[发明专利]一种海水持续淡化装置及方法

说明书

本发明涉及海水持续淡化装置及方法。本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。该发明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，该发明制备的碳纳米管-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。

发明内容

本发明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。