义、英文缩略词的含义。

表1，专用名词的含义、英文缩略词的含义

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。