一种海水持续淡化装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及海水持续淡化装置及方法。本发明专利技术将碳纳米管或石墨烯等一类碳基材料复合疏水聚合物制备得到一种疏水碳基复合膜，通过激光打孔获得具有微‑纳米多级孔结构的疏水碳基复合膜，进一步在其表面涂覆有光热/电热响应性的聚合物分子，增强其电焦耳热和光热效应以提高能源利用率，最终获得兼具多级孔道结构和电热、光热效应的疏水碳基复合膜。设计相应器件将该疏水碳基复合多孔膜应用于电热/光热驱动海水淡化过程，控制条件使该疏水碳基复合多孔膜发热，热量作为热源为水相变过程提供传质驱动力，冷凝回收水蒸气最终实现海水脱盐。本发明专利技术结合热相变过程和膜法，能够实现电热‑光热交替24小时持续海水淡化。

A device and method for continuous desalination of seawater

【技术实现步骤摘要】
一种海水持续淡化装置及方法
本专利技术涉及一种新型节能的海水淡化方法，以碳纳米管或石墨烯等一类碳基材料高效的光热转换效率及其通电焦耳热效应为基础，结合热相变与蒸发传质实现海水淡化过程。
技术介绍
随着人口增长和水污染日益严重，水资源短缺已成为人类社会面临的最严峻的全球性挑战之一。目前已发展成熟并得到大规模商业应用的海水淡化技术包括反渗透法(RO)、电渗析法(ED)、多级闪蒸(MSF)、低温多效(MED)等，这些技术在高效淡化的同时设备运行带来能耗问题不容忽视，而太阳能海水淡化技术由于其低能耗、低成本、高能量转换效率、环境友好等优点被认为是一种很有前途的技术。目前，太阳能海水淡化领域通过光子管理、纳米尺度热调控、开发新型光热转化材料、设计高效光吸收太阳能蒸馏器等方法实现了界面太阳能驱动蒸汽生成，这种绿色、可持续的海水脱盐技术已成为近年来的研究热点。碳基材料如碳纳米管、石墨烯、炭黑、石墨等都有涵盖整个太阳光光谱的光吸收能力，是一种新型的光热转换材料。例如，CN200910169726.7提供了一种利用碳纳米管吸收太阳能高效淡化海水的方法：利用碳纳米管实现光能向热能的转化,利用循环流动的载气将碳纳米管表面的热能带走并传递给海水；载气进入海水储槽将海水分成温度和浓度不同的上下两层；上、下层海水与载气三者之间通过连续的热量、质量和动量传递过程,实现了淡水与浓海水之间的分离。CN201710591777.3公开了一种基于碳纳米管薄膜的太阳能海水淡化或污水处理方法。该专利技术以化学气相沉积法直接制备的碳纳米管垂直阵列为原料，经处理得到具有强吸光性和表面亲水性的碳纳米管垂直阵列薄膜；将这种亲水性碳纳米管薄膜置于待处理水表面；由于该碳纳米管薄膜可高效吸光并进行光热转化，从而加热水体引起水的快速蒸发，将该蒸汽冷凝即得到纯化的水。然而太阳能海水淡化过程受到日照强度的影响，与日照强度相关的四季以及地域的局限性使得传统太阳能海水淡化过程在自然条件下无法连续高效的海水淡化。CN201810956984.9提供了一种高效淡化海水的碳纳米管-醋酸纤维素膜及制备方法。该方法通过将赋磁碳纳米管引入醋酸纤维素反渗透膜中，并通过磁场使碳纳米管取向排列形成渗透通道，使用时施加高频脉冲磁场使碳纳米管进行微振荡，削弱水分子与醋酸纤维素的相互作用，促进水分子通过膜层。与传统方法相比，该专利技术制备的碳纳米管-醋酸纤维素膜在长时间使用后仍能维持较高的脱盐率和水通量，海水淡化效率高，使用寿命长。然而，其仍然没有解决海水持续淡化的技术问题。
技术实现思路
本专利技术提供了一种以碳纳米管或石墨烯等一类碳基材料的电焦耳热效应及其光热转换效应为基础的电热-光热交替持续海水淡化系统：白天光照条件下，该系统一方面能够以电能的形式储存部分太阳能，另一方面碳基复合多孔膜能够直接吸收太阳光中的能量并完成光热转换，该热量促使水分子蒸发并通过复合膜的微-纳米多级孔道，收集蒸发的水分子，最终实现太阳能海水淡化；白天光照不足或夜间，该系统能够释放电能，电压作用下碳基复合多孔膜产生焦耳热，焦耳热驱动水分子蒸发并通过微-纳米多级孔道，收集蒸发的水分子，最终实现太阳能海水淡化。该系统实现了高效节能的海水淡化过程，解决了膜材料耐腐蚀性、抗污性等共性技术问题，利用碳基复合膜优良的导电性、光吸收特性、抗污阻盐效果，结合太阳能电池系统，实现了24小时不间断交替持续的海水淡化。1.本方法中使用碳纳米管作为碳基材料，具有涵盖整个太阳光光谱的光吸收能力及优异的光热转换特性，通电条件下该类材料又显示出较强的焦耳热效应及耐电化学腐蚀性，此类材料内部多层级多尺度的孔道系统能持续高效地为输水阻盐过程提供结构支持，是一类新型光电双响应的海水淡化膜材料。2.本方法使用激光打孔法构筑微-纳米多级孔道结构，该结构兼具高效离子截留特性及快速水输运能力。3.本方法实施过程中疏水聚合物作为结构支撑，复合后的碳基复合膜具有较好的机械强度(盐水浸泡30分钟无形变)。4.本方法实施过程中碳纳米管或石墨烯等一类碳基材料在长时间通电条件下仍能保持良好的疏水性(通电1.5小时后膜表面与100g/LNaCl溶液接触角仍能保持120°以上)，突破传统商业分离膜在实际应用中的膜润湿障碍，参考图5。5.本方法实施过程中采用叉指电极并联碳基复合多孔膜，保证每片膜均能达到相同电压下的最高温度，如图3(a)示意。6.本方法实施过程中采用三明治结构封装碳基复合多孔膜及电极，即聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板-硅胶-碳基复合多孔膜/电极-硅胶-聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板依序叠加，三明治结构能有效减少碳基复合多孔膜及电极材料的电化学腐蚀，避免电路老化。7.本方法实施过程中碳基复合多孔膜相较于传统商业分离膜自身能够产生热量，且加热温度可控(可通过调整电压来调整膜表面温度,20V电压下膜表面温度最高可达113.2℃，参考附图6(a))。8.本方法实施过程中可通过在碳基复合多孔膜表面涂敷电响应聚合物，降低体系操作电压，减少电极表面电化学反应。(涂敷碳龙配合物1#分子后，4V电压下，膜表面最高可达150℃，参考图6(b)。9.本方法实施过程中具有比传统太阳能海水淡化过程更高的蒸发速率(电热淡化速率：12.51kg/m2·h，光热淡化速率：15.80kg/m2·h)。10.本方法实施过程中具有比传统海水淡化过程更好的脱盐效果(最高可达到99.959％)。11.本方法实施过程中能量利用效率较高。(四片膜集成条件下，电压10V时电焦耳热能量利用效率最高，其数值为：92.70％；四片膜集成条件下，光浓度Copt＝4时光热最高能量利用效率最高，其数值为：93.64％)。12.本方法可以交替24小时不间断操作：白天有光照条件下，碳基复合多孔膜光热转换为体系提供热量及传质驱动力，进行海水淡化过程，同时使用太阳能电池板将光能转换成电能存储；白天无光照或者夜间条件下，利用太阳能电池板存储下来的电能，为碳基复合多孔膜通电，使其产生焦耳热为体系提供热量及传质驱动力，进行海水淡化过程，以此循环实现电热-光热交替24小时持续海水淡化。13.本方法使用的所有能量均直接或间接由太阳提供，无其他能源输入系统，是一种新型节能的海水淡化方法。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1为焦耳热-光热交替24小时持续海水淡化机理图。图2为焦耳热-光热交替24小时持续海水淡化装置示意图。图3为电极连接及封装示意图。(a)叉指电极连接部分示意图；(b)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)封装夹片示意图；(c)三明治结构封装实物图；(d)叉指电极等效电路图。图4为淡化器件示意图。图5为碳纳米管复合多孔膜通电时的接触角测试。图6为红外热成像测试图。(a)单片膜外加电场红外热成像；(b)涂敷碳龙配合物1#分子外加电场红外热成像；(c)四片膜集成涂敷碳龙配合物1#分子外加电场红外热成像；(d)电热海水淡化过程器件顶盖温度；(e)光热海水淡化过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海水持续淡化装置，其特征在于，包括：/n碳基复合膜单元：所述的碳基复合膜单元包括碳纳米管复合多孔膜，所述的碳纳米管复合多孔膜为碳基材料复合疏水聚合物制备得到疏水碳基复合膜，通过打孔获得具有微-纳米多级孔结构的疏水碳基复合膜；/n供电单元：所述供电单元为太阳能供电单元，为碳基复合膜单元提供电能；/n淡水收集单元，收集碳基复合膜单元处理后的淡水；/n白天有光照条件下，碳基复合多孔膜进行光热转换，为体系提供热量及传质驱动力，完成海水淡化过程，同时使用供电单元的太阳能电池板将光能以电能形式存储；白天光照不足或者夜间条件下，太阳能电池板存储的电能为碳基复合膜单元供电，使其产生焦耳热为体系提供热量及传质驱动力，进行海水淡化过程，以此循环实现电热-光热交替不间断持续海水淡化。/n

【技术特征摘要】
1.一种海水持续淡化装置，其特征在于，包括：
碳基复合膜单元：所述的碳基复合膜单元包括碳纳米管复合多孔膜，所述的碳纳米管复合多孔膜为碳基材料复合疏水聚合物制备得到疏水碳基复合膜，通过打孔获得具有微-纳米多级孔结构的疏水碳基复合膜；
供电单元：所述供电单元为太阳能供电单元，为碳基复合膜单元提供电能；
淡水收集单元，收集碳基复合膜单元处理后的淡水；
白天有光照条件下，碳基复合多孔膜进行光热转换，为体系提供热量及传质驱动力，完成海水淡化过程，同时使用供电单元的太阳能电池板将光能以电能形式存储；白天光照不足或者夜间条件下，太阳能电池板存储的电能为碳基复合膜单元供电，使其产生焦耳热为体系提供热量及传质驱动力，进行海水淡化过程，以此循环实现电热-光热交替不间断持续海水淡化。


2.根据权利要求1所述的一种海水持续淡化装置，其特征在于：碳基材料复合疏水聚合物制备得到的疏水碳基复合膜，进一步在其表面涂覆有光热/电热响应性的金属配合物分子以增强其电焦耳热和光热效应。


3.根据权利要求1所述的一种海水持续淡化装置，其特征在于：所述的打孔，打孔区域面积为5mm×5mm设有30-100个孔，每个孔的孔径为50-120μm。


4.根据权利要求1所述的一种海水持续淡化装置，其特征在于：所述的碳纳米管复合多孔膜和电极连接，采用三明治结构封装碳基复合多孔膜及电极。


5.根据权利要求4所述的一种海水持续淡化装置，其特征在于：封装结构为聚甲基丙烯酸甲...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯旭，谢歆雯，王苗，邓文燕，熊辉，何文，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35