一种基于协同太阳能光热-电致焦耳热效应的高效能量转换装置及其应用

本发明涉及环保装置领域，具体涉及一种基于协同太阳能光热-电致焦耳热效应的高效能量转换装置及其应用。

背景技术：

1、垃圾渗滤液是一种城市生活垃圾在堆放或填埋过程中，因自身含水率较高、生化分解、自然降雨侵蚀等过程而产生的高毒害性污染物。目前国内外针对垃圾渗滤液常见的处理工艺流程为预处理后接生物处理后接深度处理，为满足日趋严格的排放标准，使得深度处理工艺可根据污水水质及环保排放标准设计纳滤(nf)、反渗透(ro)等膜分离工艺，或设计混凝沉淀、过滤、高级氧化等处理工艺对垃圾渗滤液进行深度处理。在实际工程应用上，国内外多采用预处理后接厌氧处理后接膜生物反应器(mbr)后接nf后接ro为主的组合式工艺。尽管nf及ro膜处理工艺能够保证渗滤液处理系统稳定的出水水质，但也会产生更为难以处理的膜浓缩液，其成分复杂，以腐殖酸及芳香烃等稳定物质为主，盐含量较高，毒害性极大，难以通过常规渗滤液处理工艺充分去除。同时为了保障ro膜工艺段出水符合日益严苛的排放指标，膜浓缩液产量也在逐渐增加，约占到渗滤液原液体积的13％-30％。目前对这部分膜浓缩液仅能够通过焚烧飞灰固化、石灰制浆、入炉回喷等方式少量消耗，但不能够满足日常处理需求。

2、除上述处理方式外，目前国内外还开发了如回灌处置、焚烧法、高级氧化法、混凝沉淀法、蒸发法及相关组合处理等工艺路线对膜浓缩液做进一步处置。但这些工艺路线均存在一定程度的应用限制及问题，如回灌法尽管可有效降低膜浓缩液的cod及氨氮浓度，但随着时间的延长，膜浓缩液中盐分及难降解污染物会明显积累，抑制生化处理过程的微生物活性，并且恶化膜处理工艺环节的结垢问题，严重降低处理效率与水回收率；焚烧法处理高效且彻底，但过程难以控制，且焚烧过程存在有害气体释放、结焦结渣、炉体严重腐蚀等问题；高级氧化可有效提高膜浓缩液的可生化性，对cod、色度、腐殖酸等去除效果明显，但需额外投加大量具有强氧化性的氧化剂与混凝剂，产生的大量污泥也会造成二次污染并增加后处理成本，且单一的氧化工艺不能够对膜浓缩液进行充分处理，需与其他方法组合运用；混凝沉淀法能够去除膜浓缩液中悬浮颗粒物，并沉淀部分金属离子与非溶解性有机物，但其净化效果往往不够彻底，一般作为预处理工艺与其他技术联合处理膜浓缩液；而蒸发法则是在一定的温度及压力条件下，将混合溶液中的水相分离的过程，理论上可将原液体积浓缩至2％-10％，并且蒸发处置过程的运行成本也可通过低耗能的能量循环途径控制在合理范围，是当前在技术与经济上处置膜浓缩液最具合理可行性的技术之一。但蒸发法在当前的技术背景下仍无法实现真正的“能量中和”，尽管如垃圾焚烧热值与尾气热值等低品位热源能够作为蒸发工艺的余热供应源以实现部分能量抵消，但目前的蒸发工艺仍需要大量的一次化石能源消耗供应，仍是不可持续的处理过程。同时，如浸没蒸发利用填埋气燃烧产生的高温气体与渗滤液直接接触并使得其中水分迅速蒸发，尽管常压操作条件较为便捷，但渗滤液中极高的氯离子含量会在高温蒸发过程中造成严重的设备腐蚀；机械压缩蒸发通过蒸汽加压以提高蒸汽温度，尽管可提高系统能量利用率，但工艺过程产生的高腐殖酸、高含盐量的浓缩液对设备材料抗腐蚀也提出了额外的要求；负压蒸发可利用水相在负压条件下沸点降低的特性，缓解氯离子对金属设备的腐蚀，但条件控制较为复杂；此外还有一种结合膜处理工艺与蒸发技术的膜蒸馏工艺，是以疏水性微孔膜两侧蒸汽压差为驱动力，使热腔室一侧蒸汽分子穿过膜孔后再冷腔室一侧冷凝富集，从而实现溶液分离、浓缩或提纯等目的的膜分离过程，尽管其具有相当的用于膜浓缩液蒸发减量处置的潜力，但其仍在初期的应用探索阶段，工业层面的大规模应用仍需进一步的探讨。同时，上述蒸发工艺均是对大量膜浓缩液整体加热，但有效蒸发面仅为二维平面，使得空间利用率较低，且单位有效蒸发面积的能效比较低。

3、随着社会发展的绿色可持续转型需求，太阳能作为自然界储量最为丰富的可再生能源之一，随着以光伏产业为代表的技术进步，逐渐受到广泛关注。同时，太阳能利用技术在水处理行业领域的研究也在逐渐兴起，太阳能本身作为能量载体的一种形式，能够通过直接转换为热能被利用，或通过光电转换为电能后再被以其他能量形式而间接利用，因此表现出极大的潜力为膜浓缩液蒸发减量处置的过程赋能。太阳能光热效应是利用如石墨烯、碳纳米管等全光谱吸光材料通过吸收入射光光子能量将其转换为热能，光热转换率高，能量利用率高，近年来在太阳能蒸发浓缩这一新兴水处理领域受到广泛关注，但其受自然光照强度波动影响较大且在夜间无法运行的间歇性，使得其不足以作为独立运行的技术有效用于膜浓缩液蒸发减量；电致焦耳热效应是利用电流通过导电材料内部，电子流动在材料内部形成碰撞损耗释能并转换为热能的过程，操作便捷，运行可靠，结合当前的光伏发电及储能组件，可在光热效应运行性能不足时作为有效的能量补充，从而实现全天候的膜浓缩液蒸发减量处置。此外，传统蒸发方式对大体积的膜浓缩液加热使其蒸发，热能利用效率低；界面蒸发是近年来发展起来的一种新型蒸发系统，其能够将施加于蒸发系统的热值仅集中在气液蒸发界面，极大程度上减少了向环境扩散的热能损失，但这类界面蒸发系统也仍是将有效蒸发面积限制在二维平面，空间利用率较低，仍需设计更为合理的构型，如设计基于垂直空间的三维有效蒸发面结构，有效蒸发面积增加的同时还可利用周围大气环境热值等低品位热值，提高单位空间内的系统效能，以实现稳定高效运行的全天候膜浓缩液蒸发减量。

4、因此，亟需一种新型的技术方案，来填补现有技术的不足。

技术实现思路

1、基于上述原因，本发明开发了一种基于协同太阳能光热-电致焦耳热效应的高效能量转换装置，并实现在单位面积上更大的有效蒸发面积，提高蒸发系统空间利用率的一体化装置，利用清洁可再生太阳能驱动全天候的膜浓缩液蒸发减量处理，为顽固性垃圾渗滤液膜浓缩液的无害化处理提供合理可行、经济高效的技术路径。

2、所述基于协同太阳能光热-电致焦耳热效应的高效能量转换装置包括具有太阳能转换特性的疏水改性膜，通过将羧基化碳纳米管涂覆于疏水聚四氟乙烯(pvdf)微孔膜表面，随后通过机械热压的方式提高羧基化碳纳米管与pvdf微孔膜表面的结合强度，在保证二者形成稳定结合的前提下再对负载于pvdf微孔膜表面的羧基化碳纳米管进行疏水改性，疏水改性剂为聚二甲基硅氧烷(pdms)在溶剂体系中与固化剂作用，从而在pvdf微孔膜上所负载的羧基化碳纳米管表面形成透明疏水层，而形成的透明疏水层能够赋予pvdf膜上负载的羧基化碳纳米管以疏水特性的同时，还能够保留其吸收太阳光并进行高效太阳能光热转换的特性；另外通过先将羧基化碳纳米管通过机械热压的方式使其与pvdf微孔膜形成稳定结合后再对羧基化碳纳米管进行疏水修饰，更加能够提高疏水修饰羧基化碳纳米管在本发明所描述的固液气混合界面上受气液流态体冲击下的稳定性，同时pvdf微孔膜表面所形成的稳定羧基化碳纳米管覆层能够形成导电网，即通过本发明中所描述的疏水改性方式，将羧基化碳纳米管先在pvdf微孔膜表面形成稳定结合后再对膜表面羧基化碳纳米管做疏水改性，仍能够保留涂覆碳纳米管层内部导电性，赋予其电致焦耳热的特性。

3、本发明进一步将所述改性复合膜与吸水材料通过层叠组装、卷曲成型装配等步骤得到具有三维垂直空间体相分布的高效能量转换装置，在所设计的蒸发浓缩设备系统中，所述高效能量转换装置能够利用羧基化碳纳米管的太阳能光热转换性能及电致焦耳热转换性能，将输入系统的太阳能以直接或间接的方式转换为热能并传递给吸水材料层所吸附的垃圾渗滤液膜浓缩液，驱动其中水相快速蒸发分离，同时该能量转换装置能够利用周围空气中环境热值的输入，进一步地提高膜浓缩液蒸发性能，在相同平面面积内形成更大的有效蒸发面积，为绿色可持续地提升渗滤液膜浓缩液蒸发减量处置效能提供了一种能量效率更高、运行维护更便捷、处理成本更低廉的装置。

4、本发明的一个目的在于，提供一种基于协同太阳能光热-电致焦耳热效应的高效能量转换装置，包括如下器件：蒸发槽、三维高效能量转换装置、隔热层，所述蒸发槽底部接入循环水泵，采取连续流或序批式运行的方式输入膜浓缩液；

5、所述隔热层覆盖于所述蒸发槽上表面，所述隔热层上设置有若干固定尺寸的圆孔，所述三维高效能量转换装置通过所述圆孔插入蒸发槽中与膜浓缩液接触；

6、所述三维高效能量转换装置从内向外包括：支撑组件、吸水材料层、疏水改性复合膜；

7、所述疏水改性复合膜为羧基化碳纳米管和pdms改性的疏水pvdf微孔膜；

8、所述疏水改性复合膜的制备方法包括如下步骤：

9、s1.制备羧基化碳纳米管分散匀浆，并涂覆于疏水pvdf微孔膜表面，经烘干、热压后，形成复合膜；

10、s2.将所述复合膜浸没于含有pdms和固化剂的疏水改性溶液中，干燥后得到疏水改性复合膜。

11、进一步地，步骤s1中，所述羧基化碳纳米管分散匀浆的制备方法为：

12、将羧基化碳纳米管加入溶剂中，搅拌后进行超声处理，得到所述羧基化碳纳米管分散匀浆。

13、进一步地，所述羧基化碳纳米管分散匀浆的制备方法包括如下步骤：机械搅拌25-35min，水浴超声分散25-35min；所述机械搅拌的搅拌转速为380-420rpm，所述水浴超声分散的超声频率为28-32khz。

14、进一步地，步骤s1中，所述涂覆包括如下步骤：

15、(1)将羧基化碳纳米管分散匀浆加入空气压缩喷枪储液罐中，均匀喷涂至疏水pvdf微孔膜表面；

16、(2)每张疏水pvdf微孔膜表面均匀喷涂90ml羧基化碳纳米管分散匀浆后，放入60℃烘箱中使乙醇溶剂充分挥发。

17、进一步地，步骤s1中，所述热压的条件为：压力10-12mpa，温度为140-150℃，时间为2-3h。

18、进一步地，所述空气压缩喷枪，压缩空气工作压力为0.15-0.20bar，所述空气压缩喷枪喷口流速为300-350ml/min，喷口直径为1.5-2.0mm。

19、进一步地，步骤s2中，所述疏水改性溶液以烷烃为溶剂，所述pdms为溶剂体积分数的1-5％，所述固化剂为pdms质量的8-12％。

20、进一步地，所述烷烃选自正庚烷、正己烷、2-甲基己烷中的一种或多种；所述固化剂选自二乙烯基苯和二异氰酸酯，n,n-亚甲基双丙烯酰胺中的一种或多种。

21、进一步地，步骤s2中，所述浸没的时间为5-15s。

22、进一步地，步骤s1中，所述疏水pvdf微孔膜厚度为0.05-0.2mm，平均微孔孔径0.1-0.3μm。

23、进一步地，所述疏水pvdf微孔膜的尺寸为直径140-160mm。

24、进一步地，所述基于协同太阳能光热-电致焦耳热效应的高效能量转换装置的制备方法，包括如下步骤：

25、l1.在所述疏水改性复合膜两端设置电极及导线，固化封装后，形成膜组件；

26、l2.将所述膜组件与吸水材料组合、卷曲、封装，得到三维高效能量转换装置；

27、l3.将隔热层覆盖于蒸发槽上表面，将所述三维高效能量转换装置通过所述隔热层上的圆孔插入所述蒸发槽中，得到所述基于协同太阳能光热-电致焦耳热效应的高效能量转换装置。

28、进一步地，步骤l1中，所述固化封装为：将含有pdms和固化剂的疏水改性溶液涂覆于所述电极表面，然后将液态硅橡胶涂覆于所述电极和疏水改性复合膜上，经固化后形成膜组件。

29、进一步地，步骤l1中，包括如下步骤：

30、(1)在改性疏水pvdf微孔膜预留电极区域装入金属电极，由耐高温双面导电铜箔胶带粘附于区域内为疏水改性羧基化碳纳米管区域；

31、(2)将10gpdms与1g配套固化剂完全混合，并在10min内均匀涂覆于电极表面，并将电极与改性疏水pvdf微孔膜交界区域也均匀涂覆，置于常温下固化。

32、进一步地，步骤l2中，包括如下步骤：

33、(1)将所述膜组件修饰有羧基化碳纳米管的一侧朝上，膜组件下方放置一张尺寸与膜组件匹配的吸水材料作为吸水层，构成层叠结构；

34、(2)将所述层叠结构向内卷曲，使膜组件修饰羧基化碳纳米管侧朝外，吸水材料朝内，卷曲结构中心包覆支撑组件；

35、(3)将膜组件两端电极按照卷起结构内-卷曲结构外的空间分布由导线自电极引出，卷曲结构外围开口用耐热膜封装，得到三维高效能量转换装置。

36、进一步地，步骤l3中，包括如下步骤：

37、(1)以蒸发槽为主体，在蒸发槽侧边底部开孔，接入循环水泵以采取连续流或序批式运行的方式向蒸发槽流入纳滤工艺环节的膜浓缩液；

38、(2)蒸发槽上表面覆盖疏水性隔热层，隔热层上按照固定间距均匀分布一定数量及固定尺寸的圆孔，将三维高效能量转换装置嵌入其中，使吸水材料浸入膜浓缩液；

39、(3)利用毛细芯吸效应将膜浓缩液提升至高效能量转换装置中供后续蒸发减量，循环水泵维持蒸发槽中膜浓缩液存量。

40、本发明的另一个目的在于，提供上述基于协同太阳能光热-电致焦耳热效应的高效能量转换装置在垃圾渗滤液膜浓缩液减量处理中的应用。

41、本发明具有以下的有益效果：

42、1.本发明提供的装置仅需利用太阳能驱动光热效应或光伏电效应，无需消耗大量一次化石能源，无需复杂的机械装置及高昂的建造维护成本，运行便捷安全可靠。

43、2.本发明提供的装置通过增强膜组件的鲁棒性、表面疏水改性及电极端封装等手段，提供了一种稳定的装置核心膜组件，保障了装置系统长周期运行的稳定性，大幅度提高了核心组件的使用寿命，降低了更换及维护所需费用和环境影响。

44、3.本发明提供的装置设计通过在垂直空间构建三维高效能量转换装置，增加了有效蒸发面积，增加了蒸发工艺系统的空间利用率，通过热值集中式蒸发界面与低品位环境热能吸收提升了系统热能转换利用效率。

45、4.本发明提供的装置通过将光伏绿电驱动的电致焦耳热效应引入系统中，解决了传统直接太阳能因日照强度不足或夜间不可运行的间歇性问题，通过太阳能光热与电致焦耳热的协同作用实现了高效的全天候运行。