一种球型泡沫碳蒸发器及其制备方法和应用

1.本发明涉及太阳能海水淡化技术领域，具体涉及一种球型泡沫碳蒸发器及其制备方法和应用。


背景技术：

2.随着世界经济的飞速发展和人口的持续增长，淡水资源短缺正成为人类社会可持续发展的重大威胁。地球上具有丰富的海水储量，因此利用海水淡化技术生产淡水成为了解决淡水危机的有效途径。但是现如今的多级闪蒸，反渗透，电渗析等海水淡化技术需要消耗大量能源，并且产生大量碳足迹，不是满足可持续性的最佳策略。受自然蒸发的启示，利用可再生太阳能驱动海水淡化的太阳能蒸发技术具有高效，环保低碳的优点，表现出了广阔的应用前景，引起了广泛的关注。
3.在过去几年里，研究人员精心设计了许多优异的光热材料和装置，以提高太阳能利用率和淡水产量，实现了较高的蒸发效率，但仍然存在一些限制太阳能蒸发技术实际应用的关键问题。比如贵金属纳米颗粒，石墨烯，聚合物，半导体等常用的光热材料涉及到原料昂贵、制备方法复杂等问题。此外，蒸发过程中在光热材料表面产生的盐颗粒会阻碍入射光的吸收并且降低材料的水汽传输性能，从而导致光热蒸发器的蒸发效率和持续运行能力显著下降。虽然采用机械管理或水冲洗等后处理程序可以除去积累的盐分，但这些操作增加了光热蒸发系统的操作复杂性和运行成本。
4.因此，设计出成本低廉、制备简单的高效光热蒸发器具有十分重要的意义。


技术实现要素：

5.有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种球型泡沫碳蒸发器及其制备方法和应用，制备的球型泡沫碳蒸发器可实现自主清洁、连续运行，能够高效的进行海水淡化以及水处理零排放。
6.为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：
7.第一方面，本发明提供一种球型泡沫碳蒸发器的制备方法，将面粉和膨松剂混合发酵，形成具有多孔结构的材料；将具有多孔结构的材料装入球型模具中，经固型、高温碳化后制成球型泡沫碳蒸发器。
8.进一步的，所述制备方法的具体步骤如下：
9.步骤1：将膨松剂添加至温水中，搅拌至完全溶解；
10.步骤2：向步骤1中添加面粉混合，使其发酵形成具有多孔结构的材料；
11.步骤3：将具有多孔结构的材料装入球型模具中，在烘箱中干燥，并焙烤成球型前驱体；
12.步骤4：将球型前驱体移至马弗炉中，高温热解碳化。
13.进一步的，所述膨松剂为酵母、碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸氢铵、酒石酸氢钾、硫酸铝钾、磷酸氢钙、硫酸铝铵、葡萄糖酸-δ-内酯中的一种或多种。
14.进一步的，步骤1中所述温水的温度为30-45℃。
15.进一步的，步骤1中所述膨松剂与温水的比例为1:30-50(g/ml)。
16.进一步的，步骤2中添加的面粉与步骤1中膨松剂的比例为50-100:1。
17.进一步的，步骤3中球型模具的直径为2-6cm。
18.进一步的，步骤3中烘箱温度为100-150℃，烘烤时间为20-40min；
19.进一步的，步骤4中马弗炉温度为200～1200℃，热解碳化时间为2-8h；
20.第二方面，本发明提供一种球型泡沫碳蒸发器，采用上述制备方法制备而成。
21.第三方面，本发明提供球型泡沫碳蒸发器在海水淡化以及零排放技术领域中的应用。
22.进一步的，所述应用的具体方式为：
23.步骤s1：将球型泡沫碳蒸发器置于装有海水或卤水的容器中，球型泡沫碳蒸发器漂浮在海水或卤水表面，海水或卤水在球型泡沫碳蒸发器的球面形成液膜；
24.步骤s2：在光照下，球型泡沫碳蒸发器吸收光能并将其转换成热能，对海水或卤水进行蒸发；收集蒸发得到的淡水；
25.步骤s3：球型泡沫碳蒸发器顶部的液膜蒸发更快，顶部蒸发形成的结晶颗粒更多，出现“头重脚轻”的现象；由于重心的变化，球型泡沫碳蒸发器发生自旋转，使球型泡沫碳蒸发器原本的底部润湿面暴露在上面，继续进行蒸发。
26.进一步的，所述应用中步骤s1的球型泡沫碳蒸发器有多个，多个球型泡沫碳蒸发器会发生聚集，当其中一个球型泡沫碳蒸发器发生自旋转时，驱动相邻的球型泡沫碳蒸发器发生旋转，实现连续蒸发运行。
27.本发明的有益效果为：
28.本发明制备球型泡沫碳蒸发器的原料绿色环保、价格低廉，制备方法简单、无污染，可以大规模生产；获得的球型泡沫碳蒸发器具有丰富的孔道结构，表现出高效的光热转换性能；本发明独特的球型结构由于在蒸发过程中顶部表面结晶颗粒较多，重心发生变化后触发自旋转，重置泡沫碳蒸发器的蒸发面，从而达到自动除盐的功能。
附图说明
29.图1为本发明球型泡沫碳蒸发器的应用原理示意图；
30.图2为实施例2与对比例1制备的泡沫碳蒸发器按进行界面海水淡化的海水质量变化-时间关系图；
31.图3为实施例2与对比例1制备的泡沫碳蒸发器海水淡化蒸发后的实物图；
32.图4为实施例3与对比例1制备的泡沫碳蒸发器按进行卤水零排放的卤水质量变化-时间关系图；
33.图5为实施例3与对比例1制备的泡沫碳蒸发器卤水零排放蒸发后的实物图。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做
出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.实施例1
36.一种球型泡沫碳蒸发器的制备方法，包括以下步骤：
37.步骤1：将1g酵母添加至50ml温水中，搅拌至完全溶解；所述温水的温度为40℃；
38.步骤2：向步骤1中添加100g面粉混合，使其发酵形成具有多孔结构的材料；
39.步骤3：将具有多孔结构的材料装入球型模具中，在烘箱中干燥，并焙烤成球型前驱体；球型模具的直径为3cm；烘箱温度为100℃，烘烤时间为30min；
40.步骤4：将球型前驱体移至马弗炉中，马弗炉温度为400℃；高温热解碳化，热解碳化时间为6h。
41.实施例2
42.一种球型泡沫碳蒸发器的制备方法，包括以下步骤：
43.步骤1：将1g碳酸氢钠添加至30ml温水中，搅拌至完全溶解；所述温水的温度为45℃；
44.步骤2：向步骤1中添加50g面粉混合，使其发酵形成具有多孔结构的材料；
45.步骤3：将具有多孔结构的材料装入球型模具中，在烘箱中干燥，并焙烤成球型前驱体；球型模具的直径为4cm；烘箱温度为150℃，烘烤时间为20min；
46.步骤4：将球型前驱体移至马弗炉中，马弗炉温度为600℃；高温热解碳化，热解碳化时间为5h。
47.实施例3
48.一种球型泡沫碳蒸发器的制备方法，包括以下步骤：
49.步骤1：将1g酒石酸氢钾添加至50ml温水中，搅拌至完全溶解；所述温水的温度为35℃；
50.步骤2：向步骤1中添加100g面粉混合，使其发酵形成具有多孔结构的材料；
51.步骤3：将具有多孔结构的材料装入球型模具中，在烘箱中干燥，并焙烤成球型前驱体；球型模具的直径为6cm；烘箱温度为120℃，烘烤时间为30min；
52.步骤4：将球型前驱体移至马弗炉中，马弗炉温度为1000℃；高温热解碳化，热解碳化时间为3h。
53.实施例4
54.一种球型泡沫碳蒸发器的制备方法，包括以下步骤：
55.步骤1：将1g磷酸氢钙添加至30ml温水中，搅拌至完全溶解；所述温水的温度为30℃；
56.步骤2：向步骤1中添加100g面粉混合，使其发酵形成具有多孔结构的材料；
57.步骤3：将具有多孔结构的材料装入球型模具中，在烘箱中干燥，并焙烤成球型前驱体；球型模具的直径为6cm；烘箱温度为150℃，烘烤时间为20min；
58.步骤4：将球型前驱体移至马弗炉中，马弗炉温度为1000℃；高温热解碳化，热解碳化时间为3h。
59.实施例5
60.一种球型泡沫碳蒸发器的制备方法，包括以下步骤：
61.步骤1：将1g葡萄糖酸-δ-内酯添加至50ml温水中，搅拌至完全溶解；所述温水的温
度为40℃；
62.步骤2：向步骤1中添加100g面粉混合，使其发酵形成具有多孔结构的材料；
63.步骤3：将具有多孔结构的材料装入球型模具中，在烘箱中干燥，并焙烤成球型前驱体；球型模具的直径为2cm；烘箱温度为100℃，烘烤时间为30min；
64.步骤4：将球型前驱体移至马弗炉中，马弗炉温度为1200℃；高温热解碳化，热解碳化时间为2h。
65.实施例6
66.将实施例1制备的球型泡沫碳蒸发器用于海水淡化，步骤如下：
67.步骤s1：将球型泡沫碳蒸发器置于装有海水的容器中，球型泡沫碳蒸发器漂浮在海水表面，海水在球型泡沫碳蒸发器的球面形成液膜；
68.步骤s2：在光照下，球型泡沫碳蒸发器吸收光能并将其转换成热能，对海水进行蒸发；收集蒸发得到的淡水；
69.步骤s3：球型泡沫碳蒸发器顶部的液膜蒸发更快，顶部蒸发形成的结晶颗粒更多，出现“头重脚轻”的现象；由于重心的变化，球型泡沫碳蒸发器发生自旋转，使球型泡沫碳蒸发器原本的底部润湿面暴露在上面，继续进行蒸发。
70.优选的，步骤s1的球型泡沫碳蒸发器有多个，多个球型泡沫碳蒸发器会发生聚集，当其中一个球型泡沫碳蒸发器发生自旋转时，驱动相邻的球型泡沫碳蒸发器发生旋转，实现连续蒸发运行。
71.实施例1制备的球型泡沫碳蒸发器用于海水淡化的原理如图1所示：球型泡沫碳蒸发器的密度比水小，具有自漂浮能力，部分表面露在水面之上，由于毛细管作用和表面张力的影响，液体可以从球型泡沫碳蒸发器的底部往上输送并在球面形成不均匀的液膜(顶部较薄)。黑色的球型泡沫碳蒸发器是一种优秀的吸光材料，能够吸收全光谱范围的光子，将其转换成热能。此外，球型泡沫碳蒸发器内部丰富的孔道结构有利于入射光发生多重反射，提高了光利用率。在蒸发过程中，球体顶部的液膜蒸发得更快，盐颗粒往往倾向于在顶部结晶，当盐颗粒积累到一定程度时，会出现“头重脚轻”的现象，由于重心的变化，球型泡沫碳蒸发器发生旋转，使得结盐面浸入水中，盐颗粒被重新溶解；同时原本处于的底部的润湿面被暴露在上表面，成为了新的蒸发面继续进行蒸发。优选的，当球型泡沫碳蒸发器为多个时，在水的表面张力作用下球型泡沫碳蒸发器会发生聚集，当其中一个球型泡沫碳蒸发器发生自旋转时，会触发“多米诺效应”驱动相邻的球型泡沫碳蒸发器发生旋转，使得整个光热系统同步重置蒸发面，提高系统的连续运行能力。
72.实施例7
73.将实施例1制备的球型泡沫碳蒸发器用于零排放工艺，步骤如下：
74.步骤s1：将球型泡沫碳蒸发器置于装有卤水的容器中，球型泡沫碳蒸发器漂浮在卤水表面，卤水在球型泡沫碳蒸发器的球面形成液膜；
75.步骤s2：在光照下，球型泡沫碳蒸发器吸收光能并将其转换成热能，对卤水进行蒸发；
76.步骤s3：球型泡沫碳蒸发器顶部的液膜蒸发更快，顶部蒸发形成的结晶颗粒更多，出现“头重脚轻”的现象；由于重心的变化，球型泡沫碳蒸发器发生自旋转，使球型泡沫碳蒸发器原本的底部润湿面暴露在上面，继续进行蒸发。
77.优选的，步骤s1的球型泡沫碳蒸发器有多个，多个球型泡沫碳蒸发器会发生聚集，当其中一个球型泡沫碳蒸发器发生自旋转时，驱动相邻的球型泡沫碳蒸发器发生旋转，实现连续蒸发运行。
78.对比例1
79.一种块状泡沫碳蒸发器的制备方法，包括以下步骤：
80.步骤1：将1.0g酵母添加至50ml温水中，搅拌至完全溶解；所述温水的温度为40℃；
81.步骤2：向步骤1中添加100g面粉混合，使其发酵形成具有多孔结构的材料；
82.步骤3：将具有多孔结构的材料装入正方体模具中，在烘箱中干燥，并焙烤成块状前驱体；模具的长度为3cm；烘箱温度为100℃，烘烤时间为30min；
83.步骤4：将块状前驱体移至马弗炉中，马弗炉温度为400℃；高温热解碳化，热解碳化时间为6h。
84.对比例2
85.一种球型泡沫碳蒸发器的制备方法，包括以下步骤：
86.步骤1：将0.1g酵母添加至50ml温水中，搅拌至完全溶解；所述温水的温度为40℃；
87.步骤2：向步骤1中添加100g面粉混合，使其发酵形成具有多孔结构的材料；
88.步骤3：将具有多孔结构的材料装入球型模具中，在烘箱中干燥，并焙烤成球型前驱体；球型模具的直径为3cm；烘箱温度为100℃，烘烤时间为30min；
89.步骤4：将球型前驱体移至马弗炉中，马弗炉温度为400℃；高温热解碳化，热解碳化时间为6h。
90.对比例3
91.一种球型泡沫碳蒸发器的制备方法，包括以下步骤：
92.步骤1：将2g酵母添加至50ml温水中，搅拌至完全溶解；所述温水的温度为40℃；
93.步骤2：向步骤1中添加100g面粉混合，使其发酵形成具有多孔结构的材料；
94.步骤3：将具有多孔结构的材料装入球型模具中，在烘箱中干燥，并焙烤成球型前驱体；球型模具的直径为3cm；烘箱温度为100℃，烘烤时间为30min；
95.步骤4：将球型前驱体移至马弗炉中，马弗炉温度为400℃；高温热解碳化，热解碳化时间为6h。
96.实验数据
97.一、将实施例1～5以及对比例1～3制备的泡沫碳蒸发器用于海水淡化实验，检测淡水产率以及蒸发效率。检测方法及计算方法如下：
98.将泡沫碳蒸发器放置在盛有海水的烧杯内，称量烧杯的总质量m；将烧杯放入蒸馏水收集装置中；然后用氙灯模拟太阳光照射6h，环境温度为27℃，水体温度为22℃，在特定的光照间隔后称量烧杯总质量m
′
，计算蒸发前后总质量的差值m1＝m-m
′
，称量光照收集到蒸发出的蒸汽(淡水)质量为m2；按照如下公式计算蒸发效率以及淡水产率。
99.蒸发效率η，η＝mh
lv
/i，其中m为蒸发速率，h
lv
为水的相变潜热，i为入射光的光功率密度；m＝m1/h；h为蒸发时间；
100.淡水产率ζ，ζ＝m2/sh，其中m2为收集到淡水的质量，s为泡沫碳蒸发器的有效蒸发面积，h为蒸发时间；
101.不同的泡沫碳蒸发器在1个标准太阳强度下进行界面海水淡化的测试结果如表1
所示。
102.表1
[0103][0104]
由表1可知，相对于对比例1中的块状泡沫碳蒸发器，本发明实施例1～5所制备的球型泡沫碳蒸发器具有更高的蒸发效率和淡水产率。将实施例1与对比例2和3相比可知，即使均是球型泡沫碳蒸发器，只有在本发明限定的添加比例范围下，才具有良好的海水淡化效果。
[0105]
此外，实施例2与对比例1制备的泡沫碳蒸发器按上述方案进行界面海水淡化的海水质量变化-时间关系图如图2所示，蒸发后的泡沫碳蒸发器实物图如图3所示。
[0106]
由图2和图3可知，实施例2的泡沫碳蒸发器具有更好的蒸发效果，并且对比例1的块状泡沫碳上出现了明显的结晶盐，而球型泡沫碳表面则没有出现盐颗粒，表明本发明的球型泡沫碳蒸发器自旋转行为能够有效防止盐沉积，保持光热系统的高效连续运行。
[0107]
二、将实施例3和对比例1制备的泡沫碳蒸发器用于卤水零液体排放实验，在1个标准太阳强度、高盐度卤水工况下6小时不间断连续蒸发后，得到的卤水质量变化-时间关系图如图4所示，蒸发后的泡沫碳蒸发器实物图如图5所示。
[0108]
由图4和图5可知，与对比例1的块状泡沫碳相比，在高浓度卤水系统连续运行6个小时的过程中，实施例3的球型泡沫碳光热系统展示出更高的蒸发效率和连续运行能力。并且块状泡沫碳上出现了大量的结晶盐，而球型泡沫碳表面则没有出现盐颗粒，表明本发明实施例3的球型自旋转行为能够有效防止盐沉积，保持光热系统的高效连续运行。
[0109]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种球型泡沫碳蒸发器的制备方法，其特征在于，将面粉和膨松剂混合发酵，形成具有多孔结构的材料；将具有多孔结构的材料装入球型模具中，经固型、高温碳化后制成球型泡沫碳蒸发器。2.根据权利要求1所述的球型泡沫碳蒸发器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1：将膨松剂添加至温水中，搅拌至完全溶解；步骤2：向步骤1中添加面粉混合，使其发酵形成具有多孔结构的材料；步骤3：将具有多孔结构的材料装入球型模具中，在烘箱中干燥，并焙烤成球型前驱体；步骤4：将球型前驱体移至马弗炉中，高温热解碳化。3.根据权利要求1所述的球型泡沫碳蒸发器的制备方法，其特征在于，所述膨松剂为酵母、碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸氢铵、酒石酸氢钾、硫酸铝钾、磷酸氢钙、硫酸铝铵、葡萄糖酸-δ-内酯中的一种或多种。4.根据权利要求2所述的球型泡沫碳蒸发器的制备方法，其特征在于，进一步的，步骤1中所述温水的温度为30-45℃；所述膨松剂与温水的比例1:30-50。5.根据权利要求2所述的球型泡沫碳蒸发器的制备方法，其特征在于，步骤2中添加的面粉与步骤1膨松剂的比例为50-100:1。6.根据权利要求2所述的球型泡沫碳蒸发器的制备方法，其特征在于，步骤3中球型模具的直径为2-6cm。7.根据权利要求2所述的球型泡沫碳蒸发器的制备方法，其特征在于，步骤3中烘箱温度为100-150℃，烘烤时间为20-40min。8.根据权利要求2所述的球型泡沫碳蒸发器的制备方法，其特征在于，步骤4中马弗炉温度为200～1200℃，热解碳化时间为2-8h。9.一种球型泡沫碳蒸发器，其特征在于，采用权利要求1～8任意一项所述制备方法制备而成。10.权利要求9所述球型泡沫碳蒸发器在海水淡化以及零排放技术领域中的应用。

技术总结
本发明涉及太阳能海水淡化技术领域，具体涉及一种球型泡沫碳蒸发器及其制备方法和应用。所述制备方法为将面粉和膨松剂混合发酵，形成具有多孔结构的材料；将具有多孔结构的材料装入球型模具中，经固型、高温碳化后制成球型泡沫碳蒸发器。本发明制备球型泡沫碳蒸发器的原料绿色环保、价格低廉，制备方法简单、无污染，可以大规模生产；获得的球型泡沫碳蒸发器具有丰富的孔道结构，表现出高效的光热转换性能；本发明独特的球型结构由于在蒸发过程中顶部表面结晶颗粒较多，重心发生变化后触发自旋转，重置泡沫碳蒸发器的蒸发面，从而达到自动除盐的功能。除盐的功能。除盐的功能。


技术研发人员：李朝林 吴昱亮 王文辉
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）
技术研发日：2022.01.29
技术公布日：2023/8/8