基于界面蒸发的复合蒸发棒及其应用

1.本发明属于水处理和光热转换技术领域，具体涉及的是基于界面蒸发的复合蒸发棒及其应用。


背景技术：

2.全球三分之二的人口每年至少有一个月面临严重的水资源短缺问题，难以获得清洁安全的水资源供应，而长期饮用不清洁的水源会造成癌症、结石、高血压、心脏病、脑血栓、氟中毒而造成的人体骨疏松和软化以及消化系统疾病。沿海地区往往采用海水淡化技术获取清洁用水，然而该方法需要消耗大量能量，成本较高且效率低下，因此，人们急需寻找到绿色高效、低成本、可持续的技术来获取清洁水。
3.界面蒸发是一种新兴的利用太阳光持续蒸馏水的方法，通过将一种具有多孔结构的蒸发体漂浮在水面上，在水-空气的交界处进行光热转换形成局部热区，同时蒸发体内部多孔结构通过毛细作用向顶部热区连续供水，从而引起蒸发。现有的光热材料包括等离激元金属、碳、有机多孔聚合物、天然生物质和/或水凝胶。
4.基于水凝胶和光热转化剂的界面蒸发技术，可实现在光照的情况下持续的将水蒸发到空气中。然而该技术存在不少于三点缺陷：(1)低通量：现有的基于水凝胶的界面蒸发装置，光热转换发生在空气-装置-液体的接触界面上，蒸发效率通常低于4.0kg m-2
h-1
；(2)高成本：现有的依赖于聚吡咯、纳米ti2o3等光热转换剂的界面蒸发技术，成本高昂；(3)传统界面蒸发技术是将太阳光转化成热量，从而实现水的蒸发，即在没有光照的条件下，无法获得清洁水。
5.为了解决现有界面蒸发技术面临的低通量、高成本的问题，本发明提供了一种基于界面蒸发的复合蒸发棒。与常规的平面式界面蒸发装置相比，复合蒸发棒可以在极小占地面积上布置极大的蒸发面积，有效地提升单位土地面积上的蒸发通量，具备高效蒸发、低成本、绿色可持续的优点。本发明在沿海地区、偏远无稳定水源地区、高硬度水源地区、高氟水源地区、野外等地区具有极大的使用价值。


技术实现要素：

6.本发明的目的之一在于提供一种基于界面蒸发的复合蒸发棒，该复合蒸发棒成本低廉，能耗极少，可以实现不清洁水源的高效蒸发。
7.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.基于界面蒸发原理的复合蒸发棒，所述复合蒸发棒包括内部的供水层和外部的光热转换层；所述光热转换层包裹着所述供水层；
9.所述光热转换层可吸收空气中的热量形成局部热区，达到蒸发水源的目的；
10.所述供水层具备吸收水，并向所述复合水凝胶供水的功能。
11.进一步，所述光热转换层为石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、石墨、炭黑中的任一种与聚丙烯酰胺、海藻酸、壳聚糖和/或纤维素中的任一种复合得到。
12.进一步，所述供水层为海绵、棉质物质、发泡塑料中的任一种。
13.进一步，所述光热转换层为碳纳米管复合聚丙烯酰胺，所述供水层为棉质物质。
14.进一步，所述碳纳米管复合聚丙烯酰胺包括碳纳米管、去离子水、丙烯酰胺单体、n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺、引发剂和/或促交联剂。
15.进一步，所述复合蒸发棒的处理对象为不清洁的水源。
16.进一步，所述复合材料纵向方向与横截面方向的尺度比例为5-2000。
17.进一步，所述复合蒸发棒分为顶部供水式和/或底部供水。
18.本发明的目的之二在于提供一种碳纳米管复合水凝胶，制备方法包括以下步骤：
19.1)将所述碳纳米管分散到所述去离子水中，制备碳纳米管分散液；
20.2)添加所述丙烯酰胺单体、所述n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺、所述引发剂和所述促交联剂至碳纳米管分散液中，得碳纳米管复合水凝胶。
21.所述棉质物质需在碳纳米管复合水凝胶的制备过程中，即碳纳米管复合水凝胶未成型前放入其中。
22.进一步，所述引发剂为过硫酸铵，所述促交联剂为四甲基乙二胺。
23.本发明的目的之三在于提供的是基于界面蒸发的复合蒸发棒的水处理方法，具体方法如下：
24.(1)底部供水：所述底部供水式蒸发棒采用插入式设计，将插入式复合蒸发棒插入待处理水源中，底部浸没在给水中，在毛细作用下不断向所述光热转换层供水，从而实现蒸发。
25.(2)顶部供水：所述顶部供水式蒸发棒在蒸发棒的顶部增加一个带盖的储水容器，将待处理水源装入所述储水容器中，使其在毛细作用和重力作用下向所述光热转换装置供水，从而实现蒸发。
26.进一步，所述底部供水式蒸发棒通过聚苯乙烯泡沫中间的孔洞固定在水面上。
27.本发明的有益之处在于：
28.(1)现有的界面蒸发棒，光热转换发生在空气-装置-液体的接触界面上，而本专利提出的复合蒸发棒采用长条状设计，可以在极小的占地面积上布置极大的蒸发面积，有效的提升单位土地面积上的蒸发通量，蒸发效率超过4.0kg m-2
h-1
。该界面蒸发棒的蒸发通量远远高于现有的蒸发装置可实现的单位占地面积下的蒸发通量。
29.(2)本专利提出的复合蒸发棒，实现光热转换时蒸发水的热量主要来源为空气中的热量，在没有太阳光照时也能正常工作，成本低廉，绿色可持续。
附图说明
30.图1为蒸发棒模型图，其中a为底部供水，b为顶部供水；
31.图2为蒸发棒的长度与蒸发速率的关系；
32.图3为本专利的蒸发棒的构型与他人实现的蒸发通量及经济性的比较，图中任意一个符号代表一个他人的研究成果。
具体实施方式
33.实施例1
34.3d碳纳米管水凝胶的制备方法，具体步骤如下：
35.取0-100mg碳纳米管分散到5-20ml去离子水中，超声半小时，得碳纳米管分散液；接着加入1.0-10g丙烯酰胺单体、6-20mg n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺至碳纳米管分散液中，并加入40-90mg过硫酸铵作为引发剂、10-100μl四甲基乙二胺作为促交联剂，混合均匀，，得混合液；将混合液迅速倒入内径为6-8mm的透明塑料管，并放置长5-100cm的棉芯于塑料管中央，室温放置2小时待凝胶完全。
36.实施例2
37.制备3d碳纳米管水凝胶，具体步骤如下：
38.取30mg碳纳米管分散到5ml去离子水中，超声半小时，得碳纳米管分散液；接着加入1.3g丙烯酰胺单体、6mg n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺至碳纳米管分散液中，并加入40mg过硫酸铵作为引发剂，84μl四甲基乙二胺作为促交联剂，混合均匀，得混合液；将混合液迅速倒入内径为8mm的透明塑料管，并放置长13cm的棉芯于塑料管中央，室温放置2小时待凝胶完全，从塑料管中取出即可。
39.按照上述制备方法可以制备出其他长度的3d碳纳米管水凝胶。
40.如图1所示的蒸发棒，其包括光热转换层1，供水层2；其中a为底部供水，b为顶部供水；a中3为待处理水源，b比a多一个带盖的储水容器4。
41.图2横坐标表示蒸发棒的长度，纵坐标表示蒸发速率。如图2所示，蒸发棒的长度越大，在单位竖直投影面上的蒸发通量越大；并且当蒸发棒长度相同时，顶部供水的蒸发速率优于底部供水，具体如表1所示。
42.表1
[0043][0044]
图3横坐标表示蒸发通量，纵坐标表示效益成本比。效益成本比定义为蒸发材料所能提供的蒸发速率除以制造该材料的成本。计算公式如下：ε＝r/c，r：蒸发速率(kg m-2
h-1
)，c：蒸发成本($m-2
)，单位：kg h-1
$-1
。
[0045]
本专利定义通量大于30kg m-2
h-1
为高通量，定义效益成本比大于10g h-1
$-1
为经济效益成本比。如图3所示，本专利对应的蒸发材料达到高通量和经济效益成本比的标准，现有的3d蒸发材料能够实现的最大蒸发速率是30kg m-2
h-1
，但是该成果对应的效益成本比远远低于本专利的效益成本比。虽然有两个文献报道的蒸发材料的效益成本比相对较高，可以达到10-15kg h-1
$-1
，但是该蒸发材料蒸发速率较低，均小于20kg m-2
h-1
。与现有的公开文献相比，本专利对应的蒸发材料在蒸发通量和效益成本比方面具有显著的优势。
[0046]
最后说明的是，以上实施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宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。