基于可控闭孔水凝胶的太阳能蒸发体及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于可控闭孔水凝胶的太阳能蒸发体及其制备方法。该蒸发体为一种内部结构以闭孔空气泡为主的水凝胶聚合体。所述水凝胶聚合体的内部具有闭孔结构，孔尺寸在50

【技术实现步骤摘要】
基于可控闭孔水凝胶的太阳能蒸发体及其制备方法


[0001]本专利技术属于海水资源利用
，具体涉及一种基于可控闭孔水凝胶的太阳能蒸发体及其制备方法。

技术介绍

[0002]淡水资源短缺是人类面临的最严峻问题之一，环境污染、农业和人口增长以及社会经济发展使这一情况更加恶化。海水淡化是扩大淡水来源的有效途径之一，海水淡化技术包括反渗透、电渗析、热蒸馏、膜蒸馏等，但这些技术大多存在设备复杂、资金投入高以及耗能过高的问题。太阳能作为一种可再生的绿色能源，可以作为海水淡化的驱动力。目前，太阳能驱动的蒸发作为一种可持续的海水淡化技术得到了广泛的关注。
[0003]该研究主要经过三个阶段，第一阶段，纳米颗粒分散在溶液中作为蒸发体的块体加热，如图1a所示。但当纳米颗粒浓度低时，使得溶液对入射光的吸收较低，太阳能光热转换效率也会降低。当纳米流体的浓度高于临界值时，光可以得到充分吸收，但是，大量的高浓度纳米材料也会导致原材料浪费和成本的上升。块体加热的太阳能蒸发方式所能达到的太阳能光热转换效率为50
‑
60%。第二阶段，蒸发体悬浮在溶液中的局部加热，如图1b所示。但蒸发体完全浸入水下，导致吸光度的降低和热损失的增加，局部加热的太阳能蒸发方式所能达到的太阳能光热转换效率为60
‑
70%。第三阶段，吸收体漂浮在水面上的界面加热，如图1c所示。界面蒸发体可以将热量限制在水面局部，因此显著提高太阳能光热转换效率，界面加热的太阳能蒸发方式所能达到的太阳能光热转换效率为70
‑
85%。
[0004]现有研究中的界面蒸发体内部结构以相互连通的开孔为主，蒸发体的内部孔道被水充满，导致其湿密度接近水的密接（1.0 g/cm3），漂浮于水中时其上表面与水面平齐，难以吸收环境能量用于蒸发。开孔结构界面蒸发体孔道中的水分使其湿导热系数过大（0.50
‑
0.59 W/m
·
K），导致其在蒸发过程中产生较大的热传导损失。因此，开孔结构使得界面蒸发体的自漂浮能力和隔热性能较差，导致其太阳能光热转换效率难以实现进一步的突破。另外，开孔结构界面蒸发体的制备通常涉及冷冻干燥等技术，蒸发体的面积受到设备的限制，难以进行大面积制备。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种基于可控闭孔水凝胶的太阳能蒸发体及其制备方法，用以解决开孔结构蒸发体密度过大、隔热性能差、太阳能光热转换效率低、难以大面积制备等的技术问题。
[0006]常温封闭状态下，空气的导热系数为0.023 W/m
·
K，远低于常温常压下液态水的导热系数（0.59 W/m
·
K）。因此，封闭的空气泡具有非常优异的隔热性能。将闭孔气泡引入界面蒸发体中，可以降低其湿密度和湿导热系数，增强界面蒸发体的自漂浮能力，减小其蒸发过程中产生的热传导损失。如图1d所示，闭孔结构的界面蒸发体可以漂浮于水面上，其侧面暴露于空气中，实现环境能量的摄入，从而使太阳能光热转换效率突破100%。
[0007]为了达到上述目的，并基于上述原理，本专利技术采取的具体技术方案如下：一种基于可控闭孔水凝胶的太阳能蒸发体，该蒸发体为一种内部结构以闭孔空气泡为主的水凝胶聚合体。
[0008]所述水凝胶聚合体的内部具有闭孔结构，孔尺寸在50
‑
300 μm之间，水凝胶聚合体的湿密度为0.21
‑
0.54 g/cm3，具有优异的自漂浮能力，水凝胶聚合体的湿导热系数为0.10
‑
0.25 W/m
·
K，具有优异的隔热性能，水凝胶聚合体1 kW/m2的模拟太阳光的照射下在可以达到1.72
‑
4.53 kg/m2/h的蒸发速率以及110
‑
300%的太阳能光热转换效率，35
‰
的海水经过水凝胶聚合体处理后能够达到饮用水的标准。
[0009]进一步的，所述水凝胶包括但不限于聚乙烯醇、明胶、海藻酸钠、纤维素、甲壳素、壳聚糖中一种或多种组合。
[0010]更进一步的，所述水凝胶优选为海藻酸钠。
[0011]所述基于可控闭孔水凝胶的太阳能蒸发体的制备方法，包括如下步骤：（1）将水凝胶溶解在水中，形成水凝胶溶液，向该水凝胶溶液中加入光热转换物质，继续向体系中加入交联剂，继续向体系中加入表面活性剂，搅拌形成均匀混合溶液；（2）将所述混合溶液进行机械搅拌，形成泡沫；（3）将上述泡沫浸泡在引发剂中，使泡沫固化，最终形成闭孔结构的水凝胶聚合物。
[0012]进一步的，所述步骤（1）具体为：将水凝胶溶解在水中，形成质量分数为20
‑
40 mg/ml的水凝胶溶液，向该水凝胶溶液中加入150
‑
250 mg光热转换物质碳粉，继续向体系中加入40
‑
80 mg交联剂碳酸钙粉末，继续向体系中加入0.1
‑
0.3 g表面活性剂十二烷基硫酸钠，搅拌形成均匀溶液。
[0013]进一步的，所述步骤（2）中所述混合溶液在1000
‑
5000 rpm的转速下对上述体系进行机械搅拌1
‑
20 min，形成泡沫。
[0014]更进一步的，所述步骤（2）中所述混合溶液在2000 rpm的转速下对上述体系进行机械搅拌10 min，形成泡沫。
[0015]进一步的，所述步骤（3）中，所述引发剂为1%的盐酸。
[0016]所述基于可控闭孔水凝胶的太阳能蒸发体以水凝胶为主体，通过加入光热转换物质，再进行搅拌和交联形成大量的空气泡，且空气泡的尺寸和数量能够通过调节搅拌时间和搅拌速度来控制。
[0017]所述太阳能蒸发体能够应用于海水淡化中。
[0018]本专利技术的优点和技术效果：本专利技术利用机械发泡结合化学交联的方法，将空气泡固定在水凝胶蒸发体内部，形成闭孔结构，空气的低密度和低导热系数使闭孔水凝胶蒸发体具有优异的自漂浮能力和隔热性能。本专利技术利用机械发泡的方法使水凝胶体积膨胀，能够增大蒸发体的有效表面积，提高蒸发速率，另外，可以减小单位面积蒸发体的原料用量，降低蒸发体的原料成本。
[0019]本专利技术的制备方法简单，且避免使用冷冻干燥等高耗能设备，能够制备大面积蒸发体，便于市场推广应用。
附图说明
[0020]图1为太阳能蒸发体的类型，其中（a）为块体加热式，（b）为局部加热式，（c）为开孔结构蒸发体的界面蒸发式，（d）为闭孔结构蒸发体的界面蒸发式。
[0021]图2为开孔和闭孔水凝胶蒸发体的光学显微镜图，其中（a）为开孔水凝胶蒸发体，（b）、（c）、（d）、（e）分别为搅拌1、5、10、20 min的闭孔水凝胶蒸发体。
[0022]图3为开孔和闭孔水凝胶蒸发体冷冻干燥后的扫描电镜图，其中（a）为开孔水凝胶蒸发体，（b）、（c）、（d）、（e）分别为搅拌1、5、10、20 min的闭孔水凝胶蒸发体。
[0023]图4为闭孔水凝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于可控闭孔水凝胶的太阳能蒸发体，其特征在于，该蒸发体为一种内部结构以闭孔空气泡为主的水凝胶聚合体。2.如权利要求1所述的太阳能蒸发体，其特征在于，所述水凝胶聚合体的内部具有闭孔结构，孔尺寸在50
‑
300 μm之间，水凝胶聚合体的湿密度为0.2
‑
0.5 g/cm3，水凝胶聚合体的湿导热系数为0.1
‑
0.25 W/m
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K，水凝胶聚合体1 kW/m2的模拟太阳光的照射下在可以达到1.72
‑
4.53 kg/m2/h的蒸发速率以及110%
‑
300%的太阳能光热转换效率，35
‰
的海水经过所述水凝胶聚合体处理后能够达到饮用水的标准。3.如权利要求1所述的太阳能蒸发体，其特征在于，所述水凝胶包括但不限于聚乙烯醇、明胶、海藻酸钠、纤维素、甲壳素、壳聚糖中一种或多种组合。4.如权利要求3所述的太阳能蒸发体，其特征在于，所述水凝胶优选为海藻酸钠。5.权利要求1所述的太阳能蒸发体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将水凝胶溶解在水中，形成水凝胶溶液，向该水凝胶溶液中加入光热转换物质，继续向体系中加入交联剂，继续向体系中加入表面活性剂，...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐晓峰，李娜，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：