一种高效稳定且具有自清洁功能的新型光热水蒸发材料及其制备方法
技术领域
本发明属于淡水收集
技术领域
，具体涉及一种高效稳定且具有自清洁功能的新型光热水蒸发材料及其制备方法。背景技术
随着工业的发展以及环境的恶化，淡水资源短缺问题日益严重。太阳能作为取之不尽用之不竭的清洁能源，在海水淡化方面引起了广泛的研究。目前，用于太阳能光热蒸发水的装置有很多种，主要包括薄膜结构、自漂浮块体结构、以及3D立体结构等等。通过有效的热管理，蒸发量都得到了显著提高。但是，目前现有的光热装置都存在三个显著的问题：第一，光吸收界面长期暴露在自然环境中会不可避免的被污染，而表面多孔结构又难以清洗，导致循环性能下降。第二，表面多次受到雨水冲刷之后，光热材料以及表面结构会被破坏，光吸收能力减小，蒸发效率变差。第三，现有的光热蒸发材料由于蒸汽从材料上表面溢出，蒸汽收集装置上冷凝会遮光，从而影响光热蒸发材料表面的光吸收，因此淡水难以在不影响表面光照的情况下被收集。基于这三个问题，急需研究一种稳定高效且易于清洁和淡水收集的高效光热水蒸发材料。
发明内容
本发明针对现有光热蒸发装置中表面易损耗、难以清洁和热量易损失以及水蒸气难以收集的问题，提出了一种高效稳定且具有自清洁功能的新型光热水蒸发材料及其制备方法。聚二甲基硅氧烷(PDMS)因其低成本、易于制造、光学透明度高以及良好的热绝缘性，本发明将PDMS用作光热表面保护层。一方面，PDMS极高的光学透明度能够尽可能的减少对光吸收的影响。另一方面，其热绝缘特性可以用于防止热量损失，增强光热效率。此外，PDMS的疏水性和表面疏水后快速的疏水恢复，为其表面的快速清洁提供了可能。最重要的是，PDMS本身还具有很好的热稳定性，可以在200℃的温度下保持稳定。另外，PDMS表面致密，能够抑制水蒸气向上传输。因此将其用作光热保护层是一个很好的选择。
为实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：
一种高效稳定且具有自清洁功能的新型光热水蒸发材料，包括依次连接的聚二甲基硅氧烷(PDMS)顶层、光热材料中间层和吸水性材料底层，其中PDMS顶层起保护作用，光热材料中间层将光能转化为热能，吸水性材料底层利用毛细作用力将水输送至光热材料。
所述PDMS顶层的厚度为100～300μm。
所述吸水性材料底层的厚度为100～300μm，光热材料中间层吸附在吸水性材料底层。
本发明提供一种高效稳定且具有自清洁功能的新型光热水蒸发材料的制备方法，包括如下步骤：
S1.制备光热材料中间层/吸水性材料底层；
S2.将PDMS与固化剂混合均匀，得到PDMS溶液，将其涂覆在表面光滑的玻璃板上，于60～80℃加热15～25min得到半固化的PDMS薄膜；
S3.将光热材料中间层/吸水性材料底层的光热材料中间层朝下，贴在半固化的PDMS薄膜上，压实，烘干，再从光滑玻璃板上揭下，得到新型光热水蒸发材料。
所述PDMS溶液中PDMS与固化剂的质量之比为8～10。
所述PDMS溶液涂覆在玻璃板上的厚度(刮膜厚度)为150～350μm。
步骤S1中所述光热材料中间层/吸水性材料底层的制备方法包括如下步骤：将光热材料均匀分散在乙醇溶剂中得到悬浊液，然后将悬浊液均匀滴加到吸水性材料底层上，分3～5次滴加，每次滴加完之后，放入40～60℃的烘箱中干燥10～20min。
所述悬浊液中光热材料材料的质量与乙醇的体积之比为5～8mg/ml。
所述吸水性材料底层的制备方法包括如下步骤：将亲水材料先在乙醇中以20～40kHz的频率超声5～10min，再将乙醇换成去离子水，以相同的频率超声5～10min，反复换水洗涤三次，将材料取出，干燥，得到吸水性材料底层。干燥温度为50～70℃干燥时间为8～12h。
所述吸水性材料底层为亲水性无纺布、棉布、以及各种亲水性的纺织类材料；所述光热材料中间层为光热材料，为碳材料或聚合物材料。更进一步地，所述碳材料为碳点、碳纳米管或石墨烯；所述聚合物材料为聚多巴胺、聚吡咯。
所述吸水性材料为直径为3～5cm的圆片。
步骤S3中干燥温度为60～80℃，干燥时间为3～5h。
一种新型光热水蒸发装置，所述光热水蒸发材料的吸水性材料底层通过至少一根细支撑管与下方水体相连，水蒸发材料呈悬空状态，不与水直接接触，在减少热量散失的同时便于在下方进行淡水收集。
本发明的有益效果包括：
本发明区别于传统的光热水蒸发材料，除传统的吸水层和光热层之外，外加一层光学透明度极高的PDMS作为光热表面保护层，保护光热材料以及表面结构，延长了光热装置的使用寿命；利用PDMS的疏水性，可以凭借自然雨水的冲刷达到表面清洁的功能，便于日常管理；PDMS本身还具有很好的热稳定性，可以在200℃的温度下保持稳定；同时，光热材料表面的PDMS由于其本身的绝热性能，可以将光热层上表面与空气隔绝开，进一步减少热量损失，将热量集中于水蒸发，从而提高了光热水蒸发效率；此外，PDMS抑制水蒸气向上传输，蒸发界面位于光热界面之下，有助于在不影响光照的前提下进行淡水收集。利用伞状结构，借助毛细作用力将液态水自下而上输入光热层，隔离蒸发界面和液态水，减少了热量损失，同时便于在下方进行淡水收集。本发明光热水蒸发材料的太阳能转化效率(η)超过91％。除此之外，本发明还具有制备工艺简单、成本低以及柔性质量轻便于携带的优点。
附图说明
图1为实施例1方法制备的光热水蒸发材料的断面扫描电镜图。
图2为实施例1方法制备的负载了碳纳米管的无纺布表面的扫描电镜图。
图3为实施例1方法制备的光热水蒸发材料表面的吸收光谱图。
图4为在1kW/m2(太阳光)光强照射下，采用实施例1方法制备的光热水蒸发材料的水蒸速率与纯水的对比图。
图5为采用实施例1或2方法制备的光热水蒸发材料的光热水蒸发装置图。
图6为实施例1方法制备的光热水蒸发材料PDMS(疏水层)表面的接触角测试图。
图7为实施例1方法制备的光热水蒸发材料吸水性材料底层表面的接触角测试图。
图8为实施例1方法制备的光热水蒸发材料的循环稳定性测试图。
图9为实施例2方法制备的光热水蒸发材料、没有PDMS保护层的光热水蒸发材料和纯水的蒸发速率对比图。
图10为实施例2方法制备的光热水蒸发材料与没有PDMS保护层的光热水蒸发材料的循环稳定性对比图。
图11为实施例3方法制备的光热水蒸发材料的蒸汽收集装置图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明实验方案作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原料或仪器如无特别说明，均可通过市售购买获得。
实施例1
1.高效稳定且具有自清洁功能的新型光热水蒸发材料制备
1)选取厚度为200μm的亲水无纺布，将其裁成直径为3cm的圆片，将其先在乙醇中以30kHz的频率超声5min，再将乙醇换成去离子水，以相同的频率超声5min，反复换水洗涤三次。将材料取出，放入60℃烘箱中6h烘干，得到吸水性材料底层；
2)称取20mg碳纳米管粉末，分散在3ml乙醇溶液中，在30kHz频率下超声分散15min，得到悬浊液；
3)将步骤(2)中得到的悬浊液均匀滴加到将步骤(1)中得到的吸水性材料底层上，分4次滴加，每次滴加完之后，放入50℃的烘箱中干燥15min，得到光热材料中间层/吸水性材料底层，其表面扫描电镜照片如图2所示；
4)将PDMS，固化剂以10:1的比例称取，混合后在常温下以400r/min的速率搅拌15min，将所得的PDMS溶液用刮刀涂覆在表面光滑的玻璃板上，刮膜厚度为200μm，将其置于60℃烘箱中加热20min，得到半固化的PDMS薄膜；
5)将步骤(3)所得的材料黑色一面(光热材料中间层)朝下，贴在步骤(4)所得的半固化PDMS膜上，压实，放入60℃烘箱4h烘干，将所得的材料小心的从光滑玻璃板上揭下，最终得到高效稳定且具有自清洁功能的新型光热水蒸发材料，其断面扫描电镜图如图1所示，顶层为PDMS保护层，下层为亲水性无纺布。图2为光热材料中间层的扫描电镜图。如图6所示，光热水蒸发材料的表面超疏水(接触角130°)，自然雨水冲刷就可以清洗，具有自清洁功能。图7表明吸水材料对水有很好的浸润性，可以输水。
2.光热水蒸发效率的测试装置如图5所示。吸水性材料底层通过一根毛细支撑管与下方水体相连。吸水层的水受热变成水蒸气后，受上方PDMS保护层的阻挡，蒸汽从吸水层下方溢出，进行封闭冷凝收集，由于吸水层很薄，在光热层的加热下其温度与环境温度相比要更高，因此水蒸气不会或很少在吸水层凝结。
图3为碳纳米管粉末对200～2500mn波长范围内太阳光的吸收光谱，可以看出，碳纳米管对太阳光有很强的吸收能力，适合用作光热转化材料。
图4为采用实施例1方法制备的光热材料在一个标准太阳光强照射下的水蒸发效率与纯水的对比，可以看出，前者的蒸发效率约为后者的4倍。经拟合直线斜率得到采用实施例1方法制备的光热材料的水蒸发效率为1.9～2.0kg/m2h。
利用现有的太阳能转化效率的计算公式(1)进行计算，采用上述步骤制备的光热水蒸发材料的太阳能转化效率(η)超过91％。
式中η表示太阳能光热转化效率，表示单位时间内水蒸发量，△Hv为标准大气压下水的汽化潜热，Copt为光学浓度，q0为一个标准太阳光强度。
图8为采用实施例1方法制备的光热材料连续7天在一个标准太阳光强照射下每天的水蒸发效率对比，可以看出，此种光热转化材料具有很好的循环稳定性。
实施例2
同实施例1，但刮膜厚度为150μm，采用图5所示的光热水蒸发装置在一倍太阳光强照射下进行测试，得到水蒸发量与光照时间的关系。除此之外，还对有、无PDMS保护层的光热材料分别进行7次水冲刷，并且分别在每次冲刷之后对其进行光热水蒸发测试。
图9为纯水、没有PDMS保护层的光热材料和有PDMS保护层的光热材料三者在一倍太阳光强照射下蒸发速率与时间的关系图，经对比可以看出，有无PDMS保护层的光热材料在未被水冲刷之前水蒸发效率差别不大，都约为纯水蒸发效率的4倍左右。
图10为对有无PDMS保护层的光热材料在每次冲刷之后对其进行光热水蒸发速率的对比图。可以看出，当未被水冲刷时，两者的蒸发速率没有太大区别。随着多次水冲刷之后，有PDMS保护层的光热材料的蒸发速率基本保持不变，而没有PDMS保护层的光热材料则随着冲刷次数的增加水蒸发效率急剧下降，表明PDMS保护层起到了很好的保护作用。
实施例3
同实施例1，但刮膜厚度为250μm。将所得光热转化材料用图11所示装置封闭进行淡水收集，可以在不影响光照强度的条件下进行淡水收集。
最后应说明的是：上述实施例仅为本发明的具体实现方式之一，尽管对其所进行的描述较为详细具体，但这并不能理解为对本发明范围的限制。本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明技术的范围内，对本发明做的等同替换或者修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案内容，仍属于本发明的保护范围。
