一种超亲水蜂窝活性炭削减苯酚进入淡化水的蒸馏组件

1.本发明属于饮用水处理领域，具体涉及一种超亲水蜂窝活性炭提升光热蒸馏海水蒸发速率和同步削减苯酚进入淡化水的蒸馏组件。


背景技术：

2.海水淡化被认为是解决海岛供水问题最具有前景的方式。现行海水淡化工艺中，反渗透和多效蒸馏已成为当今最主流的海水淡化技术，但现行的脱盐技术并不适用能源短缺、物理条件受限的偏远海岛地区。以多效蒸馏为代表的热法，需要大量海水循环，能耗大、成本高；以反渗透为代表的膜法对进水水质要求严格，存在膜污染和电能消耗大的问题。因此，利用太阳能的绿色无污染海水淡化技术应运而生。由于水蒸发只发生在液体与空气接触的薄水层，基于此原理，近年来提出了基于气液界面加热的太阳能光热蒸馏海水淡化技术。该技术将能量集中在气液界面，减少热能向体相液体传导，实现标准太阳光照下表面海水快速水升温和汽化。
3.光热蒸馏海水淡化过程中，蒸馏组件表面会形成高温高盐光照环境，析出的海盐会降低海水蒸发速率，甚至破坏蒸馏组件；高温使海水中的有机污染物尤其是挥发酚类物质挥发进入冷凝淡化水，造成水质安全风险。尤其是，我国海水水质挥发酚指标超标严重，最大浓度达0.0059mg/l。因此，在解决蒸馏组件盐析问题的同时，同步去除挥发酚来保障冷凝淡化水水质安全，是海水淡化光热蒸馏技术应用亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的技术问题，本技术提供了一种超亲水蜂窝活性炭提升光热蒸馏海水蒸发速率和同步削减苯酚进入淡化水的方法。
5.第一方面，本技术提供了一种一体化蒸馏组件，包括蜂窝活性炭、覆盖在蜂窝活性炭具有孔道的一侧面上的光热膜、包裹在蜂窝活性炭四周的隔热材料，其中所述光热膜由光热材料吸附在无尘纸上得到。
6.作为进一步改进方案，所述光热材料为炭黑、石墨烯、二硫化物、碳纳米管。
7.作为进一步改进方案，所述二硫化物为mos2。
8.作为进一步改进方案，所述隔热材料为膨胀泡沫。
9.作为进一步改进方案，所述光热材料通过抽滤的方式附着在无尘纸上。
10.第二方面，本技术提供了一种蒸馏装置，包括上述所述的一体化蒸馏组件。
11.第三方面，本技术提供了所述的一体化蒸馏组件的制备方法，包括：步骤1)：将光热材料分散在水中进行超声分散得到浑浊液，步骤2)：将浑浊液通过真空抽滤吸附到无尘纸上成光热膜，步骤3)：将光热膜裁剪后覆盖在蜂窝活性炭具有孔道的上表面，然后在蜂窝活性炭四周包裹隔热材料，得到一体化蒸馏组件。
12.作为进一步改进方案，所述光热材料为炭黑、石墨烯、二硫化物、碳纳米管。
13.第四方面，本技术提供了所述的一体化蒸馏组件在同步提升光热蒸馏海水蒸发速
率和削减海水苯酚挥发进入冷凝淡化水中的应用。
14.作为进一步改进方案，所述的一体化蒸馏组件进行光热蒸馏海水时，其所浸入的海水水位高度为中水位，所示中水位为一体化蒸馏组件的蜂窝活性炭的中间位置。
15.下面对本技术做进一步详细说明：
16.本发明利用超亲水性蜂窝活性炭为“海水输送-抗盐析-苯酚吸附去除”多功能材料，将其与光热材料(碳黑、石墨烯、二硫化物)、隔热材料(膨胀泡沫)组装成一体化蒸馏组件，用于同步提升光热蒸馏海水蒸发速率和削减海水苯酚挥发进入冷凝淡化水，确保光热蒸馏海水淡化水质水量双重安全。
17.以具有超亲水性和优异吸附性能的碳基材料——蜂窝活性炭作为海水输送和苯酚吸附去除为一体的多功能材料，与光热材料(碳黑、碳纳米管、二硫化物)、隔热材料(膨胀泡沫)组装成集“光热转换-海水输送-抗盐析-苯酚吸附去除-隔热”为一体的蒸馏组件。将该组件置于海水中，利用不同的光热材料(即光热转换材料)进行宽谱太阳能吸收加热表面海水，为了将热量集中在表面，利用隔热材料(膨胀泡沫)减少热向下传导。利用多功能材料蜂窝活性炭的超亲水性保证海水输送到蒸馏组件内，在海水输送同时高比表面积吸附去除海水中的挥发性有机污染物。在海水蒸发淡化过程中，蜂窝活性炭的孔道作为盐排泄通道，增强流体对流，具有抗盐析性能，可满足长期稳定运行。“光热转换-海水输送-抗盐析-苯酚吸附去除-隔热”一体化蒸馏组件组装示意图如图1所示。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
19.(1)利用输水通道与吸附技术相结合的材料来控制光热蒸馏海水淡化水质，对海水中的有机污染物进行去除，还未见报道。
20.(2)无需进行物理清洗或疏水设计，依靠材料本身特性实现抗盐析的蒸馏组件也未见报道。
21.(3)该一体化组件能够通过采用不同的光热转换材料高效吸收太阳能并通过包裹隔热材料使热量不扩散到底部海水，大大提升了光热转化效率。组件能够源源不断的吸收输送海水，保证蒸发速率。
22.(4)该一体化蒸馏组件利用商业生产的蜂窝活性炭，对海水中长期存在的挥发性有机污染物去除效率高、操作成本低且材料本身无毒、无害、耐久性强，从而确保了该组件用于偏远海岛海水淡化的可能性。
附图说明
23.图1是“光热转换-海水输送-抗盐析-苯酚吸附去除-隔热”一体化蒸馏组件组装示意图，
24.图2是蜂窝活性炭接触角实验，
25.图3是基于蜂窝活性炭不同光热转换材料组件水蒸发速率，
26.图4是蜂窝活性炭孔道对盐析影响，
27.图5是基于蜂窝活性炭不同光热蒸发面水蒸发速率，
28.图6是基于蜂窝活性炭不同浸水高度组件水蒸发速率，
29.图7是“污染物吸附去除-输水通道-光热转换-抗盐”一体化蜂窝活性炭蒸馏组件蒸馏苯酚溶液获得的冷凝淡化水苯酚浓度。
具体实施方式
30.本实施例提供了一种一体化蒸馏组件，如图1所示，包括蜂窝活性炭、覆盖在蜂窝活性炭具有孔道的一侧面上的光热膜、包裹在蜂窝活性炭四周的隔热材料，其中所述光热膜由光热材料通过真空抽滤吸附在无尘纸上得到。
31.在一些实施例中，所述光热材料为炭黑、石墨烯、二硫化物、碳纳米管，例如所述二硫化物为mos2。在一些实施例中，所述隔热材料为膨胀泡沫(隔热泡沫)。
32.本实施例还提供了一种蒸馏装置，包括上述实施例的所述一体化蒸馏组件。
33.本实施例还提供了所述的一体化蒸馏组件的制备方法，包括：步骤1)：将光热材料分散在水中进行超声分散得到浑浊液，步骤2)：将浑浊液通过真空抽滤吸附到无尘纸上成光热膜，步骤3)将光热膜裁剪后覆盖在蜂窝活性炭具有孔道的上表面，然后在蜂窝活性炭四周包裹隔热材料，得到“光热转换-海水输送-抗盐析-苯酚吸附去除-隔热”一体化蒸馏组件(简称“一体化蒸馏组件”)。
34.在一些实施例中，所述一体化蒸馏组件可以应用在同步提升光热蒸馏海水蒸发速率和削减海水苯酚挥发进入冷凝淡化水中。在一些实施例中，所述的一体化蒸馏组件进行光热蒸馏海水时，其所浸入的海水水位高度为中水位，所示中水位为一体化蒸馏组件的蜂窝活性炭的中间位置。
35.首先，为验证蜂窝活性炭作为输水材料的吸水效果，采用接触角实验考察蜂窝活性炭亲水性。如图2所示，水滴在2s内被迅速吸收，说明蜂窝活性炭具有超亲水性。
36.实施例1
37.将50mg的mos2粉末分散在50ml的去离子水中，超声分散30min，使粉末分散均匀。将该浑浊液通过真空抽滤的方式抽滤到白色无尘纸上成膜，膜的直径约为4cm，然后空气中干燥制得mos2光热转换膜(也以同样方式制得炭黑光热转换膜和碳纳米管光热转换膜)。将所制得的光热转换膜分别覆盖在直径4cm、孔径1.5mm、高10cm的蜂窝活性炭具有孔道的上表面，蜂窝活性炭四周包裹泡沫隔热(蜂窝活性炭上下表面不包裹泡沫隔热，其他几个侧面包裹泡沫隔热)，即得到“光热转换-海水输送-抗盐析-苯酚吸附去除-隔热”一体化蒸馏组件。以3.5％nacl溶液为水源分别在相同工况下进行水蒸发实验，水蒸发速率结果如图3所示。图3中，a：碳纳米管光热转换膜；b：mos2光热转换膜；c：碳黑光热转换膜。从图3可以看出，采用这三种光热材料制备的一体化蒸馏组件的水蒸发速率均在1.1kg.m-2
.h-1
以上，而现有技术中的蒸馏组件的水蒸发速率在0.8kg.m-2
.h-1
，故采用本发明制备方法制备的一体化蒸馏组件能够提升光热蒸馏海水蒸发速率。
38.如图4所示，探究蜂窝活性炭孔道对盐析出影响，将蜂窝活性炭本身作为光热转换材料，在3.5％nacl溶液为水源、一个太阳光照、相同工况条件下分别将蜂窝活性炭无孔一侧和孔道一侧作为光热蒸发面进行水蒸发实验如图4(图4中，将蜂窝活性炭作为光热转换材料，四周包裹泡沫隔热，得到蒸馏组件，进行水蒸发实验)。4h后将蜂窝活性炭无孔一侧作为光热蒸发面表面有部分盐析，而将蜂窝活性炭孔道一侧作为光热蒸发面表面无盐析出，说明蜂窝活性炭孔道具有抗盐作用。图4中，图4a：蜂窝活性炭无孔一侧为光热蒸发面，左上区域有盐析；图4b：蜂窝活性炭有孔一侧为光热蒸发面，无盐析出。基于蜂窝活性炭不同光热蒸发面水蒸发速率如图5所示。从图5可以看出，无论是将蜂窝活性炭的无孔侧作为蒸发面，还是有孔道侧作为蒸发面，二者的水蒸发速率均在0.9kg.m-2
.h-1
以上，超过现有水平，
所以作为蒸馏组件的重要组成部分，蜂窝活性炭本身也提高了水蒸发速率。
39.如图6所示，优化基于蜂窝活性炭光热蒸馏组件的水蒸发速率，考虑材料内部的孔隙被水填充后，吸水高度影响供水效果，分别进行3.5％nacl溶液为水源、一个太阳光照、相同工况条件下将蜂窝活性炭蒸馏组件浸入高水位、中水位和低水位三种水位高度进行水蒸发实验。从图6结果表明，水位过高或过低都会影响蒸发效果。
40.如图7所示，将表面覆盖炭黑光热转换膜的“光热转换-海水输送-抗盐析-苯酚吸附去除-隔热”一体化蒸馏组件置于冷凝装置中。由于酚类化合物具有较高的挥发性和缩合性，对蒸馏水的污染潜力最大。采用典型挥发酚为模型有机污染物，考察该蜂窝活性炭蒸馏组件(即一体化蒸馏组件)吸附挥发性有机物效能。
41.以1mg/l苯酚、3.5％nacl溶液为水源，收集组件淡化水。在一个太阳光照4h后蜂窝活性炭表面无盐析出，从图7高效液相色谱的结果可看出，获得的冷凝淡化水中无苯酚浓度，远远低于苯酚原液和直接蒸馏苯酚收集的冷凝淡化水水中的苯酚的浓度。图7中a：“污染物吸附去除-输水通道-光热转换-抗盐”一体化蜂窝活性炭蒸馏组件蒸馏苯酚溶液获得的冷凝淡化水苯酚浓度；b：原溶液1mg/l苯酚溶液浓度。