本發(fā)明涉及納米技術(shù)和光熱轉(zhuǎn)化材料領(lǐng)域，具體涉及一種三元復(fù)合的太陽能蒸汽產(chǎn)生裝置及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

近幾年，可再生能源引起了社會各界的廣泛關(guān)注，太陽能因其充足，易得，無污染等優(yōu)勢成為可再生能源領(lǐng)域研究的重點之一。通過以氧化石墨烯，金納米顆粒等為代表的光熱轉(zhuǎn)化材料可以有效的捕獲太陽能并使之轉(zhuǎn)換為可利用熱能并加熱納米流體、產(chǎn)生高溫蒸汽，這為太陽能的廣泛利用，比如從大規(guī)模的太陽能光熱發(fā)電、海水淡化和污水處理產(chǎn)業(yè)，到小規(guī)模的水提純和滅菌系統(tǒng)等應(yīng)用提供了可能。優(yōu)良的光熱轉(zhuǎn)化材料可以提高太陽能轉(zhuǎn)化效率，因此從根本上推動能源系統(tǒng)和產(chǎn)業(yè)的改善和升級。

碳基納米材料具有非常大的比表面積(2600m²g^-1)和大的共軛體系，可以通過表面的π-π相互作用以及分子間的范德華力，協(xié)同吸附各種功能納米材料形成復(fù)合/雜化材料。一方面，碳基光熱轉(zhuǎn)換材料對整個紫外可見(uv-vis)直至近紅外光區(qū)域有明顯的吸收作用(高的吸收率α)，碳材料的電子具有明顯的等離子共振效應(yīng)。同時碳材料有很高的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，長時間激光照射不會發(fā)生性能衰減。因此，被近紅外光激發(fā)的碳材料能產(chǎn)生明顯的熱效應(yīng)，使周圍的介質(zhì)溫度迅速升高。另一方面，碳納米材料基本上是紅外惰性的(irinactive)，可以大大降低紅外熱輻射損失(低的發(fā)射率ε)，是一類性能優(yōu)異、應(yīng)用前景廣闊的光熱轉(zhuǎn)換材料。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對光熱轉(zhuǎn)換納米材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究主要集中在光熱治療及熱成像等生物醫(yī)藥領(lǐng)域。光熱轉(zhuǎn)換納米材料通過吸收波長為700-1400nm的近紅外光產(chǎn)生熱效應(yīng)，而近紅外激光對生物組織的穿透能力非常強，并且穿透過程中光衰減特別小，在生物醫(yī)療上是一種重要的“生物窗口”，因此近紅外激光驅(qū)動的光熱治療技術(shù)研究相當(dāng)廣泛和深入，而光熱轉(zhuǎn)換納米材料和技術(shù)在太陽能利用領(lǐng)域的開發(fā)和應(yīng)用研究才剛剛起步。

常見的光熱轉(zhuǎn)化材料主要分為兩種，一種為含有金屬納米顆粒、碳材料及高分子材料等的納米流體，另一種為局部加熱的光熱轉(zhuǎn)化薄膜。與納米流體相比，光熱轉(zhuǎn)化薄膜可以將光照限制在薄膜層而不照射下層水體，從而減少了熱量由水體向環(huán)境中的耗散，提高了光熱轉(zhuǎn)化效率。然而，目前的光熱轉(zhuǎn)化薄膜多數(shù)直接放置在水面上，由于薄膜材料本身導(dǎo)熱率較高，仍然存在薄膜向下層水體傳熱的熱損情況發(fā)生，使光熱轉(zhuǎn)化效率無法突破這一瓶頸。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種三元復(fù)合的太陽能蒸汽產(chǎn)生裝置及其應(yīng)用，旨在一定程度上解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：一種三元復(fù)合的太陽能蒸汽產(chǎn)生裝置，其包括盛水容器、光熱轉(zhuǎn)化薄膜、隔熱板和輸水管道，所述盛水容器中裝有水，所述隔熱板整體位于水面上方或僅下部浸入水中，所述光熱轉(zhuǎn)化薄膜位于所述隔熱板的上方或覆蓋在所述隔熱板上部的外表面，所述輸水管道包括插入所述隔熱板的若干毛細(xì)管，所述毛細(xì)管的下端開口浸入水中，所述毛細(xì)的上端開口靠近或接觸所述光熱轉(zhuǎn)化薄膜。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。

具體的，所述盛水容器為上部敞口的玻璃容器或透明塑料容器。

具體的，所述光熱轉(zhuǎn)化薄膜為碳基光熱轉(zhuǎn)化薄膜。

具體的，所述碳基光熱轉(zhuǎn)化薄膜為還原氧化石墨烯基光熱轉(zhuǎn)化薄膜。

所述的還原氧化石墨烯基光熱轉(zhuǎn)化薄膜可通過如下方法制備：還原氧化石墨烯基光熱轉(zhuǎn)化薄膜通過如下方法制備得到：(1)還原氧化石墨烯的合成：將200mg氧化石墨烯和50mg抗壞血酸加入到200ml去離子水中，磁力攪拌10分鐘。將上述分散液置于微波反應(yīng)器中，200w，95℃反應(yīng)10分鐘。將生成液過濾干燥得到還原氧化石墨烯；(2)還原氧化石墨烯基光熱轉(zhuǎn)化薄膜的制備：將100mg定型濾紙加入到100ml溶劑中，在100℃溫度下磁力攪拌2小時，得到纖維素分散液。將60mg還原氧化石墨烯加入到纖維素分散液中，繼續(xù)攪拌0.5小時，真空抽濾得到重塑纖維膜，經(jīng)35℃真空干燥30分鐘得到還原氧化石墨烯基光熱轉(zhuǎn)化薄膜。

可以理解的是，除上述光熱轉(zhuǎn)化薄膜外，還可以為通過其它方法獲得的光熱轉(zhuǎn)化薄膜，均適用于本發(fā)明提供的裝置。

具體的，所述隔熱板由發(fā)泡隔熱材料制成。

優(yōu)選的，所述發(fā)泡隔熱材料為發(fā)泡聚乙烯、發(fā)泡聚氯乙烯、發(fā)泡聚丙烯和發(fā)泡聚苯乙烯中的一種或多種混合，所述隔熱板漂浮于水面上方且其周邊側(cè)壁與所述盛水容器的內(nèi)側(cè)壁抵接。除漂浮外，隔熱板可以通過與盛水容壁內(nèi)壁卡接或擱置在環(huán)狀擱板上(環(huán)狀擱板與容器內(nèi)壁固定連接)的方式整體位于水面上方。

具體的，所述毛細(xì)管為玻璃質(zhì)毛細(xì)管或塑料質(zhì)毛細(xì)管。

具體的，所述隔熱板的厚度為1.5-20cm。隔熱板為圓盤狀，厚度是指其平放時豎直方向的尺寸。

具體的，所述毛細(xì)管的內(nèi)徑為0.1-2mm，所述隔熱板上均勻豎直密集插入有所述毛細(xì)管。

本發(fā)明還提供了上述的三元復(fù)合太陽能蒸汽產(chǎn)生裝置的應(yīng)用，其應(yīng)用于太陽能發(fā)電、海水淡化或污水處理。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

提供了一種新型太陽能光熱轉(zhuǎn)化蒸汽產(chǎn)生裝置，其通過引入隔熱板和輸水管道(毛細(xì)管)，將高溫光熱轉(zhuǎn)化薄膜(約50℃)與低溫水體(約20℃)隔離，阻斷其熱傳導(dǎo)從而減少熱損，同時輸水裝置可自動為光熱轉(zhuǎn)化薄膜持續(xù)供水以汽化；在光熱轉(zhuǎn)化薄膜、隔熱板及輸水裝置三者協(xié)同作用下，太陽光被限制在薄膜表面用于光熱轉(zhuǎn)化并產(chǎn)生蒸汽，同時由光熱轉(zhuǎn)化薄膜向下方水體傳遞的熱量被有效抑制，光熱轉(zhuǎn)化生成的熱得到了有效的利用，實質(zhì)上等同于光熱轉(zhuǎn)化效率得到很大提高；該裝置結(jié)構(gòu)獨特而簡單，光熱轉(zhuǎn)化效率高，在太陽能發(fā)電、海水淡化和污水處理等領(lǐng)域具有較大商業(yè)價值和應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的三元復(fù)合的太陽能蒸汽產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實施例3至14中制備還原氧化石墨烯基光熱轉(zhuǎn)變薄膜時還原劑用量不同時得到的還原氧化石墨烯中碳/氧元素原子比的變化情況；

圖3為實施例3制備的還原氧化石墨烯基光熱轉(zhuǎn)變薄膜的掃描電子顯微鏡圖和原子力顯微鏡圖；

圖4為實施例3、6、10相應(yīng)的太陽能蒸汽產(chǎn)生裝置在照射光光強為1kw/m²下的質(zhì)量損失曲線；

圖5為實施例3、6、10相應(yīng)的太陽能蒸汽產(chǎn)生裝置在照射光光強為1kw/m²下的光熱轉(zhuǎn)化效率；

圖6為實施例3對應(yīng)的太陽能蒸汽產(chǎn)生裝置在照射光光強為1kw/m²下的紅外圖像。

附圖中，各標(biāo)號所代表的部件列表如下：

1.盛水容器；2.光熱轉(zhuǎn)化薄膜；3.隔熱板；4.毛細(xì)管。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

實施例1

如圖1所示，本發(fā)明提供一種三元復(fù)合的太陽能蒸汽產(chǎn)生裝置，其包括盛水容器1、光熱轉(zhuǎn)化薄膜2、隔熱板3和輸水管道，所述盛水容器1中裝有水，所述隔熱板3僅下部浸入水中，上部位于水面上方，所述光熱轉(zhuǎn)化薄膜2覆蓋在所述隔熱板3上部的上表面，所述輸水管道包括插入所述隔熱板3的均勻密集的毛細(xì)管4，所述毛細(xì)管4的下端開口浸入水中，所述毛細(xì)的上端開口靠近或接觸所述光熱轉(zhuǎn)化薄膜2。

具體的，所述盛水容器1為上部敞口的玻璃容器，所述光熱轉(zhuǎn)化薄膜2為還原氧化石墨烯基光熱轉(zhuǎn)化薄膜，所述隔熱板3由發(fā)泡聚乙烯、發(fā)泡聚氯乙烯、發(fā)泡聚丙烯或發(fā)泡聚苯乙烯制成，所述隔熱板3漂浮于水面上方且其周邊側(cè)壁與所述盛水容器1的內(nèi)側(cè)壁抵接比如所述隔熱板呈圓柱體狀，圓柱體狀隔熱板的高度為3-20cm，所述盛水容器為燒杯，所述毛細(xì)管4為玻璃質(zhì)毛細(xì)管且其內(nèi)徑為0.1-2mm。

實施例2

如圖1所示，本發(fā)明提供一種三元復(fù)合的太陽能蒸汽產(chǎn)生裝置，其包括盛水容器1、光熱轉(zhuǎn)化薄膜2、隔熱板3和輸水管道，所述盛水容器1中裝有水，所述隔熱板3整體位于水面上方下表面與水面隔開，所述光熱轉(zhuǎn)化薄膜2位于隔熱板3上方隔熱板與光熱轉(zhuǎn)化薄膜不接觸，所述輸水管道包括插入所述隔熱板3的均勻密集的毛細(xì)管4，所述毛細(xì)管4的下端開口浸入水中，所述毛細(xì)的上端開口靠近或接觸所述光熱轉(zhuǎn)化薄膜2。上述結(jié)構(gòu)中，隔熱板3及光熱轉(zhuǎn)化薄膜2通過本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到的任何方法進(jìn)行固定，比如通過與盛水容器內(nèi)壁粘接或卡接的方式，或在盛水容器內(nèi)壁上設(shè)置用于放置所述隔熱板或光熱轉(zhuǎn)化薄膜的環(huán)狀擱板等。

具體的，所述盛水容器1為上部敞口的透明塑料容器，所述光熱轉(zhuǎn)化薄膜2為還原氧化石墨烯基光熱轉(zhuǎn)化薄膜，所述隔熱板3由發(fā)泡聚乙烯、發(fā)泡聚氯乙烯、發(fā)泡聚丙烯或發(fā)泡聚苯乙烯制成。

實施例3

與實施例1基本相同，更具體的：玻璃容器為燒杯，隔熱板為圓柱體且其直徑與燒杯的內(nèi)徑相同，隔熱板的直徑為40mm、高度為15mm，毛細(xì)管長度為30mm、內(nèi)徑為0.5mm，其中還原氧化石墨烯基光熱轉(zhuǎn)化薄膜通過如下方法制備得到：

(1)還原氧化石墨烯的合成：將200mg氧化石墨烯和50mg抗壞血酸加入到200ml去離子水中，磁力攪拌10分鐘。將上述分散液置于微波反應(yīng)器中，200w，95℃反應(yīng)10分鐘。將生成液過濾干燥得到還原氧化石墨烯。

(2)還原氧化石墨烯基光熱轉(zhuǎn)化薄膜的制備：將100mg定型濾紙加入到100ml溶劑中，在100℃溫度下磁力攪拌2小時，得到纖維素分散液。將60mg還原氧化石墨烯加入到纖維素分散液中，繼續(xù)攪拌0.5小時，真空抽濾得到重塑纖維膜，經(jīng)35℃真空干燥30分鐘得到還原氧化石墨烯基光熱轉(zhuǎn)化薄膜。

將制得的還原氧化石墨烯粉末通過eds能譜儀測試其碳/氧元素含量比，如圖2所以，從結(jié)果可以看出，氧化石墨烯與抗壞血酸比例為4：1時，碳/氧原子個數(shù)比約為3.93。

圖3為實施例3得到的還原氧化石墨烯基光熱轉(zhuǎn)化薄膜在掃描電子顯微鏡(sem)和原子力顯微鏡(afm)觀察下的形貌特征，在還原氧化石墨烯堆積到膜的一側(cè)，形成密集層(圖3中a和b)，膜的另一側(cè)為多孔結(jié)構(gòu)(圖3中d和e)。在原子力顯微鏡觀察下，還原氧化石墨烯堆積層一側(cè)的相對粗糙度為0.413微米(圖3中c)，而具有多孔結(jié)構(gòu)的一側(cè)的相對粗糙度為2.248微米(圖3中f)。造成纖維素基光熱轉(zhuǎn)化薄膜兩面不同結(jié)構(gòu)的主要原因是，氧化石墨烯與纖維素之間通過范德華力(弱的電性吸引力)結(jié)合，在抽濾過程中，受吸力影響，部分氧化石墨烯從纖維上脫落并且沉積到膜的一側(cè)形成“密集層”，另一側(cè)的纖維由于被較少氧化石墨烯包裹而形成“多孔層”，從而形成了光熱轉(zhuǎn)化薄膜的兩面性。同時，“多孔層”由于其含有無數(shù)微觀開孔而具有較好的吸水性，可以吸收輸水裝置提供的常溫水，并輸送至“密集層”，后者在光照條件下，因其含有致密的光熱轉(zhuǎn)化層而具有優(yōu)秀的光熱轉(zhuǎn)化效率，從而實現(xiàn)太陽能驅(qū)動下的常溫水汽化過程。

實施例4

按實施例1的制備步驟和反應(yīng)過程，只是將抗壞血酸用量改為100mg，制得還原氧化石墨烯。將制得的還原氧化石墨烯粉末通過eds能譜儀測試其碳/氧元素含量比，如圖2所以，從結(jié)果可以看出，氧化石墨烯與抗壞血酸比例為2：1時，碳/氧原子個數(shù)比約為5.16。

實施例5

按實施例1的制備步驟和反應(yīng)過程，只是將抗壞血酸用量改為150mg，制得還原氧化石墨烯。將制得的還原氧化石墨烯粉末通過eds能譜儀測試其碳/氧元素含量比，如圖2所以，從結(jié)果可以看出，氧化石墨烯與抗壞血酸比例為4：3時，碳/氧原子個數(shù)比約為5.70。

實施例6

按實施例1的制備步驟和反應(yīng)過程，只是將抗壞血酸用量改為200mg，制得還原氧化石墨烯。將制得的還原氧化石墨烯粉末通過eds能譜儀測試其碳/氧元素含量比，如圖2所以，從結(jié)果可以看出，氧化石墨烯與抗壞血酸比例為1：1時，碳/氧原子個數(shù)比約為6.84。

實施例7

按實施例1的制備步驟和反應(yīng)過程，只是將抗壞血酸用量改為250mg，制得還原氧化石墨烯。將制得的還原氧化石墨烯粉末通過eds能譜儀測試其碳/氧元素含量比，如圖2所以，從結(jié)果可以看出，氧化石墨烯與抗壞血酸比例為4：5時，碳/氧原子個數(shù)比約為7.54。

實施例8

按實施例1的制備步驟和反應(yīng)過程，只是將抗壞血酸用量改為300mg，制得還原氧化石墨烯。將制得的還原氧化石墨烯粉末通過eds能譜儀測試其碳/氧元素含量比，如圖2所以，從結(jié)果可以看出，氧化石墨烯與抗壞血酸比例為2：3時，碳/氧原子個數(shù)比約為8.66。

實施例9

按實施例1的制備步驟和反應(yīng)過程，只是將抗壞血酸用量改為350mg，制得還原氧化石墨烯。將制得的還原氧化石墨烯粉末通過eds能譜儀測試其碳/氧元素含量比，如圖2所以，從結(jié)果可以看出，氧化石墨烯與抗壞血酸比例為4：7時，碳/氧原子個數(shù)比約為9.80。

實施例10

按實施例1的制備步驟和反應(yīng)過程，只是將抗壞血酸用量改為400mg，制得還原氧化石墨烯。將制得的還原氧化石墨烯粉末通過eds能譜儀測試其碳/氧元素含量比，如圖2所以，從結(jié)果可以看出，氧化石墨烯與抗壞血酸比例為1：2時，碳/氧原子個數(shù)比約為10.14。

實施例11

按實施例1的制備步驟和反應(yīng)過程，只是將抗壞血酸用量改為450mg，制得還原氧化石墨烯。將制得的還原氧化石墨烯粉末通過eds能譜儀測試其碳/氧元素含量比，如圖2所以，從結(jié)果可以看出，氧化石墨烯與抗壞血酸比例為4：9時，碳/氧原子個數(shù)比約為10.17。

實施例12

按實施例1的制備步驟和反應(yīng)過程，只是將抗壞血酸用量改為500mg，制得還原氧化石墨烯。將制得的還原氧化石墨烯粉末通過eds能譜儀測試其碳/氧元素含量比，如圖2所以，從結(jié)果可以看出，氧化石墨烯與抗壞血酸比例為2：5時，碳/氧原子個數(shù)比約為10.26。

實施例13

按實施例1的制備步驟和反應(yīng)過程，只是將抗壞血酸用量改為550mg，制得還原氧化石墨烯。將制得的還原氧化石墨烯粉末通過eds能譜儀測試其碳/氧元素含量比，如圖2所以，從結(jié)果可以看出，氧化石墨烯與抗壞血酸比例為4：11時，碳/氧原子個數(shù)比約為10.51。

實施例14

按實施例1的制備步驟和反應(yīng)過程，只是將抗壞血酸用量改為600mg，制得還原氧化石墨烯。將制得的還原氧化石墨烯粉末通過eds能譜儀測試其碳/氧元素含量比，如圖2所以，從結(jié)果可以看出，氧化石墨烯與抗壞血酸比例為1：3時，碳/氧原子個數(shù)比約為11.08。

由圖2可以看出，控制氧化石墨烯用量一定的情況下，還原氧化石墨烯的還原程度(碳元素含量比重)隨著抗壞血酸用量增加而提高。但是當(dāng)抗壞血酸用量為氧化石墨烯用量的兩倍時，達(dá)到還原極限，此時碳/氧元素原子個數(shù)比維持在10.2左右。

以實施例3、6、10得到的三元復(fù)合的太陽能蒸汽產(chǎn)生裝置為測試對象，以1kw/m²氙燈照射所述太陽能蒸汽產(chǎn)生裝置以模擬太陽光照射下其汽化效率，測試時將含有200ml去離子水的燒杯置于可實時記錄質(zhì)量數(shù)據(jù)的電子天平上，在光強為1kw/m²的氙燈照射下，測試3000秒內(nèi)的質(zhì)量變化，繪制質(zhì)量變化曲線，測試結(jié)果如圖4所示，從圖中可見，3000s時間的照射下實施例3、6、10相應(yīng)的太陽能蒸汽產(chǎn)生裝置的汽化量依次為0.765kg/m²、0.836kg/m²、0.931kg/m²，為同等情況下直接照射純水時汽化率的25倍以上；此外，若將實施例3制得的還原氧化石墨烯光熱轉(zhuǎn)化薄膜直接置于水面上，同等情況下3000s時間照射后其汽化量約為0.481kg/m²，僅為實施例3相應(yīng)汽化量的62.88％，即本發(fā)明因有隔熱板的存在光熱轉(zhuǎn)化薄膜與杯中水基本隔開，產(chǎn)熱基本不向杯中水?dāng)U散，故其汽化效率更高；進(jìn)一步的，經(jīng)過實施例3、6、10的汽化量變化可知，隨著相應(yīng)的還原氧化石墨烯還原度的增加，對應(yīng)的太陽能蒸汽產(chǎn)生裝置的光熱轉(zhuǎn)化效率(光熱轉(zhuǎn)化效率由蒸發(fā)損失的水變?yōu)槠盏哪芰亢拖牡碾娔苓M(jìn)行計算得到)也有明顯提升，如圖5所示，由74.1％提升至90.2％。

此外，為了反映本發(fā)明提供的三元復(fù)合太陽能蒸汽產(chǎn)生裝置的工作性能，使用紅外熱成像儀拍攝了該裝置在不同照射時間下的紅外圖像，結(jié)果如圖6所示。氙燈(1kw/m²)照射之前，光熱轉(zhuǎn)化薄膜的溫度約為20.3℃，隔熱板的溫度約為18.1℃。照射1分鐘之后，光熱轉(zhuǎn)化薄膜的溫度約為33.5℃，隔熱板的溫度約為22.5℃。照射40分鐘之后，光熱轉(zhuǎn)化薄膜的溫度約為38.0℃，隔熱板的溫度約為22.7℃。照射90分鐘之后，光熱轉(zhuǎn)化薄膜的溫度約為39.5℃，板的溫度約為24.9℃。由此可見，在照射1分鐘之內(nèi)，光熱轉(zhuǎn)化薄膜迅速升溫進(jìn)入工作狀態(tài)，而隔熱板在照射90分鐘之后仍然保持在25℃左右，有效的隔絕了高溫薄膜向低溫水體的散熱，提高了光能利用率。由此可見，該裝置具有卓越的光熱轉(zhuǎn)化性能。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。