一种太阳能光热膜蒸馏装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种太阳能光热膜蒸馏装置，从左到右依次包括给水腔、蒸汽腔、冷凝水腔；所述蒸汽腔内从左到右依次设有独立式光热蒸发材料、若干个水蒸汽通道和疏水膜，所述独立式光热蒸发材料的底部插入给水腔中；所述给水腔中的给水经蒸汽腔蒸发形成蒸汽后进入冷凝水腔内。本发明专利技术提供的太阳能光热膜蒸馏装置具有结构简单、易于操作的特点，避免了由于给水和膜直接接触造成的膜污染问题，能够高效收集冷凝水，解决了冷凝水和蒸汽的挡光问题，提高了光热膜蒸馏系统的稳定性和太阳能利用效率。

A Solar Photothermal Membrane Distillation Device

【技术实现步骤摘要】
一种太阳能光热膜蒸馏装置
本专利技术涉及海水淡化
，特别涉及一种太阳能光热膜蒸馏装置。
技术介绍
伴随着气候变化、人口增加和经济发展，淡水资源的短缺和污染问题已变得日益严重，成为一个亟需解决的全球性问题。作为生产淡水的一种有效方法，膜蒸馏最近引起了人们极大的关注。膜蒸馏是采用疏水微孔膜以膜两侧的蒸汽压差为传质驱动力的新型膜分离过程，具有操作温度较低(～70℃)、对给水的盐度相对不敏感性、并能脱除几乎全部的非挥发性溶质等优点。太阳能是地球上分布最广，储量最大的能源，因其可持续、绿色等特点，研究和工业领域近年来广泛关注于利用太阳能驱动膜蒸馏过程的相关技术。在传统的太阳能驱动水处理系统中，冷凝水不易收集、冷凝水和蒸汽阻挡入射光等问题，会严重削弱系统的蒸发效率和稳定性。因此，设计合理的水处理系统，高效收集冷凝水、解决冷凝水和蒸汽的挡光问题是实现高效水处理的关键。而膜蒸馏利用疏水膜对侧的冷凝水高效收集穿过膜的蒸汽，并解决了挡光问题。在传统的太阳能驱动膜蒸馏系统中，通常是利用太阳能集热器提供的热能来加热给水，实现海水淡化和污水处理。该方法需要加热给水整体，通过对流、传导的散热严重，太阳能利用率低。2014年，美国麻省理工学院GangChen课题组提出了局域化加热的概念，高效利用太阳能进行快速的光热蒸发，显著地提高了太阳能的利用效率[H.Ghasemietal.Nat.Commun.2014,5:4449]。随后，基于局域化加热概念的光热膜蒸馏被提出，将光热蒸发材料沉积在膜上或掺入膜中，在光照下，对流经膜上的给水直接进行光热蒸发，实现膜蒸馏过程[A.Politanoetal.Adv.Mater.2017,29；1603504]。随后的相关研究对光热膜蒸馏系统做了进一步优化，主要集中在对光热蒸发材料的研究上，如：优化光热蒸发材料的吸光性[DP.Dongareetal.Proc.NatlAcad.Sci.USA2017,114；6936-6941；L.Huangetal.Desalination2018,442；1-7]，而在实际应用中，由于光热蒸发材料直接与大量给水直接接触，造成了光热蒸发材料向给水整体的热损失，严重削弱系统的光热蒸发效率。同时，给水与膜进行直接接触，也造成了膜污染的问题。因此，设计合理的光热蒸发材料和膜两者的结构是实现长期稳定且高效的水处理的关键。此外，现有太阳能膜蒸馏系统往往结构较复杂，制造成本较高，如：申请号为CN200520005444.0的中国专利公开的一种太阳能膜蒸馏装置，所述热工质加热装置中加入热太阳能加热装置，冷工质冷却装置采用太阳能冷却装置，驱动装置采用太阳能发电装置，但是整个装置体积较庞大，系统成本高。所以，面向实际应用，设计结构紧凑、成本低廉的膜蒸馏装置是一迫切需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种结构简单、易于操作的太阳能光热膜蒸馏装置，避免了由于给水和膜直接接触造成的膜污染问题，太阳能光热膜蒸馏装置的稳定性和太阳能利用效率均显著提高。本专利技术提供如下技术方案：一种太阳能光热膜蒸馏装置，所述太阳能光热膜蒸馏装置从左到右依次包括给水腔、蒸汽腔、冷凝水腔；所述蒸汽腔内从左到右依次设有独立式光热蒸发材料、若干个水蒸汽通道和疏水膜，所述独立式光热蒸发材料的底部插入给水腔中；所述给水腔中的给水经蒸汽腔蒸发形成蒸汽后进入冷凝水腔内。所述冷凝水腔内设有冷液仓，收集穿过疏水膜的水蒸汽。本专利技术提供的太阳能光热膜蒸馏装置的工作过程为：独立式光热蒸发材料吸收给水腔中的水并产生蒸汽，产生的水蒸汽依次经过水蒸汽通道、疏水膜后进入到冷凝水腔，经冷凝后完成蒸馏过程。所述给水腔设有透光玻璃板，所述透光玻璃板与独立式光热蒸发材料受光一侧紧贴，用于透过太阳光并保持装置气密性。优选的，所述的给水腔包括透光玻璃板和给水槽。独立式光热蒸发材料的底部插入给水腔中。优选的，所述的透光玻璃板和给水槽是一体的。所述的水蒸汽通道由独立式光热蒸发材料和疏水膜之间用隔衬相隔形成，所述的水蒸汽通道宽度为0.1-10mm。所述的水蒸汽通道由独立式光热蒸发材料和疏水膜包围形成，用于富集独立式光热蒸发材料产生的蒸汽并将给水和疏水膜分离开。水蒸汽的通道宽度是实现长期稳定和高效地膜蒸馏过程的关键。当宽度过大时，蒸汽的传输阻力和系统的热损失将会增大；当宽度过小时，系统的加工和操作复杂性将会提高，存在膜污染的隐患。优选的，所述的水蒸汽通道宽度为1-3mm。既可以减少热损失又可以减少膜污染的隐患。所述给水腔的上部设有原水进水口，所述给水腔的下部设有浓水出水口，原水经原水进水口输入到给水腔，经蒸汽腔蒸发浓缩后的原水从浓水出水口排出。所述冷凝水腔的下部设有冷凝水入口和冷凝水腔的上部设有冷凝水出口，从冷凝水进水口输入的冷凝水将蒸汽冷凝收集后从冷凝水出水口排出。所述的疏水膜为有支撑体或无支撑体的平板膜，所述疏水膜的孔径为0.1-0.5μm。所述的疏水膜的材质选自聚四氟乙烯、聚丙烯或聚偏氟乙烯。优选的，所述的疏水膜为有支撑体的平板膜，孔径为0.1-0.3μm，材质为聚偏氟乙烯。优选的，所述太阳能光热膜蒸馏装置还包括给水泵、冷凝水泵、储液槽和驱动装置，所述驱动装置驱动给水储液槽的给水流经给水槽、所述驱动装置驱动冷凝水储液槽中的冷凝水流经冷液仓。优选的，所述驱动装置为太阳能电池板。所述独立式光热蒸发材料包括支撑体和覆盖在支撑体外表面的吸光体，所述支撑体为泡沫镍，所述吸光体为垂直取向石墨烯，所述垂直取向石墨烯覆盖有亲水性涂层；所述独立式光热蒸发材料用于吸收给水腔中的原水并产生蒸汽。独立式光热蒸发材料捕集太阳能，并将光能转化为热能，快速地产生局部高温区。覆盖有亲水性涂层的垂直取向石墨烯由碳纳米壁阵列组成。所述泡沫镍为多孔结构。经表面喷涂的垂直取向石墨烯作为水输送流道，通过毛细作用传输给水到局部高温区，迅速产生光热蒸汽；解决了常规光热膜蒸馏系统中由于光热蒸发材料与给水整体直接接触，所引起的热损失问题，提高了系统的光热蒸发效率；同时将实现给水与膜的分离，解决了常规膜蒸馏系统中由于膜与给水直接接触，所引起的膜污染问题，提高了系统的长期稳定性。所述吸光体的吸光率为90-99％。优选的，所述吸光体的吸光率为96.0-98.0％。所述独立式光热蒸发材料的制备方法包括如下步骤：(1)将泡沫镍放置于等离子体增强化学气相沉积反应腔内，通入甲烷或者氢气与甲烷的混合气，进行化学气相沉积反应后，通入惰性气体，冷却，得到垂直取向石墨烯/泡沫镍；(2)将步骤(1)得到的垂直取向石墨烯/泡沫镍用丙酮、甲醇、去离子水清洗，然后在干燥的气氛中干燥；(3)将步骤(2)得到的垂直取向石墨烯/泡沫镍表面用喷枪均匀地喷涂溶液，在空气中静置干燥，在垂直石墨烯表面形成超清水涂层，得到独立式光热蒸发材料。所述步骤(1)中氢气与甲烷的混合气的流量比为0-20：1。优选的，所述步骤(1)中氢气与甲烷的混合气的流量比为0-15：1。氢气和甲烷的流量比是合成垂直取向石墨烯的关键，当混合气的流量比大于15：1时，所得产物不是垂直取向石墨烯。优选的，所述步骤(1)混合气的流量比为1-5：1。当流量比小于1：1，合成速度较慢；当流量比大于5：1所得产物的形貌和化学性质更接近于不定型碳、碳纳米纤维和碳纳米管。所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种太阳能光热膜蒸馏装置，其特征在于，所述太阳能光热膜蒸馏装置从左到右依次包括给水腔、蒸汽腔、冷凝水腔；所述蒸汽腔内从左到右依次设有独立式光热蒸发材料、若干个水蒸汽通道和疏水膜，所述独立式光热蒸发材料的底部插入给水腔中；所述给水腔中的给水经蒸汽腔蒸发形成蒸汽后进入冷凝水腔内。

【技术特征摘要】
1.一种太阳能光热膜蒸馏装置，其特征在于，所述太阳能光热膜蒸馏装置从左到右依次包括给水腔、蒸汽腔、冷凝水腔；所述蒸汽腔内从左到右依次设有独立式光热蒸发材料、若干个水蒸汽通道和疏水膜，所述独立式光热蒸发材料的底部插入给水腔中；所述给水腔中的给水经蒸汽腔蒸发形成蒸汽后进入冷凝水腔内。2.根据权利要求1所述的太阳能光热膜蒸馏装置，其特征在于，所述给水腔设有透光玻璃板，所述透光玻璃板与独立式光热蒸发材料受光一侧紧贴。3.根据权利要求1所述的太阳能光热膜蒸馏装置，其特征在于，所述的水蒸汽通道由独立式光热蒸发材料和疏水膜之间用隔衬相隔形成，所述的水蒸汽通道宽度为0.1-10mm。4.根据权利要求1所述的太阳能光热膜蒸馏装置，其特征在于，所述给水腔的上部设有原水进水口，所述给水腔的下部设有浓水出水口，原水经原水进水口输入到给水腔，经蒸汽腔蒸发浓缩后的原水从浓水出水口排出。5.根据权利要求1所述的太阳能光热膜蒸馏装置，其特征在于，所述冷凝水腔的下部设有冷凝水入口和冷凝水腔的上部设有冷凝水出口，从冷凝水进水口输入的冷凝水将蒸汽冷凝收集后从冷凝水出水口排出。6.根据权利要求1所述的太阳能光热膜蒸馏装置，其特征在于，所述的疏水膜为有支撑...

【专利技术属性】
技术研发人员：薄拯，杨化超，龚碧瑶，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33