一种仿水母状的蜂巢织物太阳能蒸发器的制备方法

技术领域

本发明涉及一种仿水母状蜂巢织物太阳能蒸发器的制备方法，属于环境能源应用技术领域。

背景技术

世界上许多国家经历不同程度的淡水短缺，随着人口的增长和工业化的兴起，淡水资源变得更加稀缺，世界正面临一场迫在眉睫的淡水危机。从海水中获得淡水是一个可行的方法，因为海水覆盖了地球表面约75％，到目前为止，在净化海水方面已经做出了很多努力，包括物理、化学、生物等技术方法。但海水淡化所采用的传统水蒸发技术主要由化石燃料提供动力，需要较高能耗，并将产生对环境有害的副产品。利用太阳能转化为热能这一方法进行海水淡化是缓解全球淡水危机的有效途径，且不受水源质量、成分和浓度变化的影响。太阳能蒸汽系统主要可以分为底部加热、体积加热和界面加热。前两类常采用纳米材料，由于这些纳米颗粒分散在体积式水蒸发系统中，光热转化材料所捕获的太阳能会对整个水体加热，从而导致热量损失。界面太阳能蒸发技术的提出解决了这一问题，拓宽了材料的选择性，同时可以通过设计蒸发器结构，大幅度提高太阳能的蒸发效率。

例如中国专利CN 114249374 A公开了“一种植物仿生抗高浓盐太阳能蒸发器件及其制备方法和应用”，利用酒精灯碳化植物茎秆顶面，经过简单的氧化形成碳黑层，通过在植物茎秆上人工打孔后进行碳化，再穿入棉线引流，利用溶液的高度差以及浓度差产生的驱动力，保证供水充足的同时也能确保蒸发器表面浓度达不到饱和状态。例如中国专利CN113882154 B公开了“一种用于太阳能蒸发器的柔性PPy-MXene-PDA光热织物及其制备方法”，将Ti

理想的界面太阳能蒸发系统需要具备以下条件：高效的光热转化材料，优异的亲水性和合理的热管理结构设计。因此，界面光热蒸发器需要尽可能多的吸收入射太阳光，将热能限制在表水层，减少热能在环境与水体中的热损失，此外应有充足的水传输能力以保证蒸发过程的连续性。迄今为止，用于高效光热转换的太阳能吸收材料取得了重大进展，包括金属纳米材料、无机半导体材料、聚合物和碳基材料。其中，碳基材料种类丰富，成本低廉，具有较强的可扩展性和较高的光吸收能力，使其在光热材料中脱颖而出。光热材料宏观的结构设计能让其在整个太阳光谱范围内实现高效的光吸收，因此可通过对光热材料进行适当的形貌设计来增加其吸光面积，从而增加其光吸收性能。本发明公开了一种3D蜂巢织物新型蒸发器，该蒸发器以墨汁/炭黑改性的蜂巢织物为光热层，以亚麻纱线为水传输层，以聚苯乙烯泡沫为漂浮层。其中周期性凹形结构与墨汁/炭黑的相互协同作用可以通过实现最大水平的光吸收。同时，亚麻纱线连续的抽水能力可以确保水分的供应及盐离子的快速溶解，并且聚苯乙烯泡沫可以避免管热层表面热量的损失。

发明内容

本发明目的是：提供一种采用纺织材料制备的太阳能蒸发器，仿照水母形状和简易制备方法，使其具有高效光热转化能力、快速传输水能力和优异的隔热能力，进而实现稳定高效的光热转化效率和水蒸发速率。

本发明采用的技术方案是：仿水母状的蜂巢织物太阳能蒸发器，包括载有光热材料的蒸发层，位于光热层下方的隔热层，以及将光热蒸发层和隔热层固定在一起并连通到水中的水传输通道。

上述的仿水母状的蜂巢织物太阳能蒸发器，所述的光热层为墨汁和炭黑颗粒改性的蜂巢织物；

上述的仿水母状的蜂巢织物太阳能蒸发器，所述的隔热层是聚苯乙烯泡沫，厚度为0.25-2cm；

上述的仿水母状的蜂巢织物太阳能蒸发器，所述的水传输通道是双股亚麻线，根数为1-3组，其中每组为两股麻线。

上述的仿水母状的蜂巢织物太阳能蒸发器的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：制备蜂巢织物。先将蜂巢织物的上机图输入到小样织机的控制面板中，再将经纱按照工艺要求依次进行穿综和穿筘，最后依次有序进行打纬和编织。

步骤二：制备墨汁和炭黑的混合溶液。在墨汁中加入炭黑颗粒和海藻酸钠，在70℃的恒温水浴锅中加热1h，再在超声波中震荡1h。

步骤三：在蜂巢织物表面负载光热材料。将步骤一所述的织物浸入在70g/L的NaOH溶液中超声清洗1h，去除织物表面胶质，取出后在烘箱中干燥后，随后浸入在步骤二所述的墨汁和炭黑的混合溶液中，震荡浸泡，取出后在烘箱中干燥，随后浸泡在CaCl

步骤四：将步骤三中的蜂巢织物放置在聚苯乙烯隔热泡沫上，用针将纱线穿过蜂巢织物的巢孔的最低端和聚苯乙烯隔热泡沫，将二者固定在一起。

进一步的，步骤一中所述经纱采用纯亚麻纱线。

进一步的，步骤二中所述制备墨汁和炭黑的混合溶液中的炭黑的浓度为0.25-1.25wt％，海藻酸钠的浓度为0.2-0.8wt％。

进一步的，步骤三中所述制备NaOH溶液的质量浓度为70-90g/L，CaCl

进一步的，步骤四中所述制备聚苯乙烯隔热泡沫厚度为0.5-3cm，所述纱线为亚麻纱线，所述纱线股数为2股，所述纱线根数为1-3根。

本发明的优点是：

采用墨汁和炭黑颗粒，成本低。

采用浸泡法，操作工艺简单。

采用蜂巢织物，蜂巢织物的凹型蜂窝状结构可以实现多重光捕获和吸收，有效提高光利用率(图2)。

采用隔热泡沫，阻隔了蒸发层与主体水的直接接触，有效防止热损失，实现优异的热管理。

采用亚麻纱线作为水传输通道，导水性能优异，盐颗粒可迅速溶解，有效防止盐结晶在蒸发器表面导致的蒸汽通道堵塞。

通过本方法所制得的太阳能蒸发器成功实现一个太阳光照下1.86kg m

附图说明

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中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中，

图1为本发明所使用蜂巢织物负载墨汁和炭黑颗粒前后扫描电子显微镜(SEM)图；

图2为本发明所使用蜂巢织物和平纹织物负载墨汁和炭黑颗粒前后光吸收性能的对比测试结果图；

图3为本发明所使用蜂巢织物和平纹织物负载墨汁和炭黑颗粒前后光热转换性能的对比测试结果图；

图4为本发明所使用蜂巢织物和平纹织物负载墨汁和炭黑颗粒前后水蒸发量的对比测试结果图；

图5为本发明所使用蜂巢织物负载墨汁和炭黑颗粒前后织物表面接触角对比图；

图6为本发明仿水母状的蜂巢织物太阳能蒸发器的表面未出现盐结晶示意图；

图7为负载不同浓度炭黑颗粒的仿水母状的蜂巢织物太阳能蒸发器的光热转换性能的对比测试结果图；

图8为载有不同厚度隔热层的仿水母状的蜂巢织物太阳能蒸发器的蒸发速率的对比测试结果图；

图9为使用不同水传输通道数量的仿水母状的蜂巢织物太阳能蒸发器的光热转换性能的对比测试结果图。

图10为本发明仿水母状的蜂巢织物太阳能蒸发器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图、实施例和对比例进一步说明本发明的技术方案。但是本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明所要求的权利范围内其他任何公知的改变。

首先，此处所称的“实施例一”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。其次，本发明利用结构示意图等进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明的保护范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间。

实施例一

本实施方案按照如下步骤制备一种仿水母状的蜂巢织物太阳能蒸发器，包括载有光热材料的蒸发层，位于光热层下方的隔热层，以及将光热蒸发层和隔热层固定在一起并连通到水中的水传输通道。

上述的仿水母状的蜂巢织物太阳能蒸发器，所述的光热层为墨汁和炭黑颗粒改性的蜂巢织物；

上述的仿水母状的蜂巢织物太阳能蒸发器，所述的隔热层是聚苯乙烯泡沫；

上述的仿水母状的蜂巢织物太阳能蒸发器，所述的水传输通道是双股亚麻线。

上述的仿水母状的蜂巢织物太阳能蒸发器的制备方法，包括如下步骤：

第一步、制备蜂巢织物。

先将蜂巢织物的上机图输入到小样织机的控制面板中，再将经纱按照工艺要求依次进行穿综和穿筘，最后依次有序进行打纬和编织。其中经纱采用纯亚麻纱线。

第二步、制备墨汁和炭黑的混合溶液。

在墨汁中加入炭黑颗粒和海藻酸钠，在70℃的恒温水浴锅中加热1h，再在超声波中震荡1h。其中墨汁和炭黑的混合溶液中的炭黑的浓度为0.75wt％，海藻酸钠的浓度为0.5wt％。

第三步、在蜂巢织物表面负载光热材料。

将步骤一所述的织物浸入在70g/L的NaOH溶液中超声清洗1h，去除织物表面胶质，取出后在烘箱中干燥后，随后浸入在步骤二所述的墨汁和炭黑的混合溶液中，震荡浸泡，取出后在烘箱中干燥，随后浸泡在CaCl

第四步、制作蒸发器。

将步骤三中的蜂巢织物放置在聚苯乙烯隔热泡沫上，用针将纱线穿过蜂巢织物的巢孔的最低端和聚苯乙烯隔热泡沫，将二者固定在一起。其中聚苯乙烯隔热泡沫厚度为1cm，所述纱线亚麻纱线，所述纱线股数为2股，所述纱线根数为2根。

对比例一

本对比方案按照如下步骤制备一种仿水母状的平纹织物太阳能蒸发器，包括载有光热材料的蒸发层，位于光热层下方的隔热层，以及将光热蒸发层和隔热层固定在一起并连通到水中的水传输通道。

第一步、制备平纹织物。

先将平纹织物的上机图输入到小样织机的控制面板中，再将经纱按照工艺要求依次进行穿综和穿筘，最后依次有序进行打纬和编织。其中经纱采用纯亚麻纱线。

第二步、制备墨汁和炭黑的混合溶液。

在墨汁中加入炭黑颗粒和海藻酸钠，在70℃的恒温水浴锅中加热1h，再在超声波中震荡1h。其中墨汁和炭黑的混合溶液中的炭黑的浓度为0.75wt％，海藻酸钠的浓度为0.5wt％。

第三步、在平纹织物表面负载光热材料。

将步骤一所述的织物浸入在70g/L的NaOH溶液中超声清洗1h，去除织物表面胶质，取出后在烘箱中干燥后，随后浸入在步骤二所述的墨汁和炭黑的混合溶液中，震荡浸泡，取出后在烘箱中干燥，随后浸泡在CaCl

第四步、制作蒸发器。

将步骤三中的平纹织物放置在聚苯乙烯隔热泡沫上，用针将纱线穿过平纹织物和聚苯乙烯隔热泡沫，将二者固定在一起。其中聚苯乙烯隔热泡沫厚度为1cm，所述纱线亚麻纱线，所述纱线股数为2股，所述纱线根数为2根。

对比例二

本对比方案按照如下步骤制备一种仿水母状的蜂巢织物太阳能蒸发器，包括载有光热材料的蒸发层，位于光热层下方的隔热层，以及将光热蒸发层和隔热层固定在一起并连通到水中的水传输通道。

第一步、制备蜂巢织物。

先将蜂巢织物的上机图输入到小样织机的控制面板中，再将经纱按照工艺要求依次进行穿综和穿筘，最后依次有序进行打纬和编织。其中经纱采用纯亚麻纱线。

第二步、制备墨汁和炭黑的混合溶液。

在墨汁中加入炭黑颗粒和海藻酸钠，在70℃的恒温水浴锅中加热1h，再在超声波中震荡1h。其中墨汁和炭黑的混合溶液中的炭黑的浓度为0.25wt％，海藻酸钠的浓度为0.5wt％。

第三步、在蜂巢织物表面负载光热材料。

将步骤一所述的织物浸入在70g/L的NaOH溶液中超声清洗1h，去除织物表面胶质，取出后在烘箱中干燥后，随后浸入在步骤二所述的墨汁和炭黑的混合溶液中，震荡浸泡，取出后在烘箱中干燥，随后浸泡在CaCl

第四步、制作蒸发器。

将步骤三中的蜂巢织物放置在聚苯乙烯隔热泡沫上，用针将纱线穿过蜂巢织物和聚苯乙烯隔热泡沫，将二者固定在一起。其中聚苯乙烯隔热泡沫厚度为2cm，所述纱线亚麻纱线，所述纱线股数为2股，所述纱线根数为1根。

参阅图1，图1为实例一中制备的蜂巢织物负载墨汁和炭黑颗粒前后扫描电子显微镜(SEM)图，由图1所示，炭黑颗粒已经附着在纤维表面，增加了纤维表面的粗糙度，提高了织物的光吸收率。

参阅图2，图2为实例一中制备的负载墨汁和炭黑颗粒的蜂巢织物和对比例一中制备的负载墨汁和炭黑颗粒的平纹织物与原始织物的光吸收性能的对比测试结果图。负载墨汁和炭黑颗粒的织物光吸收性能优于原始织物，通过对比，说明墨汁和炭黑提高了光吸收率。

参阅图3，图3为实例一中制备的负载墨汁和炭黑颗粒的蜂巢织物和对比例一中制备的负载墨汁和炭黑颗粒的平纹织物与原始织物的光热转换性能的对比测试结果图。通过对比，实例一所制备的负载墨汁和炭黑颗粒的蜂巢织物可达到71℃的平衡温度，具有良好的光热转化效率。

参阅图4，图4为实例一中制备的负载墨汁和炭黑颗粒的蜂巢织物和对比例一中制备的负载墨汁和炭黑颗粒的平纹织物与原始织物的水蒸发量的对比测试结果图。通过对比，实例一所制备的太阳能蒸发器一小时蒸发量可达到0.74kg m

参阅图5，图5为实施例一中制备的负载墨汁和炭黑颗粒的蜂巢织物和原始织物的织物表面浸润性对比图，由图5所示，本实例一中制备的负载墨汁和炭黑颗粒的蜂巢织物没有改变原始织物的亲水性，呈现良好的浸润性。

参阅图6，图6为实施例一中制备的负载墨汁和炭黑颗粒的蜂巢织物在8h模拟光源照射下表面未出现盐结晶的示意图，盐颗粒随蒸发过程再次溶解回水中，未积聚在蒸发层，避免了因堵塞蒸发通道而降低蒸发效率。

参阅图7，图7为对比例二中不同浓度炭黑颗粒的仿水母状的蜂巢织物太阳能蒸发器的光热转换性能的对比测试结果图，其表面平衡温度随炭黑颗粒的浓度增大先增大后不变。

参阅图8，图8为对比例二中载有不同厚度隔热层的仿水母状的蜂巢织物太阳能蒸发器的蒸发速率的对比测试结果图，如图8所示，其蒸发速率随厚度的增加先增加后减小。

参阅图9，图9为对比例二中使用不同水传输通道数量的仿水母状的蜂巢织物太阳能蒸发器的光热转换性能的对比测试结果图，其温度随水传输通道数量的增加而减小，其温度变化速度随水传输通道数量的增加而增加。

应说明的是，以上实施例、对比例仅用以说明本发明的技术方案，而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。