[0001]
本高新技术涉及海水淡化及废水处理技术领域，特别涉及一种光热蒸发和余热回收一体化装置。
背景技术：
[0002]
伴随着人类社会不断的现代化进程，淡水资源的短缺和污染问题日益严重，制约着人类的生存和发展。目前，全世界约有40％的人口面临着淡水不足问题。到2025年，全世界将有35亿人口生活在缺水状态中，涉及的国家和地区超过40个。作为利用太阳能的淡水生产技术之一，太阳能光热转换技术具有十分可观的应用前景，其具有可持续、绿色等特点，得到研究和工业领域近年来广泛的关注。
[0003]
在传统的太阳能水处理系统中，通常利用光收集器(集热管、集热腔)将光能转换为热能，板身将热能传导到给水，实现海水淡化和污水处理。该方法不仅设备笨重昂贵，而且需加热给水整体，通过对流、传导的散热损失严重，效率较低。2014年，美国麻省理工学院gang chen课题组提出了局域化加热的概念，利用光热转换材料高效快速地将太阳能转化为热能，实现局部蒸汽产生，显著地提高了太阳能的利用效率[h.ghasemi et al.nat.commun.2014,5:4449]。随后的相关研究主要集中在对光热蒸发材料的研究上，如：改进光热蒸发材料的绝热性能[y.tian et al.nano energy2019,66:104125；s.wu et al.adv.energy mater.2019,9:1901286]；优化光热蒸发材料的光学性能[h.ren et al.adv.mater.2017,29:1702590；f.zhao et al.nat.nanotech.2018:13；489-+]，但是，蒸汽和冷凝水阻挡入射光、蒸汽余热散失于环境中、冷凝水收集困难等问题，制约了太阳能光热蒸发的现实应用，严重削弱了系统的蒸发和能量利用效率。因此，迫切需要设计合理的水处理系统，高效收集冷凝水、回收和利用蒸汽余热、解决冷凝水和蒸汽的挡光问题，实现高效水处理。此外，现有的光热转换材料往往加工工艺复杂，制造成本较高，如：申请号为cn201910804891.9的中国专利公开的一种多级结构的光热海水淡化材料，所述光热海水淡化材料通过等离子增强化学气相淀积法在多孔金属泡沫材料上沉积纳米碳材料，耗能较大，加工成本高。所以，面向实际应用，利用绿色环保的光热材料实现长效的光热蒸发是一迫切需求。
技术实现要素：
[0004]
本高新技术的目的在于提供一种光热蒸发和余热回收一体化装置，利用碳化竹筒的解决了蒸汽和冷凝水阻挡入射光、蒸汽余热散失于环境中、冷凝水收集困难等问题，实现了系统的长效稳定性和太阳能高效利用率，最终可用于污水纯化、海水淡化等。
[0005]
本高新技术提供如下技术方案：
[0006]
一种利用碳化竹筒的光热蒸发和余热回收一体化装置，所述光热蒸发和余热回收一体化装置包括蒸发室和冷凝储热腔，蒸发室环绕在冷凝储热腔外部；所述蒸发室的底部设有给水池，所述蒸发室中设有光热蒸发体，所述光热蒸发体为碳化竹筒，包括碳化竹壁和
碳化竹节，且碳化竹节在碳化竹壁的顶部，碳化竹壁部分插入给水池中，碳化竹节覆盖在冷凝储热腔上方；所述光热蒸发和余热回收一体化装置还包括位于蒸发室和冷凝储热腔上方的透光板。
[0007]
蒸发室环绕冷凝储热腔外部，避免污染冷凝水。优选的，所述的给水池置于蒸发室底部。透光板覆盖在蒸发室上，防止蒸发室的蒸汽向外泄露。
[0008]
所述冷凝储热腔从上至下依次设有温差发电元件和冷凝水池。温差发电元件位于冷凝储热腔内，用于回收蒸汽余热。所述的温差发电元件的塞贝克系数为1-10mv k-1
。所述的温差发电元件是温差电容，可以将蒸汽的热能转换为电能，并储存起来。所述的温差发电元件底部与冷凝水接触，利于保持温差发电元件上下表面的温差梯度。优选的，所述的温差电容的塞贝克系数为5-10mv k-1
。
[0009]
本高新技术提供的光热蒸发和余热回收一体化装置的工作过程为：碳化竹筒的碳化竹壁部分吸收给水至碳化竹节部分，碳化竹节部分将太阳光转换为热能加热给水，产生的水蒸汽穿过多孔的碳化竹节进入冷凝储热腔后富集，水蒸气传热给冷凝储热腔内的温差元件实现热电生成，最后在冷凝储热腔底部冷凝后完成蒸馏过程。
[0010]
其中，冷凝水池上设有出水口，冷凝水从冷凝水池的出水口排出；蒸发室底部的给水池上设有进水口与出水口，给水从蒸发室进水口进入，从出水口排出。
[0011]
所述透光板是透明的。优选的，所述碳化竹节的上表面与透光板的下表面相接触。即，透光板紧贴碳化竹节上表面，用于透过太阳光并保持装置气密性，并引导水蒸汽穿过碳化竹节。
[0012]
在所述光热蒸发和余热回收一体化装置运行的过程中，内部的空间是密闭的。
[0013]
所述碳化竹节为吸光体；所述碳化竹壁为隔热体。所述碳化竹节为多孔薄膜结构，提供水蒸汽传输进入冷凝储热室的通道。所述碳化竹节的表面为黑色，吸光率为85-99％；所述碳化竹节的平均孔径为0.1-0.5m，孔隙率为30-60％。优选的，所述碳化竹节的平均孔径为0.1-0.3m，孔隙率为50-60％，碳化竹节的吸光率为96.0-98.0％。
[0014]
所述碳化竹节捕集太阳能，并将光能转化为热能，产生局部高温区域；所述碳化竹壁内分布输水通道，通过毛细作用传输给水到局部高温区域，实现快速光热蒸发，避免热流向周围环境传递，提高了系统的光热转化效率。
[0015]
碳化竹壁是亲水性的，内部的维管束能够通过毛细力吸水。所述碳化竹壁的热导率为0.02-0.3w m-1
k-1
，水接触角为0-70
°
。优选的，所述碳化竹壁的热导率为0.1-0.2w m-1
k-1
，水接触角为2-22
°
。所述碳化竹壁的高度即为冷凝储热室的高度；当高度过大时，系统的热损失将会增大；当高度过小时，系统的加工和操作复杂性将会提高。所述碳化竹壁的高度为2-10cm。
[0016]
优选的，所述冷凝储热室的高度为3-6cm。既可以减少热损失又可以减少系统加工复杂性。
[0017]
所述碳化竹筒的制备方法包括如下步骤：
[0018]
(1)以竹节部分为切口，将竹子切成小段竹筒，保留竹节和一定长度的竹壁；
[0019]
(2)将步骤(1)得到的竹筒除去其表面竹皮，用溶液清洗，然后烘干，得到烘干的竹筒；
[0020]
(3)将步骤(2)得到的烘干的竹筒，在保护气氛下进行高温碳化，得到碳化竹筒。
[0021]
所述步骤(2)中，烘干温度为60-100℃。具体的，在步骤(2)中：在1个大气压、干燥气体中、固定烘干温度下维持3-10h。
[0022]
所述步骤(3)中，所述保护气氛为氮气；所述碳化温度为400-600℃。具体的，在步骤(3)中，将烘干的竹筒放入管式炉中，在1个大气压、保护气氛中、固定碳化温度下，维持10-60min，得到碳化竹筒。碳化温度和时长与所制备的碳化竹筒的微观形貌、机械强度以及制备成本都有直接关系。当碳化温度过高和时长过长，碳化竹筒发生蜷缩，机械强度降低，制备成本增加；当碳化温度过低和时长过短，碳化竹筒宏观形貌保存完整，机械强度较强，制备成本降低，但表面碳化不足会削弱碳化竹筒的吸光性能，降低太阳能的吸收效率。
[0023]
本高新技术通过利用天然竹竿的宏观上的三维及微观上的多孔结构，优化蒸汽的传输路径，提供了一种结构简单、易于操作的光热蒸发和余热回收一体化装置，构筑冷凝储热腔收集冷凝水和回收蒸汽余热，解决了冷凝水和蒸汽的挡光问题，提高了系统的整体能量利用效率，保证了太阳能光热蒸发装置的稳定性。
附图说明
[0024]
图1为实施例1提供的基于碳化竹筒的光热蒸发和余热回收一体化装置的结构示意图；
[0025]
图2为实施例1提供的碳化竹筒的微观结构示意图；
[0026]
图3为本高新技术提供的碳化竹筒的制备流程图。
具体实施方式
[0027]
为使本高新技术更明显易懂，以下结合具体实施例，并参照附图，对本高新技术作进一步的说明。以下描述的实施例仅用于解释本高新技术，对本高新技术形式上和实质上无任何的限制。
[0028]
如图3所示，碳化处理天然竹筒，获得碳化竹筒。
[0029]
对本高新技术提供的碳化竹筒进行如下性能测试：
[0030]
1、水接触角：利用型号为dropmeter a-200的接触角仪，测量碳化竹壁的接触角，表征材料的亲水性，利用电动泵，将5l的水滴滴在材料表面，利用高速相机记录水滴的变化过程，通过杨-拉普拉斯方程，计算水接触角。
[0031]
2、吸光率：利用型号为uv-3150uv-vis的紫外-可见光分光光度计，测量在220-2500纳米波段碳化竹节的光反射率和光透射率，利用公式：光吸收率＝1-光反射率-光透射率，计算平均光吸收率。
[0032]
3、平均孔径、孔隙率：利用型号为autopore iv 9510的压汞仪对碳化竹节的微观结构(孔隙结构特征)进行测定和分析，得到碳化竹节的平均孔径和孔隙率。
[0033]
实施例1
[0034]
如图1、图2所示，本高新技术提供的光热蒸发和余热回收一体化装置，包括：光热蒸发体1、蒸发室2、给水池3、透光板4、冷凝储热腔5、温差发电元件6、冷凝水池7、给水进水口8、给水出水口9、冷凝水出水口10、太阳光11。其中，光热蒸发体是碳化竹筒，吸光体12和隔热体13组成光热蒸发体1，吸光体12是碳化后的竹节，隔热体13是碳化后的竹壁。
[0035]
如图1、图2，由给水通过给水进水口8注入给水池3；光热蒸发体1置于蒸发室2；蒸
发室2环绕冷凝储热腔5；透光板4紧贴光热蒸发体1的受光一侧，既起到封闭系统的作用，又起到引导水蒸汽至冷凝储热腔5的作用；光热蒸发体1的底部插入给水池3中(即，隔热体13插入给水池3中)，隔热体13吸收给水至吸光体12，吸光体12吸收太阳光11，并将光能转化为热能，蒸发给水产生蒸汽；蒸汽随后穿过吸光体12进入冷凝储热腔5，温差发电元件6吸收蒸汽的余热用来产电，蒸汽在冷凝水池7冷凝，最后由冷凝水出水口10排出；温差发电元件6的塞贝克系数为5mv k-1
；冷凝储热腔5高度为3cm。在光热蒸发和余热回收一体化装置的运行过程中，给水进水口8、给水出水口9、冷凝水出水口10、都保持打开状态；给水池3维持一定量水位。当装置停止工作后，可以转移、使用冷凝水池7中的淡水。
[0036]
吸光体12捕集太阳能，将太阳能转化为热能，形成局部高温区；隔热体13起到机械支撑作用，将吸光体12和给水池3分离开。同时，隔热体13还作为输水流道14，通过毛细作用输送给水15，使之到达局部高温区域，实现快速光热蒸发。同时，蒸汽穿过吸光体12表面的孔道16进入冷凝储热腔5，既解决了蒸汽和冷凝水挡光问题，又回收利用了蒸汽余热；此外，输水流道14可以避免吸光体12将热流直接传递至给水15，降低能量损失。
[0037]
其中，光热蒸发体1的制备方法如下：
[0038]
1.以竹节部分为切口，将竹子切成小段竹筒，保留竹节和一定长度的竹壁；
[0039]
2.竹筒除去其表面竹皮，用去离子水清洗，然后在氮气保护下，烘干温度为90℃，烘干6h；
[0040]
3.将烘干的竹筒，放入管式炉中，在氮气保护下，碳化温度为400℃，碳化10min，得到碳化竹筒。
[0041]
制备的光热蒸发体1外表面为黑色，碳化竹壁表现出强亲水性，水接触角为22.1
°
，热导率为0.1w m-1
k-1
，说明隔热体13可以通过毛细作用传输给水并具有较好的隔热性能。
[0042]
碳化竹节(吸光体12)的微观结构表现为三维的多孔结构，平均孔径为0.1m，孔隙率为50％。
[0043]
光热蒸发体1在220-2500纳米波段的平均光吸收率高达96.0％；吸光体12的粗糙表面，实现对入射光的多次内反射，对光的捕集能力极强。
[0044]
光热蒸发体1底部(隔热体13)插入给水池3中，吸收太阳能，将太阳能转化为热能用于水蒸发。随后，蒸汽穿过光热蒸发体1的竹节内部(吸光体12)的孔道16进入冷凝储热腔5，富集后冷凝。同时，温差发电元件6吸收蒸汽余热产电。在1kw m-2
的光强条件下，系统的能量利用效率为52.2％，温差发电元件6的开路电压为56.1mv。
[0045]
使用本高新技术提供的光热蒸发和余热回收一体化装置，对盐度为3.25％的天然海水进行淡化处理，脱盐率达到99.5％，满足饮用要求；对罗丹明b(4mg l-1
)的有机废液进行净化处理，净化后的水在553nm波段处吸光度为零，说明冷凝水不含罗丹明b。
[0046]
实施例2
[0047]
本实施例所使用的光热蒸发和余热回收一体化装置如实施例1所述，其中，温差发电元件6的塞贝克系数为10mv k-1
；冷凝储热腔5高度为6cm；光热蒸发体1的制备方法如下：
[0048]
1.以竹节部分为切口，将竹子切成小段竹筒，保留竹节和一定长度的竹壁；
[0049]
2.竹筒除去其表面竹皮，用去离子水清洗，然后在氮气保护下，烘干温度为100℃，烘干10h；
[0050]
3.将烘干的竹筒，放入管式炉中，在氮气保护下，碳化温度为500℃，碳化20min，得
到碳化竹筒。
[0051]
本实施例的各项性能测试结果见表1。
[0052]
实施例3
[0053]
本实施例所使用的光热蒸发和余热回收一体化装置如实施例1所述，其中，温差发电元件6的塞贝克系数为7mv k-1
；冷凝储热腔5高度为4cm；光热蒸发体1的制备方法如下：
[0054]
1.以竹节部分为切口，将竹子切成小段竹筒，保留竹节和一定长度的竹壁；
[0055]
2.竹筒除去其表面竹皮，用去离子水清洗，然后在氮气保护下，烘干温度为93℃，烘干7h；
[0056]
3.将烘干的竹筒，放入管式炉中，在氮气保护下，碳化温度为430℃，碳化17min，得到碳化竹筒
[0057]
本实施例的各项性能测试结果见表1。
[0058]
实施例4
[0059]
本实施例所使用的光热蒸发和余热回收一体化装置如实施例1所述，其中，温差发电元件6的塞贝克系数为9mv k-1
；冷凝储热腔5高度为5cm；光热蒸发体1的制备方法如下：
[0060]
1.以竹节部分为切口，将竹子切成小段竹筒，保留竹节和一定长度的竹壁；
[0061]
2.竹筒除去其表面竹皮，用去离子水清洗，然后在氮气保护下，烘干温度为97℃，烘干9h；
[0062]
3.将烘干的竹筒，放入管式炉中，在氮气保护下，碳化温度为460℃，碳化13min，得到碳化竹筒
[0063]
本实施例的各项性能测试结果见表1。
[0064]
表1实施例1-4制备的光热蒸发和余热回收一体化装置的性能测试结果
[0065][0066]
上述是结合实施例对本高新技术作出的详细说明，但是本高新技术的实施方式并不受上述实施例的限制，其它任何在本高新技术专利核心指导思想下所作的改变、替换、组合简化等都包含在本高新技术专利的保护范围之内。
技术特征：
1.一种利用碳化竹筒的光热蒸发和余热回收一体化装置，其特征在于，所述光热蒸发和余热回收一体化装置包括蒸发室和冷凝储热腔，蒸发室环绕在冷凝储热腔外部；所述蒸发室的底部设有给水池，所述蒸发室中设有光热蒸发体，所述光热蒸发体为碳化竹筒，包括碳化竹壁和碳化竹节，且碳化竹节在碳化竹壁的顶部，碳化竹壁部分插入给水池中，碳化竹节覆盖在冷凝储热腔上方；所述光热蒸发和余热回收一体化装置还包括位于蒸发室和冷凝储热腔上方的透光板。2.根据权利要求1所述的光热蒸发和余热回收一体化装置，其特征在于，所述冷凝储热腔从上至下依次设有温差发电元件和冷凝水池。3.根据权利要求2所述的光热蒸发和余热回收一体化装置，其特征在于，所述冷凝水池上设有出水口，冷凝水从冷凝水池的出水口排出；所述给水池上设有进水口与出水口，给水从蒸发室进水口进入，从出水口排出。4.根据权利要求2所述的光热蒸发和余热回收一体化装置，其特征在于，所述的温差发电元件的塞贝克系数为1-10mv k-1
。5.根据权利要求1所述的光热蒸发和余热回收一体化装置，其特征在于，所述碳化竹节的上表面与透光板的下表面相接触。6.根据权利要求1所述的光热蒸发和余热回收一体化装置，其特征在于，所述碳化竹壁的长度为2-10cm；热导率为0.02-0.3w m-1 k-1
；水接触角为0-70
°
。7.根据权利要求1所述的光热蒸发和余热回收一体化装置，其特征在于，所述碳化竹节的表面为黑色，吸光率为85-99％；平均孔径为0.1-0.5 m；孔隙率为30-60％。8.根据权利要求1所述的光热蒸发和余热回收一体化装置，其特征在于，所述冷凝储热腔的高度为3-6cm。
技术总结
本高新技术公开了一种基于碳化竹筒的光热蒸发和余热回收一体化装置，包括蒸发室和冷凝储热腔，蒸发室环绕在冷凝储热腔外部；所述蒸发室的底部设有给水池，所述蒸发室中设有光热蒸发体，所述光热蒸发体为碳化竹筒，包括碳化竹壁和碳化竹节，且碳化竹节在碳化竹壁的顶部，碳化竹壁部分插入给水池中，碳化竹节覆盖在冷凝储热腔上方；所述光热蒸发和余热回收一体化装置还包括位于蒸发室和冷凝储热腔上方的透光板。该光热蒸发和余热回收一体化装置解决了蒸汽和冷凝水阻挡入射光、蒸汽余热散失于环境中、冷凝水收集困难等问题，具有结构简单、易于操作的特点，实现了系统的长效稳定性和太阳能高效利用率，最终可用于污水纯化、海水淡化等。化等。化等。
技术开发人、权利持有人：薄拯 龚碧瑶 杨化超
