本發(fā)明涉及太陽(yáng)能海水蒸發(fā)器件，特別是涉及一種太陽(yáng)能海水蒸發(fā)系統(tǒng)及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著全球人口日益增長(zhǎng)、工業(yè)高速發(fā)展和水污染加劇，淡水資源短缺已成為世界范圍內(nèi)亟待解決的問(wèn)題之一。海水占地球水資源的97％，是取之不盡的水資源，因此海水淡化有望成為解決這些緊迫問(wèn)題的有效解決方案。目前常用的海水淡化技術(shù)，如多級(jí)閃蒸、膜蒸餾和反滲透等方法，具有能耗高、設(shè)備復(fù)雜和基礎(chǔ)設(shè)施投資高等問(wèn)題。相比之下，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)海水蒸發(fā)是一種低碳環(huán)保且可持續(xù)性的海水淡化技術(shù)。

2、自2013年halas等人首次提出，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)器在幾年內(nèi)得到了快速發(fā)展。迄今為止，界面蒸發(fā)器包括二維的薄膜、毛氈、織物以及三維的氣凝膠、水凝膠、海綿和泡沫等材料。在三維蒸發(fā)器中，具有互穿孔道結(jié)構(gòu)和親水性分子網(wǎng)的水凝膠具有顯著的低焓蒸發(fā)和快速海水傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)。然而，與其他已知的商業(yè)化海水淡化技術(shù)相比，目前太陽(yáng)能水凝膠蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率和能量利用效率仍有待進(jìn)一步提高。

3、太陽(yáng)能是驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)的能量來(lái)源，為了提高太陽(yáng)能的吸收和利用，通常在蒸發(fā)器中加入共軛聚合物、等離子體納米顆粒、窄帶隙半導(dǎo)體和碳材料等光吸收劑。然而，這些光吸收劑的光熱轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)開(kāi)發(fā)到極限，難以進(jìn)一步提升和突破。因此，光空間管理成為收集和獲取更多太陽(yáng)能關(guān)鍵途徑。首先，通過(guò)對(duì)蒸發(fā)器本身進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如杯狀結(jié)構(gòu)、錐形空腔、垂直孔道結(jié)構(gòu)以及多種凹形和空腔結(jié)構(gòu)，使太陽(yáng)光在有限空間內(nèi)重復(fù)反射以增加太陽(yáng)光的吸收和利用。此外，在蒸發(fā)器表面構(gòu)筑垂直陣列或其他突起結(jié)構(gòu)，也可以利用光陷阱效應(yīng)有效增加太陽(yáng)能吸收。另一方面，在蒸發(fā)系統(tǒng)中引入平面鏡、拋物面聚光器和菲涅耳透鏡等輔助設(shè)計(jì)以促進(jìn)蒸發(fā)界面的光吸收。雖然上述方法有利于增加蒸發(fā)器對(duì)太陽(yáng)能的吸收，但由于太陽(yáng)光散射和熱輻射，太陽(yáng)能利用效率仍然受限。因此，通過(guò)合理的光空間管理，將太陽(yáng)光從多角度均勻地反射到蒸發(fā)器上，有利于進(jìn)一步提高太陽(yáng)能利用效率和蒸發(fā)速率。

4、另一個(gè)影響蒸發(fā)的關(guān)鍵因素是蒸發(fā)器的抗鹽性。在蒸發(fā)過(guò)程中，隨著水的流失導(dǎo)致蒸發(fā)界面處鹽離子濃度逐漸升高，達(dá)到飽和后在蒸發(fā)器壁表面結(jié)晶析出并逐漸沉積，這不僅嚴(yán)重影響了陽(yáng)光的吸收，而且阻礙了水蒸汽的逸出，導(dǎo)致蒸發(fā)速率大幅度降低。傳統(tǒng)的除鹽方法通常是每次蒸發(fā)結(jié)束后，對(duì)沉積的鹽垢進(jìn)行清洗或刮除，繁瑣的除鹽工藝阻礙了蒸發(fā)器的實(shí)際應(yīng)用。為了解決這一問(wèn)題，目前通常采用限定結(jié)晶區(qū)域或從根本上避免鹽結(jié)晶生成的策略。限定結(jié)晶區(qū)域是通過(guò)定向調(diào)控鹽離子濃度分布，誘導(dǎo)鹽離子在局部結(jié)晶析出，使鹽晶體與蒸發(fā)界面分離。隨著鹽晶體在固定區(qū)域逐漸累積，在重力作用下會(huì)使其掉落或?qū)е抡舭l(fā)器翻轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)自清潔。這種策略需要一個(gè)冗長(zhǎng)的鹽沉淀過(guò)程，相比之下，避免鹽結(jié)晶生成的策略從是根本上抑制鹽晶的形成，具有更廣闊的實(shí)際應(yīng)用潛力。

5、避免鹽結(jié)晶生成策略旨在通過(guò)阻斷鹽離子到達(dá)蒸發(fā)界面或鹽離子快速回流來(lái)避免鹽結(jié)晶析出。一方面，遵循阻斷鹽離子的設(shè)計(jì)原則，由親水層和疏水層構(gòu)成的janus蒸發(fā)器被廣泛報(bào)道。利用疏水光熱層將鹽離子限制在蒸發(fā)界面以下，從而避免鹽晶生成。然而，這種方法制約了海水由親水層向疏水光熱層的供應(yīng)，并阻礙了疏水光熱層向蒸發(fā)界面?zhèn)鳠帷４送?，基于離子滲透壓和donnan效應(yīng)，高電荷密度的聚電解質(zhì)水凝膠可以通過(guò)靜電斥力和離子屏蔽抑制鹽結(jié)晶生成，但由于溶脹率較高導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度較弱，限制大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。另一方面，從加速擴(kuò)散和傳質(zhì)的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)垂直通道結(jié)構(gòu)或低扭曲孔隙進(jìn)行高鹽度海水回流，防止飽和鹽水和鹽晶體的形成。然而，過(guò)度的海水回流可能會(huì)帶走更多的熱量，導(dǎo)致熱量不能集中作用于蒸發(fā)界面，將嚴(yán)重降低太陽(yáng)能利用效率。因此，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)控水凝膠海水蒸發(fā)器的傳質(zhì)速率，對(duì)于同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效蒸發(fā)和高鹽度海水循環(huán)回流至關(guān)重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種太陽(yáng)能海水蒸發(fā)系統(tǒng)及其制備方法和應(yīng)用，本發(fā)明制備一個(gè)由光空間管理器與水凝膠蒸發(fā)器集成的太陽(yáng)能海水蒸發(fā)系統(tǒng)，將太陽(yáng)能高效利用和海水快速傳輸進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)破紀(jì)錄的高蒸發(fā)速率，同時(shí)保證蒸發(fā)器在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中表面沒(méi)有鹽析出。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供了一種太陽(yáng)能海水蒸發(fā)系統(tǒng)的制備方法，包括以下步驟：

4、1)將羧基化多壁碳納米管分散液和殼聚糖、乙酸溶液混合，得到混合液；

5、2)將所述步驟1)得到的混合液置于圓柱模型中冷凍，得到冷凍樣品；

6、3)將所述步驟2)得到的冷凍樣品浸沒(méi)在氫氧化鈉溶液中，再水清洗和溶脹后，得到復(fù)合水凝膠；

7、4)將所述步驟3)得到的復(fù)合水凝膠與光空間管理器集成，得到太陽(yáng)能海水蒸發(fā)系統(tǒng)。

8、優(yōu)選的，所述步驟1)羧基化多壁碳納米管分散液和殼聚糖、乙酸溶液的質(zhì)量比為1:0.2:5；

9、所述羧基化多壁碳納米管分散液的質(zhì)量百分含量為2％；

10、所述乙酸溶液的質(zhì)量百分含量為2％。

11、優(yōu)選的，所述羧基化多壁碳納米管分散液中羧基化多壁碳納米管的直徑為8～15nm，長(zhǎng)度為50μm。

12、優(yōu)選的，所述步驟2)圓柱模型的規(guī)格為：長(zhǎng)度為8cm，內(nèi)徑為1.5cm，外徑為1.8cm。

13、優(yōu)選的，所述步驟2)冷凍的條件包括：溫度為-20℃，時(shí)間為12h。

14、優(yōu)選的，所述步驟3)氫氧化鈉溶液的質(zhì)量百分含量為1％；

15、所述氫氧化鈉溶液的溫度為0℃；

16、所述浸沒(méi)的時(shí)間為12h。

17、優(yōu)選的，所述步驟4)集成的方法包括：將所述復(fù)合水凝膠穿過(guò)泡沫薄片的中心孔洞，使其一段浸沒(méi)到水下，另一段穿過(guò)光空間管理器底面中心位置的圓形孔洞并保持3cm的高度暴露在光空間管理器中，使暴露的復(fù)合水凝膠被光空間管理器環(huán)繞，構(gòu)建完整的太陽(yáng)能海水蒸發(fā)系統(tǒng)；

18、所述復(fù)合水凝膠為圓柱形，長(zhǎng)度為6cm、直徑為1.5cm；

19、所述光空間管理器為圓筒狀，直徑為6cm，高度為10cm；

20、所述光空間管理器的材質(zhì)為鋁箔材質(zhì)。

21、本發(fā)明還提供了一種上述技術(shù)方案所述的制備方法制備得到的太陽(yáng)能海水蒸發(fā)系統(tǒng)，包括復(fù)合水凝膠和光空間管理器。

22、本發(fā)明還提供了上述技術(shù)方案所述的太陽(yáng)能海水蒸發(fā)系統(tǒng)在海水淡化產(chǎn)純凈水中的應(yīng)用。

23、本發(fā)明還提供了上述技術(shù)方案所述的太陽(yáng)能海水蒸發(fā)系統(tǒng)在提高太陽(yáng)能利用效率和/或海水蒸發(fā)速率中的應(yīng)用。

24、本發(fā)明的有益效果：

25、1.超親水碳納米管添加到水凝膠蒸發(fā)器(即復(fù)合水凝膠)中，利用納米級(jí)毛細(xì)孔道增加水凝膠的海水傳輸速率，充足的海水供應(yīng)為維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和長(zhǎng)期高效蒸發(fā)提供基礎(chǔ)保障。

26、2.水凝膠內(nèi)部的互穿微米孔道及其孔壁中的納米孔道相互耦合，協(xié)同促進(jìn)高鹽度海水回流，確保蒸發(fā)界面無(wú)鹽生成。

27、3.光空間管理器與水凝膠蒸發(fā)器進(jìn)行整合，組裝成一個(gè)完整的蒸發(fā)系統(tǒng)，通過(guò)太陽(yáng)光多次反射增加蒸發(fā)器表面入射光強(qiáng)度，提高了太陽(yáng)能利用效率和蒸發(fā)速率。

28、4.光空間管理器和水凝膠中多級(jí)毛細(xì)孔道耦合，實(shí)現(xiàn)了在連續(xù)10h蒸發(fā)過(guò)程中，蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸汽生成速率為9.3kg?m-2h-1，同時(shí)蒸發(fā)器表面沒(méi)有鹽析出。該系統(tǒng)在連續(xù)15天，每天運(yùn)行10小時(shí)的循環(huán)使用過(guò)程中，表現(xiàn)出良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

29、超親水毛細(xì)通道與光空間管理器結(jié)合有效地實(shí)現(xiàn)了充足的海水供給、快速的鹽回流和高效的太陽(yáng)能利用，使蒸發(fā)系統(tǒng)在持續(xù)10h的蒸發(fā)過(guò)程中，蒸發(fā)速率達(dá)到了前所未有的9.3kg?m-2h-1，太陽(yáng)能利用效率為514％，并且蒸發(fā)器表面沒(méi)有鹽析出。該系統(tǒng)在連續(xù)15天每天10h的循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，依然保持蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定。此外，該蒸發(fā)系統(tǒng)在真實(shí)海水和自然光照條件下的日純凈水產(chǎn)量為26kg-1m-2，顯示出良好的實(shí)際應(yīng)用潛力。