一种基于石墨烯/多孔铜复合材料的海水淡化装置及方法与流程

本发明专利属于太阳能热利用领域，涉及一种利用太阳能进行海水淡化的装置及方法，具体涉及一种基于石墨烯/多孔铜复合材料的海水淡化装置及方法。

背景技术：

随着可饮用淡水资源的日益匮乏，占地球表面积70%多的海水资源的处理和应用越来越受到人们的重视。太阳能海水淡化技术对解决海岛淡水资源短缺、偏远且电力资源不可到达的缺水地区的苦咸水淡化具有重要意义。目前研制的太阳能蒸馏装置普遍存在运行温度低、产水量不高、太阳能利用效率较低及设备投资较高等弊端，因此在现有太阳能蒸馏技术的基础上进行深入的研究和新型开发是很有必要的。目前各种类型的太阳能海水淡化装置普遍属于在结构上对装置进行改进而很少有从吸热材料上做出深入研究的，所以本装置以此为切入点，发明了一种基于石墨烯/多孔铜复合材料的海水淡化装置及方法。

技术实现要素：

本发明提供一种太阳能海水淡化装置，该装置中蒸馏器所占空间小，使用方便、运行可靠且制造简单；采用新型三维石墨烯/多孔铜复合材料来增加底板对太阳辐射能的吸收，还可以防止底板腐蚀；蒸发获得的淡水通过软管导流直接收集，可以实现即用即取。

本发明通过以下技术方案实现。

本发明一种基于石墨烯/多孔铜复合材料的海水淡化装置，包括锥形盖板、腔体、复合底板、集水凹槽和储水器，所述复合底板为一种三维石墨烯/多孔铜复合材料的光热转化材料。

本发明一种基于石墨烯/多孔铜复合材料的海水淡化装置，所述锥形盖板选用四块透光度较好的等腰三角形有机玻璃板，厚度3-5mm，组合成锥形金字塔结构；所述腔体四壁同样采用有机玻璃板，厚度8-10mm。

本发明一种基于石墨烯/多孔铜复合材料的海水淡化装置，所述集水凹槽位于锥形盖板和腔体四壁接合处，并在一侧开口将淡水由软管引出至储水器中；所述复合底板表面高于水平面约2-5mm。

本发明一种基于石墨烯/多孔铜复合材料的海水淡化装置，所述三维石墨烯/多孔铜复合材料以多孔泡沫铜为主板，采用涂刷浸渍法在其孔道表面涂覆石墨烯防水复合涂料，得到三维石墨烯/多孔铜复合底板；所述涂覆在多孔铜表面的石墨烯防腐涂料可防止底板腐蚀。

本发明一种基于石墨烯/多孔铜复合材料的海水淡化装置，接受光照时，太阳辐射透过顶部盖板，待处理海水借助三维石墨烯/多孔铜复合底板吸收太阳辐射蒸发为水蒸气，遇低温盖板冷凝汇聚于集水凹槽中，再由软管导出至储水器。

本发明一种基于石墨烯/多孔铜复合材料的海水淡化装置，所述三维石墨烯/多孔铜复合底板的高孔隙率特征有效防止底层海水强制对流导致热量损失的同时向上补充海水，与流体达到逆向换热效果；所述三维石墨烯/多孔铜复合材料具有高比表面积特性，换热面积大，在短时间内交换大量热量。

本发明的有益效果如下。

1、蒸馏装置顶部为倾斜的四棱锥型，具有较高的采光面积和冷凝面积，有利于提高装置的蒸发效果。

2、基于三维石墨烯/多孔铜复合材料的底板为三维多孔海绵状结构，具有极大的接触面积，与传统单一面积的吸热材料而言，换热面积更大，海水升温蒸发效率更高。

3、装置使用时可直接置于海水当中或置入盛装有海水的容器内，三维结构多孔铜起到抑制海水强制对流的作用，减少热惯性带来的热量损失，可以使得位于多孔铜内的海水受蒸汽压和大气压强的作用而向上流动；从上而下的复合底板导热和自下而上的流体运动形成逆向换热，提高换热效率，加速海水蒸发。

4、采用的三维石墨烯/多孔铜复合材料环保高效，石墨烯防水复合涂料不仅具有高光热转换效率，而且能有效防止底板腐蚀。

附图说明

图1为本实施例中的基于石墨烯/多孔铜复合材料的海水淡化装置的总体结构示意图。图中①锥形盖板、②腔体、③复合底板、④集水凹槽、⑤储水器。

具体实施方式

为了让本发明的上述特征和优势更易理解，以下结合附图1对本发明做进一步说明。

(1)整个装置悬浮在待处理海水液中，装置底板充分吸收待处理海水，当太阳光照射顶部①锥形盖板时，小部分太阳辐射被盖板吸收或反射回去，大部分透过盖板投射在装置底部的基于三维石墨烯/多孔铜复合材料的光热转换③复合底板上，由于太阳光携带大量能量，被装置底板所吸收并转化为热能，加热②腔体内待蒸馏海水，海水受热蒸发为水蒸气与②腔体内空气一起对流从底部向上运动。

(2)由于装置顶部①锥形盖板吸收的太阳光能较少且直接向周围散热，所以温度低于②腔体内海水的温度，水蒸气遇冷的盖板并在其表面凝结水珠，顺倾斜板壁流进位于①锥形盖板和②腔体四壁接合处的④集水凹槽中，汇集的净水从④集水凹槽端部一小孔流出反应室后，由橡胶软管导出至另一侧的⑤储水器中储存待用。水中的盐分、细菌等污染物不会随水蒸发，获得净化程度高的淡水。

(3)三维结构的多孔③复合底板孔隙率高，孔径小(约为5mm)，能够很好的减小位于下层的海水波动所引起的强制对流影响减少热量散失。当底板上层海水不断被蒸发冷凝，受蒸汽压作用及大气压强作用，底板下层海水会自动补充并在孔隙中形成自下而上的缓慢运动，上方海水蒸发速率越快，下方海水的吸收能力越强。同时，复合底板所吸收的热量是从上而下进行传导，在材料内部形成一个梯度导热的现象，与向上的海水形成逆向热交换，最大程度上加热海水而不使热量散失。在短时间将热量传递给充盈其孔隙中及位于底板上层的海水，提高海水的升温蒸发效率。

具体参数

①锥形盖板：是由四块等腰三角形的玻璃盖板（三角形腰长皆为23cm，其中两块底边为20.3cm；另两块底边为21.6cm）拼成的四棱锥型，且四棱锥底面与水平面有一定的倾斜角，使得位于集水凹槽中的凝结淡水会沿着水槽向低处汇聚，最终流出小孔。②腔体四壁玻璃：两块上底为10cm，下底为13.5cm，高为20cm的梯形，一块长为21.6cm，高为13.5cm的矩形，一块长为21.6cm，高为10cm的矩形，厚度为8mm。③复合底板：尺寸为20cm×20cm×2cm，孔径约为5mm。④集水凹槽：内径为4mm，选用一根外径为6mm的长软管，连接集水凹槽开口处的小孔。

技术特征：

技术总结
本发明公开一种基于石墨烯/多孔铜复合材料的海水淡化装置及方法，包括锥形盖板、腔体、复合底板、集水凹槽和储水器，所述复合底板为一种三维石墨烯/多孔铜复合材料的光热转化材料。本发明所述海水淡化方法是：接受光照时，太阳辐射透过顶部盖板，待处理海水借助三维石墨烯/多孔铜复合底板吸收太阳辐射蒸发为水蒸气，遇低温盖板冷凝汇聚于集水凹槽中，再由软管导出至储水器；所述三维石墨烯/多孔铜复合底板的多孔隙特征有效防止底层海水强制对流导致热量损失的同时向上补充海水，与流体达到逆向换热效果。本发明通过研制新型高效光热转化材料，强化传热的同时提高太阳辐射利用率，进一步增强海水的蒸发速率，降低单位淡水能耗。

技术研发人员：李传常;谢宝珊;陈荐
受保护的技术使用者：长沙理工大学
技术研发日：2018.07.05
技术公布日：2018.11.20