一种植物仿生抗高浓盐太阳能蒸发器件及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种植物仿生抗高浓盐太阳能蒸发器件及其制备和应用；本发明专利技术首次以植物茎杆作为光热转换材料的植物仿生，将废弃植物茎杆再利用，变废为宝，有效改善焚烧植物茎杆带来的空气污染。本发明专利技术利用酒精灯碳化植物茎杆顶面，经过简单的氧化形成碳黑层，制得仿生顶部碳化植物假茎，其工艺流程简单、操作方便，光吸收性能良好，光热转化效率高。通过在植物茎秆上人工打孔后进行碳化，再穿入棉线引流，利用溶液的高度差以及浓度差产生的驱动力，通过棉线的毛细作用力可实现单向射流传输，保证供水充足的同时也能确保蒸发器表面盐浓度达不到饱和状态，从而突破传统植物仿生太阳能蒸发器长时间在高浓度盐水、废水环境下不稳定、易结盐的局限。易结盐的局限。

【技术实现步骤摘要】
一种植物仿生抗高浓盐太阳能蒸发器件及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于高浓盐水淡化处理
，具体涉及一种植物仿生抗高浓盐太阳能蒸发器件及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]但是资源缺乏已经成为不争的事实，尤其是工业技术现代化，仅有的淡水资源也遭到了很大程度的破坏。目前，人类可以直接利用的淡水取自地下水、湖泊淡水和河流水，随着环境的日益恶化，这些淡水资源也逐渐匮乏，尤其是在一些干旱地区和海岛地区。干旱地区是由于地表和浅层地下水过少而造成的缺水，而海岛和沿海地区储水量多为海水，淡水资源不足。因此，海水淡化必将是解决人类缺水问题的重要手段之一。
[0003]目前，光热驱动界面蒸发是一种新型的太阳能海水淡化技术，该技术具有更高的光热转换效率和更低廉的成本优势，且适用于小规模生活用水淡化和便携式取水装置，特别适用于孤岛或者野外科研考察等场景的淡水获取，因此成为海水淡化领域的研究热点。但是，目前太阳能蒸发器仍存在以下问题：
[0004](1)常用的光热转换材料成本昂贵，如：铂镍合金、金纳米颗粒、银纳米颗粒等贵金属材料。
[0005](2)制备工艺复杂，步骤繁琐，而且常需要专用设备，制备成本高，比如碳纳米管、MXenes、石墨烯等材料，从而大规模生产应用受到阻碍。
[0006](3)大部分光热材料在蒸发过程中耐盐性较差，由于蒸发过程中光热材料的表面盐分达到过饱和浓度，导致盐结晶并堵塞水运输通道，致使供水受到影响，甚至影响光吸收以及水蒸气的逸出；导致光热材料不稳定，最终大幅度降低其海水淡化性能，甚至使器件失效。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种植物仿生抗高浓盐太阳能蒸发器件；
[0008]本专利技术的第二目的在于提供一种植物仿生抗高浓盐太阳能蒸发器件的制备方法；
[0009]本专利技术的第三目的在于提供植物仿生抗高浓盐太阳能蒸发器件在高浓度盐水及废水中的应用。
[0010]本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：一种植物仿生抗高浓盐太阳能蒸发器件的制备方法，它包括以下步骤：
[0011]S1.前处理：选取植物的茎杆，沿纵向生长方向切割成大块体，再冷冻45～52h，冷冻后放入冷冻干燥机中冻干70～80h，得冻干的茎秆；
[0012]S2.茎杆设计：首先，将冻干的茎杆分割成小块体；其次，在靠近富含纤维素和木质素的内表皮及外表皮处分别打孔，形成人工小孔，接着碳化茎秆顶部形成1～2mm厚度的碳黑层；最后，通过棉线穿过人工小孔与两侧不同溶液高度和不同浓度的盐水桥连。
[0013]进一步地，步骤S1中所述的植物为香蕉树、芦苇、苎麻或亚麻中的任意一种。
[0014]一种植物仿生抗高浓盐太阳能蒸发器件的制备方法，它包括以下步骤：
[0015]S1.前处理：选取香蕉的茎杆，沿纵向生长方向切割成大块体，再冷冻45～52h，冷冻后放入冷冻干燥机中冻干70～80h，得冻干的香蕉茎秆；
[0016]S2.茎杆设计：首先，将冻干的香蕉茎秆的外圈叶鞘部分割成顶面面积为3.14cm2、高度为1cm的长方体；其次，在靠近富含纤维素和木质素的内表皮及外表皮处分别打孔，形成人工小孔，接着碳化假茎顶部形成1～2mm厚度的碳黑层；最后，通过棉线穿过人工小孔与两侧不同溶液高度和不同浓度的盐水桥连。
[0017]进一步地，步骤S2中所述小块体的高度为1cm。
[0018]进一步地，步骤S1中所述冷冻的温度为
‑
25～
‑
15℃。
[0019]进一步地，步骤S2中在靠近富含纤维素和木质素的内表皮及外表皮处分别打8个直径为0.5mm的小孔。
[0020]进一步地，步骤S2中所述碳黑层采用以下方法形成：用酒精灯外焰碳化假茎顶部1～3min，形成1～2mm厚度的碳黑层。
[0021]上述的方法制备的植物仿生抗高浓盐太阳能蒸发器件。
[0022]上述植物仿生抗高浓盐太阳能蒸发器件在高浓度盐水及废水中的应用。
[0023]进一步地，将所述太阳能蒸发器件棉线两头分别浸入水体中，调整液面的高度差以及溶液的浓度差，在压力差和浓度梯度的驱动下，构筑了水和盐的单向射流运输。
[0024]本专利技术具有以下优点：
[0025]1、本专利技术首次以植物茎杆作为光热转换材料的植物仿生，将废弃植物茎杆再利用，变废为宝，无需任何成本；同时，还能有效改善焚烧植物茎杆带来的空气污染。
[0026]2、植物茎秆具有发达的孔结构，并且富含纤维素和木质素，毛细作用力强，传输阻力低，能实现水的快速运输。同时，植物茎秆的多孔结构还能增强光的吸收，加快蒸汽的逸出。利用酒精灯碳化植物茎杆顶面，经过简单的氧化形成碳黑层，制得仿生顶部碳化植物茎秆，其工艺流程简单其操作方便，而且其光吸收性能良好，光热转化效率高。
[0027]3、对植物茎秆进行打孔、穿棉线处理，利用溶液的高度差以及浓度差产生的驱动力，通过棉线的毛细作用力，可实现单向射流传输，保证供水充足的同时也能确保蒸发器表面盐浓度达不到饱和状态，提高抗盐性能，从而突破传统植物仿生太阳能蒸发器长时间在高浓度盐水、废水环境下不稳定、易结盐的局限。
附图说明
[0028]图1为天然香蕉茎秆的SEM图片，(a)和(c)分别是星状薄壁组织横截面和纵切面；(b)和(d)分别是靠近外表皮处横截面和纵切面。
[0029]图2为未碳化香蕉茎秆与碳化香蕉茎秆全光谱光吸收图。
[0030]图3为顶部碳化香蕉茎秆升温图，在一个太阳光1kW
·
m
‑2照射下，香蕉茎秆顶部以及水体温度随时间变化的曲线。
[0031]图4为顶部碳化香蕉茎秆吸水图及茎秆表面的静态接触角图，其中，(a)为顶部碳化香蕉茎秆沿着维管束方向吸收有色染料的速度；(b)为顶部碳化香蕉茎秆表面的静态接触角。
[0032]图5为顶部碳化香蕉茎秆太阳能蒸发器的水分质量损失图。
[0033]图6为顶部碳化香蕉茎秆在不同溶液中的蒸发速率与光热转换效率；其中，(a)水源分别为海南大学东坡湖水、酸/碱溶液和海口海甸河海水，(b)为不同盐浓度溶液。
[0034]图7为本专利技术植物仿生抗高浓盐太阳能蒸发器件及抗盐性能试验图；其中，(a)抗盐性能改进处理后的顶部碳化香蕉茎秆太阳能蒸发器实验装置图，编号1为3.5wt％海水；2，15wt％高浓度盐水；3，白色棉线；4，聚苯乙烯泡沫；5，香蕉茎秆太阳能蒸发器；6，锡纸板；7，模拟太阳光；(b)为100h连续蒸发实验中1、2烧杯质量的变化以及5的蒸发量；(c)为100h连续蒸发实验中1、2以及5的盐浓度的变化；(d)为15wt％高浓度盐水中200h的光热蒸发性能。
[0035]图8为采用本专利技术蒸发器件淡化前后水中的离子浓度；其中，(a)为含重金属离子(Cu
2+
、Zn
2+
、Pb
2+
、Cd
2+
)的废水为水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种植物仿生抗高浓盐太阳能蒸发器件的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：S1.前处理：选取植物的茎杆，沿纵向生长方向切割成大块体，再冷冻45～52h，冷冻后放入冷冻干燥机中冻干70～80h，得冻干的茎秆；S2.茎杆设计：首先，将冻干的茎杆分割成小块体；其次，在靠近富含纤维素和木质素的内表皮及外表皮处分别打孔，形成人工小孔，接着碳化茎秆顶部形成1～2mm厚度的碳黑层；最后，通过棉线穿过人工小孔与两侧不同溶液高度和不同浓度的盐水桥连。2.根据权利要求1所述的一种植物仿生抗高浓盐太阳能蒸发器件的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述的植物为香蕉树、芦苇、苎麻或亚麻中的任意一种。3.根据权利要求1所述的一种植物仿生抗高浓盐太阳能蒸发器件的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：S1.前处理：选取香蕉的茎杆，沿纵向生长方向切割成大块体，再冷冻45～52h，冷冻后放入冷冻干燥机中冻干70～80h，得冻干的香蕉茎秆；S2.茎杆设计：首先，将冻干的香蕉茎秆的外圈叶鞘部分割成顶面面积为3.14cm2、高度为1cm的长方体；其次，在靠近富含纤维素和木质素的内表皮及外表皮处分别打孔，形成人工小孔，接着碳化假茎顶部形成1～2mm厚度的碳黑层；最后，通过棉线穿过人工小孔与两侧不同溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖娟秀，罗文琪，郭阳，蔡栋，赵芃，冯建波，吕荣鑫，李桂秋，谭琳惠，韩彩娜，沈义俊，王东，
申请(专利权)人：海南大学，
类型：发明
国别省市：