[发明专利]一种太阳能水蒸发纯化和分解装置

说明书

一种太阳能水蒸发纯化和分解装置，包括自下而上依次连接的水供应线路、漂浮和绝热层、蒸发层和光热转换和溶质阻挡层。水供应线路利用毛细作用将水穿过漂浮和绝热层抽至蒸发层，光热转换和溶质阻挡层吸收太阳能转换为热，加热水从蒸发层气化为水蒸气，通过光热转换和溶质阻挡层的孔道挥发，部分水汽被分解产生氢气和氧气，由于光热转换和溶质阻挡层含疏水部分，不会被水浸润，所以太阳能可以只直接加热吸热材料而不加热水，实现高的光热转换效率，同时阻挡水中的溶质在膜表面析出，实现海水淡化、污水纯化和水分解。本发明通过亲水/疏水双层蒸发结构的设计，得到高光热转换效率、高稳定性的太阳能水蒸发纯化和分解装置。

技术领域

本发明属于材料化学和太阳能转换技术领域，具体涉及一种太阳能水蒸发纯化和分解装置。

背景技术

随着工业化的快速发展，能源和环境问题已成为制约人类社会发展的两大因素，淡水资源和清洁能源的获取至关重要，其中海水淡化获取淡水、污水处理和氢能成为目前研究的热点。海水覆盖了地表70.8％的面积，占全球97％的水量，被认为是无限的水资源。目前，膜法和热法海水淡化已经实用化并生产了大量的淡水。但是这两种技术都存在预处理复杂、能源消耗大、地域限制等问题，高压膜法无法直接处理高盐度的海水并且需要经常更换，热法需要配套的热电站提供热能，限制了海水淡化技术的进一步应用。同时工业和生活中产生大量污水中的重金属、有机物、细菌等各类污染物难以被充分降解和处理，造成了回收利用困难和水体污染。鉴于此，发展新能源海水淡化和污水处理已经成为必然的趋势。太阳能海水淡化以及结合光伏发电技术被认为是一种经济和有效的解决方案。目前以蒸馏法为主的太阳能海水淡化技术普遍存在光热转换效率偏低和稳定性差，即盐分析出导致蒸发装置老化的问题。

传统的太阳能海水淡化装置光热转换主要是利用太阳光中的红外光加热蒸馏，而占太阳能中一半能量的冷光线紫外光和可见光未能被充分利用。为了提高太阳能蒸发的效率，光热转换材料的选择和水汽传输结构的设计是两个主要的因素。对此，许多碳基和具有等离子体共振吸收作用的材料因为可以吸收紫外和可见光相继被报道作为光热转换材料，各种二维和三维的水汽传输通道的设计不断提高了光热转换效率和水蒸气逸出速率，使得水蒸发速率达到了约1.6kgm^-1h^-1，光热转换效率达到约85％。这为新型高效太阳能海水淡化技术提供了一种全新的解决方案。在实际中，高盐度高溶质含量溶液的蒸发对于装置的稳定性要求极高，目前报道的全亲水材料和结构的装置设计虽然具有高速的蒸发性能，但是水蒸气挥发后盐分或者溶质在装置表面的析出会阻碍水蒸气的持续挥发甚至破坏装置。持续稳定高速水蒸发装置的设计亟待解决。

与此同时，太阳能光催化分解水产氢是获得氢能的一种有效途径。目前光催化分解水的研究主要集中在粉末催化剂，集成光催化产氢装置的设计研究较为缺乏。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够提高太阳光热转换效率，在高盐度高溶质含量溶液的条件下维持高速稳定水蒸发，实现海水淡化、污水纯化和水分解的太阳能水蒸发纯化和分解装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括自下而上依次连接的水供应线路、漂浮和绝热层、蒸发层和光热转换和溶质阻挡层，所述的蒸发层采用亲水、多孔、能承载吸热材料的膜；所述的光热转换和溶质阻挡层由光吸收材料和疏水的表面形成的多孔膜。

所述的水供应线路为具有毛细吸水作用的通道。

所述的漂浮和绝热层为密度低、热导率低隔热性能好、可漂浮于水面的泡沫。

所述的光吸收材料为碳基材料乙炔黑、石墨烯、碳纳米管、碳化钛或聚吡咯，半导体材料二氧化钛、氧化锌、氮化碳、硫化镉、碲化镉、铜铟镓硒或铜锌锡硫以及所述材料所形成的复合物或异质结。

所述的疏水的表面是在部分或者全部光吸收材料表面包覆疏水的分子层，所述的分子层为油胺、油酸、十六胺或十七氟癸基三甲氧基硅烷。