一种光热转换体及制备方法、界面蒸发装置

本发明属于废水处理，具体涉及一种光热转换体及制备方法、界面蒸发装置。

背景技术：

1、世界可供应淡水正在减少，在满足对水资源不断增长的需求方面面临巨大挑战。各种成熟的技术，包括离子交换、电渗析、反渗透、纳滤膜等，已经发展为净化海水以及工业废水的技术。然而，这些技术的实际应用受到大量设备成本、高昂费用和显著能耗(5-8kw/m-3)的限制。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的绿色可再生能源，为地球提供了大量的辐照能量。以它驱动的太阳能界面蒸发可用于海水淡化和废水处理，保证了淡水安全，同时降低了可再生能源的利用。因此有效利用太阳能获得淡水是解决水-能源关系之间权衡的一种替代和关键的解决方案。

2、然而，随着太阳能界面蒸发装置研究的逐渐深入，单一的太阳能蒸发器已经难以满足实际需求。通常，工业废水含有盐、重金属、有机物，甚至挥发性有机化合物(vocs)，如苯酚等。在快速蒸发过程中，温度的升高不可避免地产生了一个新问题，即挥发性有机物会随水蒸气富集在冷凝水中。所以，太阳能界面蒸发装置在实现综合冷凝水净化以及蒸发残液中高浓度污染物去除方面仍然存在挑战。除挥发性有机物外，工业废水中含有大量的无机盐。随着蒸发过程的进行，蒸发器表面出现盐分的积累，影响蒸发器的性能。此外，依靠吸收太阳能转换为热能的蒸发效率有限，尤其是对弱光条件下，太阳辐射变弱，将直接影响装置的蒸发速率。

3、由此可见，能否提供一种既能处理海水淡化又能处理工业废水，且使用中不会出现盐分积累的界面蒸发装置，成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、本发明通过提供一种光热转换体及制备方法、界面蒸发装置，以均匀负载cuo、fe2o3的玉米芯炭作为光热转换体材料，经处理后得到能够增强光捕捉的光热疏水上层以及有效降解污染物的亲水下层的气凝胶，盐粒子能够不断溶解在下层水体中，避免了光热转化层上的盐分积累；同时通过设置反光镜构建了一个杯内聚光器，以提高太阳辐射强度，降低废水处理中的运行成本。本发明具体包括以下技术内容：

2、一种光热转换体的制备方法，包括以下步骤：

3、步骤1：取生物质玉米芯粉置于cucl2、fecl3溶液中，并加入naoh后经过炭化处理得到负载cuo、fe2o3的玉米芯炭；

4、步骤2：取步骤1制备的玉米芯炭置于海藻酸钠溶液中，倒入模具经冷冻、冷冻干燥、交联处理得到负载cuo、fe2o3的玉米芯炭气凝胶；

5、步骤3：取聚二甲基硅氧烷水解后单面修饰所述玉米芯炭气凝胶，使所述玉米芯炭气凝胶的一面为疏水界面，另一面为亲水界面，制备得到光热转换体。

6、进一步的，所述步骤1中，加入naoh后获得含有玉米芯、cu(oh)2与fe(oh)3的悬浊液，经离心洗涤至中性后得到含有玉米芯、cu(oh)2与fe(oh)3的沉淀物，取所述沉淀物经炭化处理后，经洗涤、烘干得到负载cuo、fe2o3的玉米芯炭。

7、进一步的，所述步骤1中，所述玉米芯炭质量与cuo和fe2o3质量之和的比为2-6，所述cuo与fe2o3的质量比为0.5-2，所述炭化处理的温度为400-700℃，时间为30-120min。

8、进一步的，所述步骤2中，交联处理使用的交联剂为cacl2溶液，所述玉米芯炭气凝胶的含炭量为1-5wt％。

9、进一步的，所述步骤2中，模具为内径为20mm的扁状圆柱体。

10、进一步的，所述聚二甲基硅氧烷水解后的浓度为2-6wt％。

11、一种光热转换体，由上述制备方法制备得到。

12、一种界面蒸发装置，包括上述光热转换体。

13、一种界面蒸发装置，所述界面蒸发装置包括壳体，所述壳体顶部开口处连接有呈锥状体的透明蒸发盖，所述壳体顶部开口处设置有集水槽，所述光热转换体设置于所述壳体内且位于集水槽下方，所述光热转换体的疏水界面朝上，且所述光热转换体的亲水界面连接有吸水件。

14、进一步的，所述壳体内还连接有隔热层，所述隔热层上开设有通孔，所述光热转换体支撑于所述隔热层上，所述吸水件一端与所述光热转换体连接，另一端穿出所述通孔浸入待处理的水中。

15、进一步的，所述壳体内还设置有底座，所述底座上固定有多个反光镜，多个所述反光镜的反光镜面均朝向所述光热转换体的疏水界面，多个所述反光镜环绕所述光热转换体且向所述光热转换体的方向倾斜设置。

16、进一步的，所述集水槽上连通有出水管，所述出水管的出水端穿出所述壳体。

17、进一步的，所述界面蒸发装置还包括集水瓶，所述出水管的出水端与所述集水瓶相连通或相对设置。

18、更进一步优选的，所述透明蒸发盖为石英材质；所述隔热层为聚苯乙烯泡沫；所述吸水件为脱脂棉条；所述底座为聚苯乙烯泡沫，所述反光镜的厚度为1mm。

19、一种水处理方法，取上述界面蒸发装置，向所述壳体内加入待处理的水，并在待处理的水中加入过氧化氢溶液，调节反光镜的角度，使太阳能经反射镜反光聚焦至光热转换体上；所述过氧化氢溶液的浓度为：10-50mmol·l-1。

20、本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

21、1、本发明由均匀负载cuo、fe2o3的玉米芯炭得到的光热转换体为janus结构气凝胶，所得光热转换体具有能够增强光捕捉的光热疏水上层以及有效降解污染物的亲水下层，表现出较高的太阳能吸收(82.52％)以及高效的热管理。具体地，在一倍太阳辐射强度(1sun)下，蒸发速率为2.21kg·m-2·h-1，蒸发效率为90.76％，表面最高温度为45.2℃；对于10mg·l-1苯酚溶液，冷凝水与蒸发残液中苯酚去除率分别达99.82％、80.0％。

22、2、本发明提供的光热转换体属于类芬顿催化剂材料，在吸收太阳光转换为热能的同时能够催化过氧化氢发生类芬顿反应从而去除挥发性有机物(苯酚)，具有制备简单、通用性强的优点，同时避免均相fenton中催化剂回收和有害废弃物的问题，在废水处理领域中具有良好的发展前景。

23、3、本发明提供的光热转换体采用疏水/亲水的janus结构，除了高效的热管理外，能够将蒸发过程中结晶的盐粒子不断溶解在下层水体中，解决了现有技术中光热转换体的盐析问题。本发明界面蒸发装置对盐离子去除率可达99.99％。

24、4、为了提高太阳辐射强度，本发明光热转换体在透明蒸发盖中增加了聚光结构，即包括多对两两平行的反光镜构成。加入聚光结构后，光热转换体接收的太阳辐射强度增加了近2.1倍，蒸发速率达到4.02kg·m-2·h-1。

技术特征：

1.一种光热转换体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的光热转换体的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，加入naoh后获得含有玉米芯、cu(oh)2与fe(oh)3的悬浊液，经离心洗涤至中性后得到含有玉米芯、cu(oh)2与fe(oh)3的沉淀物，取所述沉淀物经炭化处理后，经洗涤、烘干得到负载cuo、fe2o3的玉米芯炭。

3.根据权利要求1所述的光热转换体的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，所述玉米芯炭质量与cuo和fe2o3质量之和的比为2-6，所述cuo与fe2o3的质量比为0.5-2，所述炭化处理的温度为400-700℃，时间为30-120min。

4.根据权利要求1所述的光热转换体的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，交联处理使用的交联剂为cacl2溶液，所述玉米芯炭气凝胶的含炭量为1-5wt％；所述聚二甲基硅氧烷水解后的浓度为2-6wt％。

5.一种光热转换体，其特征在于：由权利要求1～4任一项所述的制备方法制备得到。

6.一种界面蒸发装置，其特征在于：包括权利要求5所述的光热转换体。

7.根据权利要求6所述的一种界面蒸发装置，其特征在于：所述界面蒸发装置包括壳体，所述壳体顶部开口处连接有呈锥状体的透明蒸发盖，所述壳体顶部开口处设置有集水槽，所述光热转换体设置于所述壳体内且位于集水槽下方，所述光热转换体的疏水界面朝上，且所述光热转换体的亲水界面连接有吸水件。

8.根据权利要求7所述的一种界面蒸发装置，其特征在于：所述壳体内还连接有隔热层，所述隔热层上开设有通孔，所述光热转换体支撑于所述隔热层上，所述吸水件一端与所述光热转换体连接，另一端穿出所述通孔浸入待处理的水中。

9.根据权利要求7所述的一种界面蒸发装置，其特征在于：所述壳体内还设置有底座，所述底座上固定有多个反光镜，多个所述反光镜的反光镜面均朝向所述光热转换体的疏水界面，多个所述反光镜环绕所述光热转换体且向所述光热转换体的方向倾斜设置。

10.根据权利要求7所述的一种界面蒸发装置，其特征在于：所述集水槽上连通有出水管，所述出水管的出水端穿出所述壳体；所述界面蒸发装置还包括集水瓶，所述出水管的出水端与所述集水瓶相连通或相对设置。

11.一种水处理方法，其特征在于：取权利要求6～10任一项所述的界面蒸发装置，向所述壳体内加入待处理的水，并在所述待处理的水中加入过氧化氢溶液，调节反光镜的角度，使太阳能经反射镜反光聚焦至光热转换体上；所述过氧化氢溶液的浓度为：10-50mmol·l-1。

技术总结本发明属于废水处理技术领域，具体涉及一种光热转换体及制备方法、界面蒸发装置，所述光热转换体，由以下制备方法制备得到：步骤1：制备负载CuO、Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;的玉米芯炭；步骤2：取步骤1制备的玉米芯炭置于海藻酸钠溶液中，倒入模具经冷冻、冷冻干燥、交联处理得到负载CuO、Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;的玉米芯炭气凝胶；步骤3：取聚二甲基硅氧烷水解后单面修饰所述玉米芯炭气凝胶，使所述玉米芯炭气凝胶的一面为疏水界面，另一面为亲水界面，制备得到光热转换体。本发明界面蒸发装置具有操作简单、成本低、太阳能利用率高、有效去除有机物以及高效脱盐等优点，在含酚含盐废水处理领域具有广阔的应用前景。技术研发人员：邓辉,谭天乐,王洋,王磾,马泽轩,刘光绪,陈雨婧受保护的技术使用者：石河子大学技术研发日：技术公布日：2024/8/16