[發明專利]基于可控閉孔水凝膠的太陽能蒸發體及其制備方法

有效

• 申請號: 202110889225.7
• 申請日: 2021-08-04
• 公開（公告）號: CN113549228B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 徐曉峰;李娜
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: C08J3/24
• 分類號: C08J3/24;C08J9/30;C08L5/04;C08L5/08;C08L1/02;C08L89/00;C08L29/04
• 代理公司: 青島海昊知識產權事務所有限公司 37201
• 代理人: 劉艷青

本發明公開了一種基于可控閉孔水凝膠的太陽能蒸發體及其制備方法。該蒸發體為一種內部結構以閉孔空氣泡為主的水凝膠聚合體。所述水凝膠聚合體的內部具有閉孔結構，孔尺寸在50?300μm之間，水凝膠聚合體的濕密度為0.2?0.5 g/cm³，水凝膠聚合體的濕導熱系數為0.1?0.25 W/m·K，水凝膠聚合體在1 kW/m²的模擬太陽光的照射下可以達到1.72?4.53 kg/m²/h的蒸發速率以及110%?300%的太陽能光熱轉換效率。本發明利用機械發泡的方法使水凝膠體積膨脹，能夠增大蒸發體的有效表面積，提高蒸發速率，另外，可以減小單位面積蒸發體的原料用量，降低蒸發體的原料成本。

技術領域

本發明屬于海水資源利用技術領域，具體涉及一種基于可控閉孔水凝膠的太陽能蒸發體及其制備方法。

背景技術

淡水資源短缺是人類面臨的最嚴峻問題之一，環境污染、農業和人口增長以及社會經濟發展使這一情況更加惡化。海水淡化是擴大淡水來源的有效途徑之一，海水淡化技術包括反滲透、電滲析、熱蒸餾、膜蒸餾等，但這些技術大多存在設備復雜、資金投入高以及耗能過高的問題。太陽能作為一種可再生的綠色能源，可以作為海水淡化的驅動力。目前，太陽能驅動的蒸發作為一種可持續的海水淡化技術得到了廣泛的關注。

該研究主要經過三個階段，第一階段，納米顆粒分散在溶液中作為蒸發體的塊體加熱，如圖1a所示。但當納米顆粒濃度低時，使得溶液對入射光的吸收較低，太陽能光熱轉換效率也會降低。當納米流體的濃度高于臨界值時，光可以得到充分吸收，但是，大量的高濃度納米材料也會導致原材料浪費和成本的上升。塊體加熱的太陽能蒸發方式所能達到的太陽能光熱轉換效率為50-60%。第二階段，蒸發體懸浮在溶液中的局部加熱，如圖1b所示。但蒸發體完全浸入水下，導致吸光度的降低和熱損失的增加，局部加熱的太陽能蒸發方式所能達到的太陽能光熱轉換效率為60-70%。第三階段，吸收體漂浮在水面上的界面加熱，如圖1c所示。界面蒸發體可以將熱量限制在水面局部，因此顯著提高太陽能光熱轉換效率，界面加熱的太陽能蒸發方式所能達到的太陽能光熱轉換效率為70-85%。

現有研究中的界面蒸發體內部結構以相互連通的開孔為主，蒸發體的內部孔道被水充滿，導致其濕密度接近水的密接（1.0 g/cm³），漂浮于水中時其上表面與水面平齊，難以吸收環境能量用于蒸發。開孔結構界面蒸發體孔道中的水分使其濕導熱系數過大（0.50-0.59 W/m·K），導致其在蒸發過程中產生較大的熱傳導損失。因此，開孔結構使得界面蒸發體的自漂浮能力和隔熱性能較差，導致其太陽能光熱轉換效率難以實現進一步的突破。另外，開孔結構界面蒸發體的制備通常涉及冷凍干燥等技術，蒸發體的面積受到設備的限制，難以進行大面積制備。

發明內容

本發明提供了一種基于可控閉孔水凝膠的太陽能蒸發體及其制備方法，用以解決開孔結構蒸發體密度過大、隔熱性能差、太陽能光熱轉換效率低、難以大面積制備等的技術問題。

常溫封閉狀態下，空氣的導熱系數為0.023 W/m·K，遠低于常溫常壓下液態水的導熱系數（0.59 W/m·K）。因此，封閉的空氣泡具有非常優異的隔熱性能。將閉孔氣泡引入界面蒸發體中，可以降低其濕密度和濕導熱系數，增強界面蒸發體的自漂浮能力，減小其蒸發過程中產生的熱傳導損失。如圖1d所示，閉孔結構的界面蒸發體可以漂浮于水面上，其側面暴露于空氣中，實現環境能量的攝入，從而使太陽能光熱轉換效率突破100%。

為了達到上述目的，并基于上述原理，本發明采取的具體技術方案如下：

一種基于可控閉孔水凝膠的太陽能蒸發體，該蒸發體為一種內部結構以閉孔空氣泡為主的水凝膠聚合體。