一种自浮式叶脉仿生界面太阳能蒸发器及其制备方法与应用

本发明涉及一种太阳能蒸发器，特别涉及一种自浮式叶脉仿生界面太阳能蒸发器及其制备方法与应用。

背景技术：

1、作为一种可持续的海水淡化技术，界面太阳能蒸发技术具有成本低、离网能力强、零碳足迹等优点，尤其适用于偏远地区。但在实际海水淡化的应用中，蒸发表面很容易出现盐结晶，大大降低蒸发速率甚至毁坏器件。仿生垂直结构由于强大的供水能力、抗盐性能以及利于水蒸气散逸的优势，已在界面太阳能蒸发器中得到广泛应用。但由于内部的微米级毛细管的传水能力过于强大，蒸发器表面补水的能力远远超出其消耗水的能力，并且蒸发器与主体水的直接接触不可避免地会带来巨大的热量损失，且在实际应用中需额外装置辅助悬浮，限制了其拓展应用，此外蒸发速率也有待提高。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的第一目的为提供一种具有高蒸发速率的自浮式叶脉仿生界面太阳能蒸发器；本发明的第二目的为提供所述自浮式叶脉仿生界面太阳能蒸发器的制备方法；本发明的第三目的为提供所述自浮式叶脉仿生界面太阳能蒸发器的应用。

2、技术方案：本发明所述的自浮式叶脉仿生界面太阳能蒸发器，包括支撑骨架材料和填充主体材料，主体材料填充在支撑骨架材料中，上层为向上的主脉和水平生长的次脉形成仿生叶脉状毛细管结构，下层为垂直毛细管结构；支撑骨架材料为疏水型带有垂直孔道的聚氨酯泡沫，主体材料为生物质水凝胶材料、光热材料和交联剂。

3、所述疏水型带有垂直孔道的聚氨酯泡沫制备方法：用打孔器在聚氨酯泡沫上打垂直的孔道，如图1所示。

4、聚氨酯泡沫具有低密度可以提供浮力支撑蒸发器悬浮，并且其热导率极低，使蒸发器实现优异的热管理。疏水性的聚氨酯泡沫可以有效隔热并提供浮力。采用具有均匀分布宏观孔道的聚氨酯泡沫，在定向冷冻过程中，沿着聚氨酯泡沫的垂直孔道在底层生成垂直的毛细结构，上层形成向上的主脉和水平生长的次脉形成仿生叶脉状毛细管结构。

5、上层形成的仿生叶脉状结构可将下层水快速向上传输的同时向四周扩散，使得纤细的管道为百倍于自身投影面积的蒸发面供水。可根据实际使用场景的不同条件调控下层传水垂直毛细管的数量进而调控传水能力，使对上层的供水既不因过少导致蒸发面盐结晶也不因过多导致热损失严重。

6、更小的孔径更密集的孔分布可以实现更均匀的表面传水。优选的，所述蒸发器下层传水管道投影面积占比为0.12％到4.41％。孔道投影面积过大导致供水过量，热损失更多，孔道面投影积过小导致供水不足，蒸发器表面产生盐结晶。

7、优选的，所述聚氨酯泡沫的厚度为1～3cm。

8、优选的，所述水凝胶材料为海藻酸钠(sa)、壳聚糖、纤维素、聚乙烯醇(pva)、聚丙烯酸中的一种或多种。水凝胶具有优异的传水性能，多孔的特性，并且可以降低水的蒸发焓。进一步优选的，所述水凝胶材料为海藻酸钠和聚乙烯醇，两者形成的水凝胶具有丰富的沁水集团并构成气凝胶主体，可以有效传水，降低水的蒸发焓的特点。

9、交联剂使水凝胶形成稳定结构。优选的，所述交联剂为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(kh560)、戊二醛、单宁酸、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺(mba)、京尼平。进一步优选的，所述交联剂为kh560。kh560可使气凝胶的大小稳定，保证器件的良好结合。

10、光热材料可以吸光产热，使水得以蒸发。优选的，所述光热材料为碳纳米管，氧化铜颗粒，石墨烯，mxene，炭黑等。进一步优选的，所述光热材料为mxene。mxene是一类由金属层和碳氮层交替叠加构成的二维过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物，凭借着具有全太阳光谱吸收、高光热转化效率等优点，在光热蒸发领域得到了广泛应用。

11、本发明所述的自浮式叶脉仿生界面太阳能蒸发器的制备方法，包括以下步骤：

12、(1)将主体材料生物质水凝胶材料、光热材料和交联剂加入溶剂中制备得到前驱体溶液；

13、(2)将聚氨酯泡沫置于带有铜底座的聚四氟乙烯模底部，将步骤(1)中制备的前驱体溶液注入聚氨酯泡沫的孔道和上部的空间中，将模具底部置于液氮中，形成温度梯度进行定向冷冻，全部冻结后取出，进行冷冻干燥，然后浸泡于钙离子溶液，洗净后得到自浮式叶脉仿生界面太阳能蒸发器。

14、在定向冷冻过程中，由于铜板良好的导热性形成温度梯度，聚氨酯泡沫底部沿着孔道生成垂直的毛细结构，而孔道完全冻结后，由于上层温度比下层温度更高且液体投影面积大于孔道，逐渐形成向上的主脉和水平生长的次脉形成仿生叶脉状毛细管结构。

15、优选的，步骤(1)中，所述前驱体溶液的制备方法为：将水凝胶材料、光热材料、交联剂分别加入溶剂中分散均匀，然后先将水凝胶材料溶液和光热材料溶液混合均匀，最后加入交联剂混合均匀。

16、优选的，当水凝胶材料为海藻酸钠和聚乙烯醇，交联剂为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷时，前驱体溶液的制备方法为：将海藻酸钠粉末缓慢放入到去离子水中进行搅拌，制备出3～9wt％的海藻酸钠溶液；将聚乙烯醇颗粒放入去离子水中溶胀，之后将锥形瓶放进油浴锅中加热搅拌，制备1～3wt％pva溶液；将光热材料加入水中分散均匀，得到1～5wt％光热材料溶液；将10ml的sa溶液与10ml的pva溶液与20ml光热材料溶液混合后冰浴超声使光热材料分散均匀，随后加入0.8gγ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(kh560)，进行磁力搅拌得到前驱体溶液。

17、优选的，步骤(2)中，所述钙离子溶液为1～5wt％的氯化钙溶液。在钙离子溶液浸泡过程中海藻酸钠中钠离子与溶液中的钙离子交换，水凝胶形成更稳定的“蛋壳”结构。

18、本发明所述的自浮式叶脉仿生界面太阳能蒸发器在海水淡化或界面太阳能蒸发中的应用。

19、所述海水盐浓度为0.8～10wt％。

20、发明机理：传统垂直结构水凝胶蒸发器的作用机理如图2(右)所示，传统垂直结构水凝胶蒸发器由于过量的供水与缺乏隔热层导致的高热导率，会降低蒸发器的热管理能力，使得蒸发速率降低，且缺乏自悬浮功能，实际使用中需要额外的辅助悬浮装置。

21、本发明的自浮式叶脉仿生界面太阳能蒸发器中，聚氨酯泡沫中注入前驱体溶液，定向冷冻，使得聚氨酯泡沫下层孔道中形成具有强传水能力的垂直结构毛细管，上层则形成可以均匀横向、纵向供水与强离子迁移能力的叶脉状毛细管。疏水型聚氨酯泡沫提供浮力，具有自悬浮功能。下层的垂直毛细管结构能够给上层保证充足的供水，并且聚氨酯泡沫可以将热传导损失降到最低。下层叶脉状毛细管能够保证几十倍乃至百倍于下层管道投影面积的蒸发层可以在快速蒸发的同时不产生盐结晶阻碍表面蒸发，机理图如图2(左)所示。

22、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)本发明通过以带孔疏水聚氨酯为支撑骨架材料，填充气凝胶材料，形成上层为仿生叶脉状毛细管，下层为垂直结构毛细管结构的蒸发器，实现了自悬浮功能，无需额外增加装置辅助悬浮，并且达到了高蒸发速率；(2)本发明的蒸发器通过将下层聚氨酯泡沫构筑的可调控传水结构，可根据实际应用场景的盐浓度来制备适宜的管道数量的蒸发器防止过量的毛细供水并降低热传导损失，保证热的最大化利用；(3)制备方法简单，所用原料经济易得，具有投入未来大规模生产的可行性，且本身可自悬浮，无需额外的辅助悬浮设备，使用占地面积不大，在解决未来淡水资源匮乏等问题方面具有良好的应用前景；(4)本法发明的蒸发器应用于海水淡化水，在九月中下旬的南京应用于5wt％模拟海水中连续工作十四天，维持了每天9.69～11.98lm-2的淡水产量，在海水淡化领域具有广阔的使用前景，特别适用于偏远沿海地区的人们。