一种太阳能驱动的皮芯多级孔界面蒸发器件及其构筑方法

1.本发明属于新能源技术技术领域，具体涉及一种太阳能驱动的皮芯多级孔界面蒸发器件及其构筑方法。


背景技术：

2.新能源技术对于未来发展至关重要。近年来，太阳能驱动的界面蒸发由于其环保无污染、操作便捷简单以及高效且稳定的光热转换等优点受到广泛关注，其在纯净水获取、海水淡化、废水处理、催化反应等展现出很大的应用前景。
3.高蒸发速率是界面蒸发的关键参数。一般来说，三维(3d)蒸发器由于热损失较少，蒸发速率往往较二维蒸发器高。为了构建快速蒸发的3d太阳能蒸发器件，人们通常喜欢使用天然或人造多孔材料，如凝胶、海绵、植物或其衍生物。因这类蒸发器富含大量相互连接的纳米/微米级孔隙，故可确保快速的水运输。有时通过调整水状态，蒸发速率还可进一步增强。然而，当上述器件用于实际蒸发时，还存在许多不足之处：1)光热材料多为金属、碳材、聚合物，在主材中分散困难，大面积光热蒸发器热效应均匀性差；2)对于高浓度盐水的蒸发，上述多数蒸发器在其表面易发生盐沉积，致使太阳能吸收受阻，持续光热效应差；3)器件对原材料的要求以高、制备过程复杂，导致蒸发速率重复性较差；4)蒸汽扩散受阻，抑制了蒸发，导致持久蒸发速率变小；上述缺陷严重限制了它们的应用。
4.因此，探索太阳能驱动的界面蒸发器件新颖构筑方法，克服上述缺陷，对于开展太阳能驱动的界面蒸发技术在纯净水获取、海水淡化、废水处理、催化等方面的应用有着重要的现实意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服传统技术中存在的上述问题，提供一种太阳能驱动的皮芯多级孔界面蒸发器件及其构筑方法。
6.为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：
7.一种太阳能驱动的皮芯多级孔界面蒸发器件的构筑方法，包括如下步骤：
8.1)以聚乳酸、溶剂黑7、偶联剂kh550为挤出原料，利用螺杆挤出机上挤出成能够进行3d打印的聚乳酸基复合丝线；
9.2)通过计算机构建蒸发器前驱体模型，并借助3d打印熔融沉积技术将步骤1)得到的复合丝线打印成具有皮芯结构的多孔蒸发器件前驱体；
10.3)将步骤2)得到的多孔蒸发器件前驱体完全静置于浓度为1～6mol/l的硫酸溶液中，于20～50℃下进行酸催化水解反应，以增强器件孔道亲水性，保障太阳能驱动的界面蒸发技术在实际应用中液态被蒸发物自下而上传输，以实现液态被蒸发物在界面处蒸发；水解反应1～24h后，取出并经大量水冲洗，自然晾干。
11.进一步地，如上所述构筑方法的步骤1)中，所述聚乳酸、溶剂黑7、偶联剂kh550的质量比为1000:20～50:1～3。
12.进一步地，如上所述构筑方法的步骤1)中，所述溶剂黑7的结构式如式(i)所示：
[0013][0014]
进一步地，如上所述构筑方法的步骤1)中，所述螺杆挤出机的挤出温度为170～200℃。
[0015]
进一步地，如上所述构筑方法的步骤2)中，所述前驱体的形状为长方体或圆柱体。
[0016]
进一步地，如上所述构筑方法的步骤2)中，所述前驱体沿轴线方向或长度方向的高度≤4cm。
[0017]
进一步地，如上所述构筑方法的步骤2)中，所述前驱体的皮芯结构中“皮”部分、“芯”部分的厚度比为1:50～400。
[0018]
进一步地，如上所述构筑方法的步骤2)中，所述前驱体的“皮”部分含有微米级孔，且微米级孔的孔径为2～5μm。
[0019]
进一步地，如上所述构筑方法的步骤2)中，所述前驱体的“芯”部分呈网格状，含上下贯通式垂直毫米级大孔道，且孔道的孔径为0.2～0.4mm。
[0020]
一种太阳能驱动的皮芯多级孔界面蒸发器件，由如上所述的构筑方法的构筑得到。
[0021]
本发明的有益效果是：
[0022]
1、本发明借助溶剂黑7的优良光热能力，使蒸发器件具有高热转换能力，保障了蒸发器件实际应用时具有充足的热蒸发动力，蒸发器件于1个标准太阳光强下温度可达55℃。同时，溶剂黑7的独特结构也给予其与聚乳酸相互作用强、与聚乳酸相容性好，在偶联剂辅助下，也保障了其在聚乳酸中的分散性，由于上述保障的存在，使得即使制备成大面积光热蒸发器，热效应均匀性也较好。
[0023]
2、本发明构筑的器件具有典型的多级孔结构，除芯表面的毫米级大孔外，皮表面微米级孔在经水解后，亲水性增强，有助于水自下而上的毛细作用发生，促进水汽蒸发，提高了蒸发速率，1个标准太阳光强下，水蒸发速率1周内可保持在3.5kg/m2·
h以上。
[0024]
3、本发明构筑的器件芯表面垂直大孔结构，可提供良好通道，方便蒸发浓缩液的回流，因而用于高浓度盐水的蒸发时也可减小盐沉积，提升了持久蒸发速率。器件于20％盐水环境下使用，1个标准太阳光强下，1周内持久蒸发速率仍可保持在3.1kg/m2·
h以上。
[0025]
4、本发明构筑的器件其主要成分由高分子材料聚乳酸组成，力学性能好，可长期使用；同时构筑过程高度可控，器件自身规则，因而重复性高，适合规模化制备，可应用于纯净水获取、海水淡化、废水处理、催化等领域。
[0026]
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。
附图说明
[0027]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领
域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]
图1为本发明实施例1中获得的典型蒸发器件光学示意图；
[0029]
a为器件光学图像(插图为上表面)；
[0030]
b-j为sem图像；b，c：芯的横截面；d、e、f：芯的纵向截面；g、h：皮内壁；i、j：皮外壁；
[0031]
a-j中的标尺分别为5mm、0.5mm、0.2mm、0.5mm、0.1mm、100μm、0.5mm、50μm、1mm和50μm；
[0032]
图2为图1中a的放大图；
[0033]
图3为图1中b的放大图；
[0034]
图4为图1中c的放大图；
[0035]
图5为图1中d的放大图；
[0036]
图6为图1中e的放大图；
[0037]
图7为图1中f的放大图；
[0038]
图8为图1中g的放大图；
[0039]
图9为图1中h的放大图；
[0040]
图10为图1中i的放大图；
[0041]
图11为图1中j的放大图。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
一种太阳能驱动的皮芯多级孔界面蒸发器件的构筑方法，包括如下步骤：
[0044]
1)以聚乳酸、溶剂黑7、偶联剂kh550为挤出原料，利用螺杆挤出机上挤出成能够进行3d打印的聚乳酸基复合丝线；聚乳酸、溶剂黑7、偶联剂kh550的质量比为1000:20～50:1～3；螺杆挤出机的挤出温度为170～200℃；
[0045]
2)通过计算机构建蒸发器前驱体模型，并借助3d打印熔融沉积技术将步骤1)得到的复合丝线打印成具有皮芯结构的多孔蒸发器件前驱体；
[0046]
3)将步骤2)得到的多孔蒸发器件前驱体完全静置于浓度为1～6mol/l的硫酸溶液中，于20～50℃下进行酸催化水解反应，水解反应1～24h后，取出并经大量水冲洗，自然晾干。
[0047]
本发明下述实施例中，螺杆挤出机型号为ks-hxy挤出机。
[0048]
本发明的相关具体实施例为：
[0049]
实施例1
[0050]
1、200℃，将聚乳酸、溶剂黑7、偶联剂kh550，于螺杆挤出机上挤出成可进行3d打印的聚乳酸基复合丝线，待用。所述聚乳酸、溶剂黑、偶联剂kh550的质量比为1000:50:3。
[0051]
2、通过计算机构建蒸发器前驱体模型，并借助3d打印熔融沉积技术将(1)中复合丝线打印成具有皮芯结构的多孔蒸发器件前驱体。所述前驱体形状为长方体；高度2cm；前
驱体的皮含微米级孔(孔径：2～5μm)，芯呈网格状，含上下贯通式垂直毫米级大孔道(孔径：0.2～0.4mm)，皮芯厚度比为1:200。
[0052]
3、将(2)中蒸发器件前驱体完全静置于浓度为6mol/l的硫酸溶液中，于50℃下进行酸催化水解反应，以增强器件孔道亲水性，保障太阳能驱动的界面蒸发技术在实际应用中液态被蒸发物自下而上传输，以实现液态被蒸发物在界面处蒸发。水解1h后，取出经大量水冲洗，自然晾干后即得一种太阳能驱动的多级孔界面蒸发器件。
[0053]
所构筑的太阳能蒸发器件在1个标准太阳光强下，水蒸发速率1周内可保持在3.7kg/m2·
h；器件于20％盐水环境下使用，1个标准太阳光强下，1周内持久蒸发速率可保持在3.5kg/m2·
h。
[0054]
实施例2
[0055]
1、170℃，将聚乳酸、溶剂黑7、偶联剂kh550，于螺杆挤出机上挤出成可进行3d打印的聚乳酸基复合丝线，待用。所述聚乳酸、溶剂黑、偶联剂kh550的质量比为1000:20:1。
[0056]
2、通过计算机构建蒸发器前驱体模型，并借助3d打印熔融沉积技术将(1)中复合丝线打印成具有皮芯结构的多孔蒸发器件前驱体。所述前驱体形状为长方体、正方体或圆柱体；高度不大于4cm；前驱体的皮含微米级孔(孔径：2～5μm)，芯呈网格状，含上下贯通式垂直毫米级大孔道(孔径：0.2～0.4mm)，皮芯厚度比为1:200。
[0057]
3、将(2)中蒸发器件前驱体完全静置于浓度为1mol/l的硫酸溶液中，于20℃下进行酸催化水解反应，以增强器件孔道亲水性，保障太阳能驱动的界面蒸发技术在实际应用中液态被蒸发物自下而上传输，以实现液态被蒸发物在界面处蒸发。水解24h后，取出经大量水冲洗，自然晾干后即得一种太阳能驱动多级孔界面蒸发器件。
[0058]
所构筑的太阳能蒸发器件在1个标准太阳光强下，水蒸发速率1周内可保持在3.5kg/m2·
h；器件于20％盐水环境下使用，1个标准太阳光强下，1周内持久蒸发速率可保持在3.1kg/m2·
h。
[0059]
实施例3
[0060]
1、180℃，将聚乳酸、溶剂黑7、偶联剂kh550，于螺杆挤出机上挤出成可进行3d打印的聚乳酸基复合丝线，待用。所述聚乳酸、溶剂黑、偶联剂kh550的质量比为1000:35:1.5。
[0061]
2、通过计算机构建蒸发器前驱体模型，并借助3d打印熔融沉积技术将(1)中复合丝线打印成具有皮芯结构的多孔蒸发器件前驱体。所述前驱体形状为长方体；高度4cm；前驱体的皮含微米级孔(孔径：2～5μm)，芯呈网格状，含上下贯通式垂直毫米级大孔道(孔径：0.2～0.4mm)，皮芯厚度比为1:200。
[0062]
3、将(2)中蒸发器件前驱体完全静置于浓度为3mol/l的硫酸溶液中，于40℃下进行酸催化水解反应，以增强器件孔道亲水性，保障太阳能驱动的界面蒸发技术在实际应用中液态被蒸发物自下而上传输，以实现液态被蒸发物在界面处蒸发。水解15h后，取出经大量水冲洗，自然晾干后即得一种太阳能驱动多级孔界面蒸发器件。
[0063]
所构筑的太阳能蒸发器件在1个标准太阳光强下，水蒸发速率1周内可保持在3.6kg/m2·
h；器件于20％盐水环境下使用，1个标准太阳光强下，1周内持久蒸发速率可保持在3.1kg/m2·
h。
[0064]
实施例4
[0065]
1、200℃，将聚乳酸、溶剂黑7、偶联剂kh550，于螺杆挤出机上挤出成可进行3d打印
的聚乳酸基复合丝线，待用。所述聚乳酸、溶剂黑、偶联剂kh550的质量比为1000:40:3。
[0066]
2、通过计算机构建蒸发器前驱体模型，并借助3d打印熔融沉积技术将(1)中复合丝线打印成具有皮芯结构的多孔蒸发器件前驱体。所述前驱体形状为长方体；高度3cm；前驱体的皮含微米级孔(孔径：2～5μm)，芯呈网格状，含上下贯通式垂直毫米级大孔道(孔径：0.2～0.4mm)，皮芯厚度比为1:200。
[0067]
3、将(2)中蒸发器件前驱体完全静置于浓度为4.5mol/l的硫酸溶液中，于30℃下进行酸催化水解反应，以增强器件孔道亲水性，保障太阳能驱动的界面蒸发技术在实际应用中液态被蒸发物自下而上传输，以实现液态被蒸发物在界面处蒸发。水解16h后，取出经大量水冲洗，自然晾干后即得一种太阳能驱动多级孔界面蒸发器件。
[0068]
所构筑的太阳能蒸发器件在1个标准太阳光强下，水蒸发速率1周内可保持在3.6kg/m2·
h；器件于20％盐水环境下使用，1个标准太阳光强下，1周内持久蒸发速率可保持在3.2kg/m2·
h。
[0069]
实施例5
[0070]
1、200℃，将聚乳酸、溶剂黑7、偶联剂kh550，于螺杆挤出机上挤出成可进行3d打印的聚乳酸基复合丝线，待用。所述聚乳酸、溶剂黑、偶联剂kh550的质量比为1000:50:2。
[0071]
2、通过计算机构建蒸发器前驱体模型，并借助3d打印熔融沉积技术将(1)中复合丝线打印成具有皮芯结构的多孔蒸发器件前驱体。所述前驱体形状为长方体；高度2cm；前驱体的皮含微米级孔(孔径：2～5μm)，芯呈网格状，含上下贯通式垂直毫米级大孔道(孔径：0.2～0.4mm)，皮芯厚度比为1:200。
[0072]
3、将(2)中蒸发器件前驱体完全静置于浓度为5mol/l的硫酸溶液中，于40℃下进行酸催化水解反应，以增强器件孔道亲水性，保障太阳能驱动的界面蒸发技术在实际应用中液态被蒸发物自下而上传输，以实现液态被蒸发物在界面处蒸发。水解10h后，取出经大量水冲洗，自然晾干后即得一种太阳能驱动多级孔界面蒸发器件。
[0073]
所构筑的太阳能蒸发器件在1个标准太阳光强下，水蒸发速率1周内可保持在3.7kg/m2·
h；器件于20％盐水环境下使用，1个标准太阳光强下，1周内持久蒸发速率可保持在3.3kg/m2·
h。
[0074]
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。