一种织物基蒸发驱动电水联产器件及其制备方法与应用

本发明属于能源利用，尤其涉及一种织物基蒸发驱动电水联产器件及其制备方法。

背景技术：

1、淡水和电力是现代社会发展不可缺少的资源，随着人口的增加和不可再生资源的不断消耗，加剧了全球淡水和电力的短缺。传统的水伏发电机存在运行不连续、效率受限和稳定性差的问题；而海水淡化传统的方法包括：膜蒸馏、反渗析、电渗析等，其巨大的能量消耗和繁琐的设备限制了它们的应用。近年来，环保、高效、简单的界面光热水蒸发技术在海水淡化中的应用成为热点，利用光热驱动发电也得到了广泛的关注。因此将水伏发电和光热界面水蒸发相结合为太阳能驱动电水联产系统(sseg)是缓解能源消耗和淡水短缺的一种很有前途的方法。然而，大多数sseg系统受离子传输效率和离子强度不足的限制，电能输出较低，且在长期的运作过程中盐沉积往往会破坏结构、限制水流、削弱效率。因此需要优化调节水流传输，既保持完全湿润的蒸发区域，也保持不对称湿润的发电区域，确保水伏发电时充足和连续的水供给。

2、得益于近年来深入研究，已开发出一系列太阳能驱动的电水联产系统，这种联产策略大概可以分为两种。第一种是热流诱导的电水联产，将光热界面蒸发器连接到热电发电机的上表面，然而，混合系统的盐垢问题和长期稳定性没有得到充分考虑。持续海水淡化所产生的盐分会影响太阳能的吸收，因而减低蒸发速度，缩短太阳能蒸发器的使用寿命。此外，在长期运行过程中，由于水体升温的影响，热电发电机模块两侧的温差减小，导致发电量急剧下降。第二种是蒸发诱导的水/离子流发电，在水蒸发过程中，电压可以从盐度梯度或溶质与发生器材料上的官能团之间的相互作用中提取。水-电的产生是水在带电材料表面的渗透和质子积累，海水在纳米通道内运输时，而毛细管不断驱动水流和离子传输，电荷在压力梯度驱使电荷积累。蒸发诱导的水/离子流发电系统中的电信号输出依赖于液态水的稳定供应，因此设计合理的传输通道，调控和优化海水的输送水流、含量、高度对于太阳能电水联产系统至关重要。

3、发明专利cn 117069304a公开了一种发电与海水淡化结合的发电机组的制备和应用。将发电机组与海水淡化设备相结合，把内燃发电机和海水淡化模块均设置在集装箱箱体内，海水淡化模块可以利用发电模块的余热功能促进海水蒸发。但该成果并没有体现出拒盐性能，长期运行下稳定性较差且系统结构过于复杂，成本过高。

4、发明专利cn 114368798 a公开了一种太阳能电水联产装置的制备及其应用。该发明利用水相变吸热降低光伏电池工作温度，利用废热蒸馏海水实现淡化；多级蒸发技术可充分利用蒸汽显热和冷凝潜热；膜蒸馏系统可增加淡水产量。但该成果制作工艺复杂、难以高效的批量化生产及成本过高等限制了其在工业上的应用。

5、发明专利cn 113582275 a公开了一种太阳能发电协同海水淡化的耦合装置及系统。该成果与光伏电池耦合，位于太阳能蒸发界面复合层中。利用铆钉固定在海水平面或海岸，海水通过毛细作用不断的运输到界面光热转换层蒸发，太阳能光伏电池产生的热量又可被系统吸收，同时加强海水淡化的蒸发量和光伏发电效果。但该成果发电效率低、且无法控制水流的速度来实现最佳的能量转换。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种织物基蒸发驱动电水联产器件及其制备方法与应用，以亲水性纤维作为功能化负载加工的基底材料和框架，亲水性纤维经过加捻和编织后再依次负载聚合物和碳基材料。聚合物作为内层可以促进电荷传输，外侧碳基材料同时作为光热转换材料和发电材料，并且可以有效的收集电荷，具有大表面积、互连通道和内部间隙的外层碳基材料具有丰富的蒸发核和储水位点，这对水循环和离子迁移至关重要。

2、本发明的第一个目的是提供一种织物基蒸发驱动电水联产器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、s1、对若干股亲水性纤维进行加捻，得到亲水性加捻纱线；所述亲水性基材选自天丝、棉、醋酸纤维和羊毛中的一种或多种；

4、s2、对s1所述的亲水性加捻纱线进行编织，形成亲水性加捻纱线编织框架；

5、s3、对s2所述的亲水性加捻纱线编织框架浸渍于第一表面活性剂溶液中进行预处理，得到预处理亲水性加捻纱线编织框架；

6、s4、将s3所述的预处理亲水性加捻纱线编织框架浸渍于氧化剂溶液中，然后加入单体进行原位聚合，经干燥得到改性亲水性加捻纱线编织框架；所述单体选自吡咯、多巴胺和苯胺中的一种或多种；

7、s5、将s4所述的改性亲水性加捻纱线编织框架浸渍于碳基材料溶液中，经干燥得到所述的织物基蒸发驱动电水联产器件。

8、在本发明的一个实施例中，在s1中，加捻过程中，加捻系数为1t/cm-5t/cm，主轴转速为5500r/min-6500r/min。通过加捻，亲水性纤维紧密地交织在一起，相互缠绕，形成具有独特的纤维间毛细管通道的亲水性加捻纱线(tty)。

9、在本发明的一个实施例中，在s2中，编织过程中，编织截距为16mm-48mm，编织速度为18r/min-22r/min，缠绕速度为1.8m/min-2.2m/min，亲水性加捻纱线的股数为12股-20股，例如可以为12股、13股、14股、15股、16股、17股、18股、19股、20股。以亲水性加捻纱线(tty)为基材所制备的亲水性加捻纱线编织骨架(btf)具有不同的纤维密度和分布，粗糙的表面有利于太阳能吸收和水分迁移。在加捻和编织过程之后，纤维密度的增加导致摩擦阻力提高、不均匀性减轻以及纤维间滑动阻力增加。

10、在本发明的一个实施例中，在s3中，所述第一表面活性剂溶液的浓度为0.1wt％-1wt％。

11、在本发明的一个实施例中，在s4中，所述氧化剂选自氯化铁、过硫酸铵、过硫酸钠和过硫酸钾中的一种或多种；所述氧化剂溶液的浓度为0.12mol/l-0.24mol/l；所述单体的浓度为0.08mol/l-0.16mol/l，例如可以为0.08mol/l、0.09mol/l、0.10mol/l、0.11mol/l、0.12mol/l、0.13mol/l、0.14mol/l、0.15mol/l、0.16mol/l。单体溶液的浓度越高，光热效果越好。但是过多的单体会在聚合的时候出现团聚、堵塞或浪费等问题。

12、在本发明的一个实施例中，在s4中，所述干燥是60℃-80℃烘干60min-90min。

13、在本发明的一个实施例中，在s5中，所述碳基材料溶液由碳基材料、第二表面活性剂和水组成；所述碳基材料溶液中碳基材料和第二表面活性剂的浓度独立地为0.08wt％-0.12wt％。

14、在本发明的一个实施例中，所述第一表面活性剂和第二表面活性剂独立地选自十二烷基苯磺酸钠和/或十二烷基硫酸钠。

15、在本发明的一个实施例中，在s5中，所述碳基材料选自碳黑、氧化石墨烯、mxene和碳纳米管中的一种或多种。

16、在本发明的一个实施例中，在s5中，所述干燥是60℃-80℃烘干60min-90min。

17、本发明的第二个目的是提供一种所述的方法制备的织物基蒸发驱动电水联产器件。

18、本发明的第三个目的是提供一种所述的织物基蒸发驱动电水联产器件在水伏发电和海水淡化中的应用。

19、本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：

20、(1)本发明所述的织物基蒸发驱动电水联产器件通过改变亲水性纱线的加捻系数和编织截距，调控水流速度、高度和含量。亲水性纤维作为基底和输水通道，保证海水能够源源不断的输送至光热转换层蒸发；负载在内层的聚合物本身就具有优异的光热转换性能，在这里由于其良好的导电性作为电荷传输的通道，还具有良好的生物相容性作为“生物胶水”，通过键能(π-π堆叠和氢键)将负载在外层的碳基材料与亲水性纱线牢牢的黏附在一起；而外层负载的碳基材料同时作为光热转换层和发电材料，碳基材料由于π键结合强度较弱，电子可以在较小能量的作用下，从π轨道激发到π*轨道，通过晶格振动将太阳能转换为热能。带负电的碳基材料通道排斥阴离子，而毛细管流不断地将阳离子带到相反的一侧，电荷在压力梯度下通过反向电荷流积累。功能化负载确保了机械坚固性、电荷积累和加速蒸发，调节后的水流量/高度/含量确保了适当的水分分布和快速的离子循环，从而实现高效、自主和可持续的水伏发电。蒸发加速和离子增强效率显著增加了发电量。

21、(2)本发明所述的织物基蒸发驱动电水联产器件具有光热转换、水流供给、电荷传输等性能。通过控制亲水性纤维加捻系数和编织截距调节cpf的水通道分布和毛细管容量，在海水淡化过程，纤维基质内连续而平滑的盐水循环促进质子/离子迁移，防止盐堵塞。在太阳光驱动下，通过光热转换促进了蒸发进程，提升了离子的传输和电压输出。因此，cpf解决了蒸发加速型水伏发电机受到过度润湿衰减和离子侵蚀破坏的威胁，通过优化水流速度/高度/含量实现可持续、高效和自发运行的太阳能蒸汽驱动发电系统。