[发明专利]一种基于疏水氧化泡沫铜的聚热式太阳能海水淡化结构与方法

说明书

本发明涉及一种基于疏水氧化泡沫铜的聚热式太阳能海水淡化结构，包括：吸水层、隔热层、光吸收层及聚热层；吸水层两端均穿过隔热层后浸没在水体中，光吸收层及聚热层位于隔热层上方，吸水层中部位于隔热层和光吸收层及聚热层之间；隔热层充满储水装置，隔绝水体和空气，起到绝热作用；光吸收层及聚热层为表面疏水且附有GeNPs涂层的氧化泡沫铜。本发明的有益效果是：采用基于疏水氧化泡沫铜的聚热式太阳能海水淡化结构，实现具有高蒸发速率和相对较大蒸发面积的界面太阳能蒸发；采用表面疏水且附有GeNPs涂层的氧化泡沫铜用作光吸收层及聚热层，可以吸收超过95％的AM1.5G太阳光谱；大大提高CF的蒸发温度并因此提高蒸发速率。

技术领域

本发明属于海水淡化领域，尤其涉及一种基于疏水氧化泡沫铜的聚热式太阳能海水淡化结构与方法。

背景技术

水对于地球所有生物的生长和繁殖至关重要，特别是包括人类在内的绝大多数哺乳动物只能在淡水中生存，而地球上淡水资源仅占全部水资源的3％不到。由于气候变化和人口增长，人类对淡水的需求和压力持续上升。虽然将海水或污水转化为淡水的成本通常很昂贵，但可以解决许多干旱地区的缺水问题。传统的反渗透技术通常要求密集型能源并且需要对海水或污水进行预处理，而太阳能蒸馏是一种低成本，环境友好且可大规模进行的淡水生产方式。

典型的太阳能蒸馏过程与太阳能驱动地球上自然水循环的方式类似，是通过利用太阳能加热一个封闭系统内的海水并收集冷凝水。对于传统的太阳能蒸馏器，容器中的块状全部块状水通过吸收太阳光而被加热，这不可避免地导致了大量的热损失。而对于界面太阳光蒸发，光热效应局限于水与空气的界面，蒸发层与下面的块状水保持绝热，这种设计在实现高速率、高转换效率的蒸发上有着巨大的潜力。一般来说，高效的界面太阳能蒸发器具有一些重要的结构特征，包括宽谱高效的光吸收材料、可以供水蒸气逃逸的孔隙、通过毛细作用力的水传输通道，以及低导热率的绝热层，用来防止热量散失到下部的块状水体中并能够使吸收层漂浮在水面。

根据光热转换机理，光热材料可以被分为多种以实现界面太阳蒸发。例如，等离子纳米粒子与多孔模板相结合，如沉积在无尘纸上和氧化铝支架上的Au纳米颗粒薄膜，沉积在硅藻土上的Ag纳米颗粒和自组装成三维多孔膜的Al纳米颗粒；由于等离子体表面激元共振，其显示出了显著的光热转化的效率，但较高的成本阻碍了它们的广泛应用。而对于碳基材料，如炭黑，片状石墨，功能化石墨烯和碳纳米管复合材料已显示出良好的宽带光吸收能力，同时成本低廉且耐用。此外，各种具有独特光学性质的无机纳米材料，例如Cu_2-xS纳米线，Ti₂O₃纳米颗粒，黑TiO₂纳米笼，MoO_3-x量子点和Fe₃O₄磁性微球，均在界面太阳能蒸发应用领域表现出的独特优势。

虽然太阳能作为绿色能源，具有清洁、取之不尽用之不竭的特点，但与其他能源相比，它的一个主要问题是能量密度较低。因此，在太阳能蒸汽产生的过程中，常常使用光学集中系统来增强太阳通量以便在相对较短的时间内产生更多的蒸汽。典型的光学集中系统包括抛物面槽式集光器、定日镜场集光器、线性菲涅耳反射器和抛物面碟式集光器。虽然太阳通量可以增加十倍甚至数千倍，但光学集中系统成本通常相当昂贵。最近，一种经济有效的聚热方法被提出，太阳能产生的热量可以通过铜片集中到蒸发槽中，当热辐射损失、热对流损失和热传导损失被极大抑制时，在没有光学集中系统条件下，蒸发槽中可以产生100℃的蒸汽。然而，在该设计中，蒸发面积相对较小，这限制了其在高速率蒸汽产生的实际应用。

海水淡化的主要副产品是浓海水，如果将浓海水直接排放到海中，会对海洋生态系统产生不利影响，此外，浓海水中含有大量的矿物资源，例如氯化物，钠，镁和硫等，直接排放会造成浪费。传统上，盐可以通过盐田法从卤水中提取，但是该方法受天气的影响很大，并且需要占用大量土地资源，发展受到制约。现今，通常用电渗析法从海水中分离盐。然而用电渗析法从海水中分离盐的工艺具有很高的能源需求，浓海水通常需要进行预处理，并且以上这两种方法都不环保。

相关参考文献为：