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

技术领域

本发明涉及能量转换水蒸发器制备技术领域，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

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。

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。

发明内容

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。

本发明的技术解决方案如下：

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；

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；

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；

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。

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：

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；

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；

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；

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；

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。

作为本发明的优选方案，步骤S5的具体工艺如下：

a.首先，将壳聚糖溶于乙酸中，得壳聚糖溶液；

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；

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。

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；

步骤c中，所述涂层厚度为1-5mm。

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；

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本发明可取得以下有益效果至少其中之一：

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；

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；

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；

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。

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。

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。

附图说明

图1为水蒸发器CAS的示意图；

1-光热转换层，2-隔热层，3-水传输层；

图2为实施例2得到的碳化原生木材CNW的场发射扫描电子显微镜图；

图3为实施例4得到的二氧化硅气凝胶SA的场发射扫描电子显微镜图；

图4为实施例3碳化硅纤维线与碳混合材料SCC的场发射扫描电子显微镜图；

图5为实施例2-4得到的CNW、SCC和SA的全光谱光线吸收率曲线；

图6为实施例1-4得到的NW、CNW、CS和CAS蒸发器的接触角静态图；

图7为实施例1-4得到的NW、CNW、CS和CAS蒸发器随时间增加质量变化的曲线；

图8为实施例1-4得到的NW、CNW、CS和CAS蒸发器的蒸发速率以及相应的等效焓。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的优选实施例，将碳化的原生木材(CNW)作为支撑体水传输层3，后通过先涂层二氧化硅气凝胶(SA)在CNW表面作为隔热层2，再在SA涂层表面涂覆碳化硅和碳混合材料(SCC)作为光热转换材料1，经冷冻干燥后形成水蒸发器CAS。

本发明的优选实施例，提供了一种基于生物质的新型太阳能水蒸发器制备方法，包括以下步骤：

S1、将装满生物质废料Ⅰ的瓷舟置入管式炉设备，通入保护性气体将管式炉设备中的空气排尽；

S2、保持通保护性气体，将装满生物质废料Ⅰ的瓷舟加热到600-1000℃，合成二氧化硅-碳复合材料；然后停止加热，继续通入气体，缓慢冷却到室温，均匀合成二氧化硅-碳复合材料；

S3、继续通保护性气体并加热到1100-1700℃，生长光催化剂的前驱体碳化硅-碳复合材料；

S4、关闭加热电源，继续通入保护性气体，缓慢冷却到室温，在瓷舟里均匀合成碳化硅-碳复合材料；

S5、将生物质废料Ⅰ替换为生物质废料Ⅱ，重复步骤S1和S2，均匀合成具有垂直阵列管道的水传输层材料(CNW)；

S6、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可得到隔热层二氧化硅气凝胶材料(SA)；

步骤S1中：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，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，和/或所述瓷舟的材料为氧化铝。

步骤S2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。

步骤S3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。

步骤S1至S4中：所述通入的气体为氮气、氩气、氦气中的至少一种，通入流量为40-150sccm。

步骤S6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，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。

步骤S7b中：所述粘结剂为聚丙烯酰胺(PAM)、萘酚、聚氨酯胶粘剂、环氧树脂胶粘剂中的一种或多种。

步骤S7c中：所述涂层厚度为1-5mm。

以下是具体实施例，生物质废料I和II分别以原生木材和稻壳，双硅源以水玻璃和甲基三甲基硅烷，粘结剂采用萘酚为例。

实施例1

1)将生物质废料II-原生木材放进烘箱里烘干，温度为60℃，得到水蒸发器NW。

太阳能水蒸发器NW的全光谱光线吸收率曲线，如附图5所示，显示了NW对太阳光的吸收能力很弱，吸光率仅约为2％左右。

实施例2

1)将生物质废料II-原生木材放进烘箱里烘干，温度为60℃。

2)把烘干后的原生木材铺满高纯氧化铝的瓷舟里，然后置入管式炉的高温区的中间位置，然后持续通30分钟氩气，气体流量为80sccm，把里面的空气排尽，使其在氩气气氛下反应。

3)步骤2)结束后，管式炉以10℃/min的升温速率加热到900℃，在此温度下恒温1h，关闭加热，然后随炉降温到室温，此过程都需要保持通氩气，气体流量也是保持80sccm，得到水蒸发器CNW。

太阳能水蒸发器NW的全光谱光线吸收率曲线，如附图5所示，显示了CNW对太阳光的吸收能力较强，将近100％。图2显示了太阳能水蒸发器CNW的扫描电子显微镜图，清楚地表达出CNW是由许多垂直陈列的管道组成。

实施例3

1)得到水蒸发器水传输层材料CNW与具体实施例2一致。

2)将生物质废料-稻壳用超纯水洗涤3次，然后放进烘箱里烘干，温度为60℃。

3)把烘干后的稻壳铺满高纯氧化铝的瓷舟里，然后置入管式炉的高温区的中间位置，然后持续通30分钟氩气，气体流量为80sccm，把里面的空气排尽，使其在氩气气氛下反应。

4)步骤3)结束后，管式炉以10℃/min的升温速率加热到800℃，在此温度下恒温1h，关闭加热，然后随炉降温到室温，此过程都需要保持通氩气，气体流量也是保持80sccm，得到二氧化硅、碳的复合材材料。

5)步骤4)结束后，样品不从管式炉里取出，继续通30分钟氩气，气体流量为80sccm，把里面的空气排尽，保持管内是氩气气氛。

6)然后管式炉以5℃/min的升温速率加热到1400℃，在此温度下恒温1h，关闭加热，然后随炉降温到室温，此过程都需要保持通氩气，气体流量也是保持80sccm，得到光热转换材料-碳化硅、碳的混合材料(SCC)。

7)步骤6)结束获得的SCC涂层在CNW表面，具体的制备过程如下:

a.首先，将1g壳聚糖溶于60℃的乙酸(60mL,11.6mol L

b.然后，将优化剂量的SCC粉加入0.5mL壳聚糖溶液中，再加入微量萘酚溶液，搅拌一段时间，得到均匀的胶体SCC。

8)用得到的SCC胶体，在得到的CNW表面涂上厚度为1mm的SCC胶体，随后通过冷冻真空干燥双层水蒸发器，命名为CS。

如附图3和4分别显示了SA和SCC的扫描电子显微镜图，清楚地表达出SA是由许多无序不规则的颗粒组成，SCC由许多杂乱无章的纤维线与碳块混合组成。

实施例4

1)水蒸发器水传输层CNW和光热转换材料SCC的制备方法与具体实施例4一致；

2)采用水玻璃和甲基三甲基硅烷(MTMS)两种含硅源的前驱体，先进行水解，分别得到水玻璃溶液和MTMS溶液，水玻璃再经0.5MHCl进行催化，MTMS溶液经2M氨水催化，然后两个溶液经体积比为4:1的比例混合，得到溶胶，再经老化两天，可得凝胶，最后通过真空冷冻干燥可得到隔热层二氧化硅气凝胶材料(SA)；

3)步骤2)结束获得的SA涂层在CNW表面，具体的制备过程如下：

a.首先，将1g壳聚糖溶于60℃的乙酸(60mL,11.6mol L

b.然后，将优化剂量的SA粉加入0.5mL壳聚糖溶液中，再加入微量萘酚溶液，搅拌一段时间，得到均匀的胶体SA。

4)用得到的SA胶体，在CNW表面涂上厚度为1mm的SA胶体，静止一段时间。

5)在步骤4)获得SA涂层的CNW后，在SA涂层表面再涂覆一层1mm的SCC，而SCC涂层制备方法是将步骤3)的SA替换为SCC，其他步骤一致。

6)在步骤5)获得SA和SCC双涂层CNW后，再通过-60℃冷冻，随后经真空冷冻干燥机进行干燥，真空度为10Pa，干燥后可获得水蒸发器CAS。

通过接触角分析不同蒸发器的亲水程度如附图6所示，可知原生木材NW、碳化原生木材CNW、涂层SCC的CNW以及双涂层的CAS的蒸发器水滴完全吸收所需的时间为0.69s、0.35s、0.22s以及0.02s。说明了CAS蒸发器超亲水能力更高，水传输能力最好。

附图7是不同蒸发器在太阳能驱动下水蒸发海水淡化随着时间的增加海水的质量减少的变化趋势，清楚显示了CAS变化程度最大，说明蒸发速度最快。附图8是纯海水与不同蒸发器在一个太阳的强度下照射的蒸发速率和相应的焓变，可知CAS蒸发效率高达4.21kgm

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。