基于界面光蒸汽转换的光蒸发装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及光热蒸发技术领域，具体而言，涉及一种基于界面光蒸汽转换的光蒸发装置及其使用方法。

背景技术

到目前为止，已经有许多可行的技术用于海水淡化，如反渗透，电渗析等。但使用的大多数技术在脱盐方面需要大量电能或者化学能的参与，不仅能耗大，而且污染环境，同时产量较低。基于此，利用储量丰富且可再生的太阳能资源来淡化海水，进而实现环保、低成本、无额外电力投入的清洁水生产。随着研究的深入，不少学者发现借助光热转换材料可以极大地提高蒸发效能，并且具有良好的抗污能力和净化性能，从而发展出了界面光蒸汽转换技术，该技术在可持续生产水处理领域具有巨大潜力。

目前，界面光蒸汽转换技术在实际应用过程中存在蒸发水回收产量较低，因为实际使用过程中，随着太阳高度角的不断变化，光热转换材料整体的蒸发速率会受到影响；并且目前常用在界面光蒸汽领域的蒸馏装置多为一次蒸发使用，蒸馏完水后需要打开装置反复加水，运行效率低，不利于装置整体系统运行的可持续性。

发明内容

本发明公开了一种基于界面光蒸汽转换的光蒸发装置，结构简单，操作便利，旨在改善的现有的界面光蒸汽转换技术在实际应用过程中存在蒸发水回收产量较低的问题。

本发明采用了如下方案：

本申请提供了一种基于界面光蒸汽转换的光蒸发装置，包括进水箱、光蒸发室和淡水箱，所述光蒸发室包括半球形玻璃罩、环形蒸发腔、界面光蒸汽转换材料及隔热输水海绵，其中，所述环形蒸发腔连接所述进水箱，所述半球形玻璃罩设置于所述环形蒸发腔上方且与所述淡水箱连接；所述界面光蒸汽转换材料和所述隔热输水海绵设置于所述环形蒸发腔与所述半球形玻璃罩之间，且所述隔热输水海绵设置于所述界面光蒸汽转换材料下方，以将所述环形蒸发腔内的水吸至所述界面光蒸汽转换材料内。

进一步地，界面光蒸汽转换材料侧边环设有反射镜面，所述反射镜面适于将光线反射至所述界面光蒸汽转换材料的侧边区域。

进一步地，所述半球形玻璃罩材质为石英玻璃。

进一步地，所述的界面光蒸汽转换材料为水凝胶。

进一步地，所述水凝胶的厚度为3～5cm。

进一步地，隔热输水海绵为聚氨酯海绵。

进一步地，所述隔热输水海绵的厚度为5～6cm。

进一步地，所述淡水箱设置于所述进水箱和所述环形蒸发腔之间，且与所述半球形玻璃罩连接，以使从所述半球形玻璃罩凝结的淡水进入所述淡水箱内。

本发明还提供了一种基于界面光蒸汽转换的光蒸发装置的使用方法，使用上述所述的基于界面光蒸汽转换的光蒸发装置，包括如下步骤：

S1：在温度23-40℃条件下，自进水箱入口输入水，水体经进水箱出口输送至环形蒸发腔内，当进水箱灌满为止；

S2：使太阳光经装置顶部的半球形玻璃罩射入装置内部，照射在界面光蒸汽转换材料的表面；部分太阳光又经反射镜面聚集到搭载在隔热输水海绵上的界面光蒸汽转换材料的侧面，环形蒸发腔内的水体通过隔热输水海绵被界面光蒸汽转换材料吸收且受热蒸发产生蒸汽，蒸汽汇聚到顶部的半球形玻璃罩，并在半球形玻璃罩冷凝的作用下凝结成淡水，受重力滑落至淡水箱内；

S3：处理后的水体经淡水箱的出水口排出。

进一步地，所述界面光蒸汽转换材料为石墨基水凝胶，其制备过程具体按以下步骤进行：

1、将石墨粉、丙烯酰胺、N，N’-亚甲基双丙烯酰胺和水按质量比为7：6：0.5：25放入不锈钢桶中，使用搅拌制浆10min；

2、再加入表面活性剂快速搅拌使其发泡，得到泡沫稳定的浆料；

3、发泡稳定后，继续搅拌并加入2份N，N，N’，N’-四甲基乙二胺作为催化剂，10min后加入7份过硫酸盐水溶液(10wt％)作为引发凝胶化反应的引发剂；

4、停止搅拌，静置片刻，得到石墨基水凝胶。

有益效果：

(1)本装置实现了太阳能的聚光集热技术和界面光蒸汽转化技术的高效耦合，通过采用反射镜面将入射到环形蒸发腔内更大面积的太阳光聚集到界面光蒸汽转换材料的侧面及其未被太阳光照射的后面，同时下部的隔热输水海绵起到了支撑材料和隔热的效果，这样避免了光热转换过程中的热损失，提高了太阳能的利用率，进而提升了蒸发速率。

(2)本装置在蒸发过程中，除了光热材料吸收太阳光进行光热转换外，进水箱内的水同时在太阳光辐射的情况下，水温也进一步提升，这大大提高了装置的热质传质效率。

(3)本装置可以进行持续蒸发，运行效率高，具有结构紧密、维护简单、使用寿命长的特点，并且净水效率高，适用范围广，处理成本低，且界面光蒸汽转换材料使用寿命长、易存储。

附图说明

图1是本发明实施例一种基于界面光蒸汽转换的光蒸发装置的结构示意图；

图2是本发明实施例一种基于界面光蒸汽转换的光蒸发装置的另一结构示意图；

图3是使用本发明实施例一种基于界面光蒸汽转换的光蒸发装置时外部环境的太阳光强度和水温的实时数据图；

图标：进水箱入口1；半球形玻璃罩2；环形蒸发腔3；隔热输水海绵4；界面光蒸汽转换材料5；反射镜面6；载台7；淡水箱8；出水开关9；进水箱10；进水箱出口11；进水间隙12。

具体实施方式

实施例

结合图1至图2所示，本发明实施例提供了一种基于界面光蒸汽转换的光蒸发装置，包括进水箱10、光蒸发室和淡水箱8，所述光蒸发室包括半球形玻璃罩2、环形蒸发腔3、界面光蒸汽转换材料5及隔热输水海绵4，其中，所述环形蒸发腔3连接所述进水箱10，所述半球形玻璃罩2设置于所述环形蒸发腔3上方且与所述淡水箱8连接；所述界面光蒸汽转换材料5与所述隔热输水海绵4设置于所述环形蒸发腔3与所述半球形玻璃罩2之间，且所述隔热输水海绵4设置于所述界面光蒸汽转换材料5下方，以将所述环形蒸发腔3内的水吸至所述界面光蒸汽转换材料5内。

如图1所示，在本实施例中，所述进水箱10设置有进水箱入口1用于进水，且可以在底部设置有进水箱出口11以连通至所述环形蒸发腔3，从而将水输送至所述环形蒸发腔3内，所述淡水箱8设置在所述环形蒸发腔3与所述进水箱10之间，用于承接蒸发冷凝后的淡水。本实施例中所述的进水箱10、环形蒸发腔3和淡水箱8均可以设置为圆环形，且采用一环套一环的结构，使得整个装置的结构更加紧凑。所述淡水箱8上设置有出水开关9，用于将淡水从出水开关9处排出。这里所述进水箱10、环形蒸发腔3的主体以及淡水箱8均可以采用亚克力材料制成，所述的进水箱10为最外部的环形水槽；进水箱入口1可以设置有两个，进水箱出口11可以设置有四个，便于快速进水和出水，所述进水箱出口11位于淡水箱8底部的外环隔板上。在一实施例中，所述环形蒸发腔3的主体可以设置为凸字形的构造，凸起部分为中空的圆柱体，所述进水箱10和所述淡水箱8为可以套接在所述圆柱体的环形水槽，便于安装，且结构紧凑。

在一实施例中，界面光蒸汽转换材料5侧边环设有反射镜面6，所述反射镜面6适于将光线反射至所述界面光蒸汽转换材料5的侧边区域。所述反射镜面通过载台7固定承接，其可以固定放置在所述载台7上。本实施例中，所述反射镜面的反射角度为45°～75°左右，优选为60°，其汇聚效果最佳。这里所述反射镜面6设置有若干个，且反射镜面6采用圆弧形状，间隔环设在所述界面光蒸汽转换材料5的外周侧，用于将太阳光反射汇聚到界面光蒸汽转换材料5的侧边区域以及底部区域，提高照射面积，以提高光线的转化效果，从而提升蒸发效率。所述反射镜面6采用高反射率前镀膜反射镜，且相邻的反射镜面6之间设置有进水间隙12，所述进水间隙12适于半球形玻璃罩2凝结的淡水流入到淡水箱8内。

本实施例中，所述半球形玻璃罩2材质为石英玻璃，所述半球形玻璃罩2的内壁底部与所述淡水箱8连接，从而在半球形玻璃罩2的内壁凝结的淡水可以沿着内壁滑落至所述淡水箱8内。

所述界面光蒸汽转换材料5为水凝胶。具体地，所述界面光蒸汽转换材料5为石墨基水凝胶，其制备过程具体按以下步骤进行：

1、将石墨粉、丙烯酰胺、N，N’-亚甲基双丙烯酰胺和水按质量比为7：6：0.5：25放入不锈钢桶中，使用搅拌制浆10min；

2、再加入表面活性剂快速搅拌使其发泡，得到泡沫稳定的浆料；这里所述表面活性剂可以采用十二烷基硫酸钠，份量为0.08份左右；

3、发泡稳定后，继续搅拌并加入2份的N，N，N’，N’-四甲基乙二胺作为催化剂，10min后加入7份的过硫酸盐水溶液(10wt％)作为引发凝胶化反应的引发剂；

4、停止搅拌，静置片刻，得到石墨基水凝胶。

所述界面光蒸汽转换材料5的使用厚度为3～5cm，该厚度可以获得较大的转化效率。

本实施例所述隔热输水海绵4采用聚氨酯海绵，其厚度为5～6cm，可以保证输水效率，同时起到隔热作用。

本发明还提供了一种基于界面光蒸汽转换的光蒸发装置的使用方法，使用上述所述的基于界面光蒸汽转换的光蒸发装置，包括如下步骤：

S1：在温度23-40℃条件下，自进水箱入口1输入水，水体经进水箱出口11输送至环形蒸发腔3内，当进水箱10灌满为止；

S2：使太阳光经装置顶部的半球形玻璃罩2射入装置内部，照射在界面光蒸汽转换材料5的表面；部分太阳光又经反射镜面6聚集到搭载在隔热输水海绵4上的界面光蒸汽转换材料5的侧面，环形蒸发腔3内的水体通过隔热输水海绵4被界面光蒸汽转换材料5吸收且受热蒸发产生蒸汽，蒸汽汇聚到顶部的半球形玻璃罩2，并在半球形玻璃罩2冷凝的作用下，受重力滑落至淡水箱8内；

S3：处理后的水体经淡水箱8的出水口排出。

如图3记录了外部环境的太阳光强度和水温的实时数据下，通过本实施例装置的使用，从上午七点半到下午四点半，该装置的淡水产水量可以达到11.32L/m

应当理解的是：以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

上面对实施方式中所使用的附图介绍仅示出了本发明的某些实施例，不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。