[发明专利]太阳能光热驱动海水脱盐及离子电渗发电系统及方法

权利要求书

1.一种太阳能光热驱动海水脱盐及离子电渗发电系统，其包括，

第一溶液室，其内设有浸入海水的第一电极；

第二溶液室，其经由阳离子选择性纳米薄膜连接所述第一溶液室，其中，阳离子选择性纳米薄膜设有透光密封层；

第三溶液室，其内设有浸入海水的第二电极，第三溶液室经由阴离子选择性纳米薄膜连接所述第二溶液室，其中，阴离子选择性纳米薄膜设有透光密封层，所述第一电极和第二电极通过采集电流信号的信号采集器连接；

可调节遮光板，其遮挡所述阳离子选择性纳米薄膜形成阳光照射的第一预定部分和遮挡阴离子选择性纳米薄膜形成阳光照射的第二预定部分，使得阳离子选择性纳米薄膜和阴离子选择性纳米薄膜分别处于非对称光照下以产生温度梯度，所述的阳离子选择性纳米薄膜和/或阴离子选择性纳米薄膜包括具有光热效应的二维多层纳米薄膜，二维多层纳米薄膜的厚度为5-15μm，每层薄膜的厚度不超过10nm，层间距为1-2nm,离子通道的长度不超过3cm,第一预定部分等于第二预定部分,所述第一预定部分为阳离子选择性纳米薄膜的零至一半的薄膜面积，第二预定部分为阴离子选择性纳米薄膜的零至一半的薄膜面积；

其中，

可调节遮光板对阳离子选择性纳米薄膜的右侧和阴离子选择性纳米薄膜的左侧部分同时进行遮挡，对阳离子选择性纳米薄膜和阴离子选择性纳米薄膜的另一部分进行光照，使其暴露在非对称光辐射下；阳离子选择性纳米薄膜和阴离子选择性纳米薄膜吸收光能并将其转化为热能，在纳米薄膜表面产生温度梯度；光照区吉布斯自由能随温度升高而降低，而非光辐射区的吉布斯自由能保持不变，在吉布斯自由能差的驱动下，离子以与温度梯度相同的方向定向输运；第二溶液室中的阳离子通过阳离子选择性纳米薄膜向第一溶液室定向移动，产生离子电流I_c，第二溶液室中的阴离子通过阴离子选择性纳米薄膜向第三溶液室定向移动，同时产生离子电流I_a；由于两离子电流方向相同，因此，系统将产生I₁＝I_c+I_a的跨膜离子电流；随着第二溶液室中的盐离子向第一溶液室和第三溶液室迁移，第二溶液室中盐溶液浓度降低；第一溶液室和第三溶液室与第二溶液室存在盐差，驱动离子反向迁移，并产生由盐差引起的反向离子扩散电流I₂；当温差产生的驱动力大于盐差产生的驱动力时，系统的净电流为I₀＝I₁-I₂；第二溶液室中的盐离子继续向两侧溶液室迁移；直至温差产生的驱动力小于盐差产生的驱动力，电流反向，此时，收集第二溶液室中的液体即为脱盐后的溶液；

纳米薄膜表面吸收光能并将其转化为热能，在膜表面产生温度梯度，光照区与非光辐射区产生吉布斯自由能差驱动阳离子由低温侧向高温侧定向迁移；

所述的阳离子选择性纳米薄膜和/或阴离子选择性纳米薄膜所经由所述温度梯度引起吉布斯自由能差驱动离子定向输运产生离子电流；

所述阳离子选择性纳米薄膜和所述阴离子选择性纳米薄膜为具有良好光热效应的二维多层纳米薄膜：MXene膜；

当纳米薄膜中的离子在温度梯度驱动下定向迁移时，信号采集器通过第一电极和第二电极采集系统电流信号并控制淡化后液体的收集，通过调节所述遮光板的长度，改变纳米薄膜的受光面积调节采集的电流信号的大小，其中，可调节范围为1/2倍纳米薄膜长至1倍纳米薄膜长度，当离子通道减小到1-2nm时，上下表层的双电层重叠，离子通道内仅能通过阳离子，所述可调节遮光板采用绝热材料，包括如下任一：聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫、玻璃纤维。

2.如权利要求1所述的太阳能光热驱动海水脱盐及离子电渗发电系统，其中，所述系统包括奇数个溶液室，所述阳离子选择性纳米薄膜和所述阴离子选择性纳米薄膜交替设置在相邻的溶液室之间。

3.如权利要求1所述的太阳能光热驱动海水脱盐及离子电渗发电系统，其中，所述的阳离子选择性纳米薄膜包括与所述第一溶液室和第二溶液室连通的纳米阳离子通道，阴离子选择性纳米薄膜包括与所述第二溶液室和第三溶液室连通的纳米阴离子通道。

4.如权利要求1所述的太阳能光热驱动海水脱盐及离子电渗发电系统，其中，所述透光密封层采用高度透光的聚二甲基硅氧烷进行密封，为了保证其光学性能，减少光学损失，密封层厚度为10-100μm。

5.一种权利要求1-4中任一项所述的太阳能光热驱动海水脱盐及离子电渗发电系统的方法，其包括以下步骤，

第一步骤，可调节遮光板遮挡所述阳离子选择性纳米薄膜形成阳光照射的第一预定部分和遮挡阴离子选择性纳米薄膜形成阳光照射的第二预定部分，使得阳离子选择性纳米薄膜和阴离子选择性纳米薄膜分别处于非对称光照；

第二步骤，由于光热作用产生温度梯度，引起吉布斯自由能差驱动物质扩散；

第三步骤，第二溶液室内的阳离子和阴离子在吉布斯自由能差的驱动下分别通过阳离子选择性纳米薄膜和阴离子选择性纳米薄膜向两侧第一溶液室和第三溶液室定向迁移，并产生离子扩散电流；

第四步骤，采集电流信号，直至电流改变方向，收集中间第二溶液室的液体为脱盐后的溶液。