一种基于生物质的新型太阳能水蒸发器及其制备方法和应用

本发明涉及能量转换水蒸发器制备，具体是一种基于生物质的新型太阳能水蒸发器及其制备方法和应用。

背景技术：

1、淡水资源的短缺日益成为社会持续稳定发展面临的巨大挑战。据报道，全球约三分之一的人口无法饮用到清洁水，随着人口增长和环境的问题越发严峻，对清洁淡水资源的需求逐渐增加。探索低能耗的先进净水技术是缓解淡水短缺的关键。光热转换技术的出现极大地扩展了太阳能在发电、生活用水加热、海水淡化或净化等领域的应用。

2、太阳能驱动水蒸发被认为是一种前景广阔的低耗和环保技术，可以缓解淡水短缺，因为目前工业上常用的反渗透法、电渗析发和多级闪蒸法对电力能源的消耗过大，需要复杂的基础设施，废气排放到环境中，不符合人类长期发展的理念。然而，传统的太阳能蒸馏系统，将太阳能吸收器放置在底部或均匀地分散在散装水中，会造成光热损失，有限地表现出太阳能蒸发性能。为了克服这一缺点，研究人员提出了界面太阳能蒸汽发生(svg)，将吸收光线和光热转换材料重新定位在靠近蒸发表面的位置，通过降低对散水和环境的热量损耗来提高产生蒸汽的效率。然而，在这一设计中，光热转换效率与蒸发速率往往不能同时改善，而不能真正应用到现实生活。同时，以往的水蒸发器的设计工艺过于复杂且使用二次原料，大幅度限制了可用材料的选择。这导致了传统的蒸发器蒸发效果不理想且不能够大规模的应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种基于生物质的新型太阳能水蒸发器及其制备方法和应用。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种基于生物质的新型太阳能水蒸发器，从下至上依序包括水传输层、隔热层以及光热转换层；

4、其中，水传输层为超亲水垂直阵列管道状的多孔网络骨架结构；

5、隔热层为超亲水性且热阻高的二氧化硅气凝胶，将其涂层在所述水传输层上形成稳定的界面；

6、光热转换层具有较好的光热转换能力，并涂层在所述隔热层上形成光热界面。

7、本发明还公开了一种基于生物质的新型太阳能水蒸发器的制备方法，包括以下步骤：

8、s1：将生物质废料ⅰ，分别在保护性气体下，加热到600-1000℃下，冷却，制得二氧化硅-碳混合材料；

9、s2：将二氧化硅-碳混合材料，继续在保护气体下加热到1100-1700℃，冷却，制得光热转换层用材料；

10、s3：将生物质废料ⅱ，按照步骤s1和s2的方法，合成具有垂直阵列管道的水传输层用材料；

11、s4：采用两种含硅源的前驱体，先进行水解，再经酸碱两步催化，最后通过真空冷冻干燥，得到隔热层用二氧化硅气凝胶；

12、s5：然后依序将隔热层用二氧化硅气凝胶涂敷在水传输层，光热转换层用材料涂敷在隔热层上。

13、作为本发明的优选方案，步骤s5的具体工艺如下：

14、a.首先，将壳聚糖溶于乙酸中，得壳聚糖溶液；

15、b.然后，将二氧化硅气凝胶和二氧化硅-碳混合材料分别加入壳聚糖溶液中，再加入粘结剂溶液，混合均匀，分别得到sa胶体和scc胶体；

16、c.用sa胶体在水传输层材料表面涂上一定厚度的涂层，等待一段时间后再涂上一层scc胶体，最后通过冷冻真空干燥，得到一种基于生物质的新型太阳能水蒸发器。

17、作为本发明的优选方案，步骤b中：所述粘结剂为聚丙烯酰胺、萘酚、聚氨酯胶粘剂、环氧树脂胶粘剂中的一种或多种；和/或；

18、步骤c中，所述涂层厚度为1-5mm。

19、作为本发明的优选方案，所述生物质废料ⅰ包括稻壳、秸秆、麦麸、玉米芯、锯末、甘蔗渣中的一种或多种；

20、生物质废料ⅱ包括木头、竹子、芦苇、蘑菇、甘蔗中的一种或多种。

21、作为本发明的优选方案，步骤s1中，所述加热的升温速率为5-25℃/min，加热到指定温度后保温0.5-2h。

22、作为本发明的优选方案，步骤s2中，所述加热的升温速率为1-10℃/min，加热到指定温度后保温0.5-2h。

23、作为本发明的优选方案，步骤s1至s3中：所述保护性气体为氮气、氩气、氦气中的至少一种，通入流量为40-150sccm。

24、作为本发明的优选方案，步骤s4中：所述硅源为水玻璃、甲基三甲氧基硅烷(mtms)、甲基三乙氧基硅烷(mtes)、二甲基二甲氧基硅烷(dmdms)、三甲基甲氧基硅烷(tmms)的一种或多种，和/或，所述的酸为盐酸、硫酸、硝酸的一种，所述的碱为氢氧化钠、氨水、氢氧化钾的一种。

25、本发明还公开了一种如上所述的基于生物质的新型太阳能水蒸发器或如上任一所述制备方法制得的基于生物质的新型太阳能水蒸发器在太阳能驱动下水蒸发海水淡化中的应用。

26、本发明可取得以下有益效果至少其中之一：

27、1)本发明的方法所用原材料的来源广泛、成本低，生物质废料循环利用、有利于可持续发展；

28、2)本发明的制备工艺简单，无序后续处理，可用于大规模生产；

29、3)本发明充分利用了天然生物质的垂直阵列多孔结构作为水传输层极大地提升了水通量，从而加快了蒸发速率和效率；

30、4)本发明利用碳材料以及半导体的光吸收能力以及光热转换的特性作为蒸发器光热转换层充分吸收太阳光，提供延绵不断的能量输送。

31、5)本发明将气凝胶具有非常优异的隔热效果作为隔热层材料，极大程度上降低了热量损失。

32、6)本发明通过涂层的形式，充分结合利用不同材料的特性组装了新型夹层式的水蒸发器cas，它具有长期的稳定性以及耐盐性，为夹层式蒸发器应用大规模太阳能海水淡化获取清洁水的发展提供了新策略。

技术特征：

1.一种基于生物质的新型太阳能水蒸发器，其特征在于，从下至上依序包括水传输层、隔热层以及光热转换层；

2.一种基于生物质的新型太阳能水蒸发器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种基于生物质的新型太阳能水蒸发器的制备方法，其特征在于，步骤s5的具体工艺如下：

4.根据权利要求3所述的一种基于生物质的新型太阳能水蒸发器的制备方法，其特征在于，步骤b中，所述粘结剂为聚丙烯酰胺、萘酚、聚氨酯胶粘剂、环氧树脂胶粘剂中的一种或多种；和/或；

5.根据权利要求2所述的一种基于生物质的新型太阳能水蒸发器的制备方法，其特征在于，所述生物质废料ⅰ包括稻壳、秸秆、麦麸、玉米芯、锯末、甘蔗渣中的一种或多种；

6.根据权利要求2所述的一种基于生物质的新型太阳能水蒸发器的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述加热的升温速率为5-25℃/min，加热到指定温度后保温0.5-2h。

7.根据权利要求2所述的一种基于生物质的新型太阳能水蒸发器的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述加热的升温速率为1-10℃/min，加热到指定温度后保温0.5-2h。

8.根据权利要求2所述的一种基于生物质的新型太阳能水蒸发器的制备方法，其特征在于，步骤s1-s3中，所述保护性气体为氮气、氩气、氦气中的至少一种，通入流量为40-150sccm。

9.根据权利要求2所述的一种基于生物质的新型太阳能水蒸发器的制备方法，其特征在于，步骤s4中，所述硅源为水玻璃、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、三甲基甲氧基硅烷的一种或多种，和/或，所述的酸为盐酸、硫酸、硝酸的一种，所述的碱为氢氧化钠、氨水、氢氧化钾的一种。

10.一种如权利要求1所述的基于生物质的新型太阳能水蒸发器或如权利要求2-9任一所述制备方法制得的基于生物质的新型太阳能水蒸发器在太阳能驱动下水蒸发海水淡化中的应用。

技术总结
本发明公开了一种基于生物质的新型太阳能水蒸发器及其制备方法和应用，涉及能量转换技术领域，其包括水传输层、隔热层和光热转换层，其中水传输层为超亲水垂直阵列管道状的多孔网络骨架，隔热层为超亲水性且热阻高的二氧化硅气凝胶涂层在水传输层上形成稳定的界面，以及光热转换材料具有较好的光热转换能力，并涂层在隔热层上形成光热界面。本发明原料来源广泛，成本低，制备方法操作简单、方便，易于实现，并且可组装成水蒸发速率快且能量效率高的水蒸发器，因此有利于大规模地生产。本发明可用于界面太阳能蒸发，具有高效生产洁净水，长期稳定性、抗污性和抗盐性好，具有广泛的应用前景。

技术研发人员：王志朋,邬林奕,刘美
受保护的技术使用者：江西师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15