一种太阳能界面蒸发器及其制作方法

1.本发明涉及海水淡化技术领域，特别涉及一种太阳能界面蒸发器及其制作方法。


背景技术：

2.可饮用的淡水作为人类赖以生存的自然资源正在面临严重短缺问题，海水淡化正在成为获取淡水的重要途径。目前太阳能蒸发海水淡化作为直接利用太阳能得到蒸馏净水的技术，正在逐渐得到广泛关注。
3.现有的太阳能界面蒸发器的输水结构大多是由多孔介质(如纸张、无纺布和泡沫)和有孔毛细通道(如木材、气凝胶和水凝胶)构成，此类输水结构在海水淡化的过程中会形成盐晶堆积，盐晶堆积会进一步造成输水通道的堵塞，尽管研究人员对输水结构的合理调控提出了多种方案，但由于结构和输水特性方面的局限性，导致现有的太阳能界面蒸发器仍会在长期的海水淡化中出现盐晶堆积和输水通道堵塞等问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种太阳能界面蒸发器及其制作方法，旨在解决现有技术在长期的海水淡化中出现盐晶堆积和输水通道堵塞等问题。
5.本发明实施例提供一种蒸发器，包括：
6.支架，所述支架设置为中空圆台形，所述支架的外壁面沿从顶端到底端的方向设有多个开流槽，所述支架的外壁面涂覆有亲水涂层。
7.进一步的，所述支架材质为热塑性塑料。
8.进一步的，所述热塑性塑料为聚乳酸、聚酰胺、聚碳酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、丙烯酸酯类橡胶体与丙烯腈和苯乙烯的接枝共聚物，或聚对苯二甲酸乙二醇酯-1，4-环己烷二甲醇酯。
9.进一步的，所述开流槽为v型槽、u型槽或凹型槽。
10.进一步的，所述亲水涂层材质为聚吡咯。
11.进一步的，所述支架的顶端直径小于底端直径。
12.进一步的，所述多个开流槽沿所述支架的外壁面阵列分布。
13.本发明实施例还提供一种蒸发器制作方法，包括：
14.通过3d打印机制作出带有开流槽的中空圆台形的支架；
15.通过喷涂法在所述支架的外壁面上涂覆亲水涂层，得到所述蒸发器。
16.进一步的，所述通过3d打印机制作出带有开流槽的中空圆台形支架包括：
17.使用3d建模软件构建所述中空圆台形的支架的3d模型；
18.将所述3d模型的模板库文件导入切片软件进行切片处理；
19.设置打印参数并生成3d打印机可读的代码文件；
20.将所述代码文件发送给3d打印机并通过3d打印机制作出所述支架。
21.进一步的，所述通过喷涂法在所述支架的外壁面上涂覆亲水涂层包括：
22.将过硫酸铵溶解在去离子水中，标记为溶液a并将所述溶液a储存在第一喷雾瓶中；
23.将吡咯和植酸加入到异丙醇中，标记为溶液b并将所述溶液b储存在第二喷雾瓶中；
24.先使用去离子水超声清洗所述支架，再对所述支架进行等离子体清洗；
25.先在所述支架的外壁面喷涂溶液b，再喷涂溶液a，多次重复，得到待处理涂层；
26.使用去离子水和乙醇反复洗涤去除所述待处理涂层上未反应的有机残留物和无机盐，得到亲水涂层。
27.本发明实施例提供了一种太阳能界面蒸发器及其制作方法，该太阳能界面蒸发器包括：支架，所述支架设置为中空圆台形，所述支架的外壁面沿从顶端到底端的方向设有多个开流槽，所述支架的外壁面涂覆有亲水涂层。本发明通过在支架的外壁面沿从顶端到底端的方向设置多个开流槽以及在支架的外壁面涂覆亲水涂层，实现快速定向的输水性能，快速定向的输水能力可将盐分运移到特定区域，实现局部盐结晶，同时开流槽具有天然的防堵特性，能够有效避免长期淡化引起的盐晶堵塞问题，且开流槽具有较大的水-空气界面，在“热局域”的界面蒸发过程中可有效提升蒸发速度。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本实施例的蒸发器的结构示意图；
30.图2为凹型开流槽的结构示意图；
31.图3为u型开流槽的结构示意图；
32.图4为v型开流槽的结构示意图；
33.图5为本实施例的蒸发器制作方法的流程示意图；
34.附图标记说明如下：
35.1、支架；2、外壁面；3、顶端；4、底端；5、开流槽。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
37.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
38.还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
39.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
40.请参阅图1，本发明提供了一种蒸发器，包括：支架1，支架1设置为中空圆台形，支架1的外壁面2沿从顶端3到底端4的方向设有多个开流槽5，支架1的外壁面2涂覆有亲水涂层。
41.本实施例的蒸发器的工作原理为：当蒸发器的底部放置在水中时，由于开流槽5是开放的毛细管道以及其上涂覆有亲水涂层，水在毛细效应的作用下快速定向地向蒸发器的顶部流动，接着利用太阳能不断地蒸发外壁面2上的水，同时外壁面2不断地输水补给，由此水分蒸发与输水补给之间保持平衡。
42.其中，本实施例的蒸发器设置为中空圆台形可以将部分反射光回收，提高光的利用效果，同时随着时间推移，太阳光的入射角度发生变化，从而影响光的利用率，本实施例的中空圆台设计还可以消除入射光角度变化带来的影响。
43.同时，本实施例的开流槽5是开放的毛细管道设计，增加了水-空气界面，促进蒸发，且支架1的中空圆台设计和在外壁面2开设开流槽5增大了实际的蒸发面积，有利于进一步地提高蒸发性能。
44.进一步的，支架1材质可选用热塑性塑料。
45.本实施例支架1材质采用热塑性塑料是为了能够实现对蒸发器支架1的3d打印制作，实现蒸发器的规格化制作。
46.进一步的，支架1的材质可选用聚乳酸(pla)、聚酰胺(pa)、聚碳酸酯(pc)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(abs)、丙烯酸酯类橡胶体与丙烯腈和苯乙烯的接枝共聚物(asa)，或聚对苯二甲酸乙二醇酯-1，4-环己烷二甲醇酯(petg)。
47.其中，上述材质均具有疏水性，加上支架1底端4未涂覆亲水涂层和支架1是中空圆盘形设计等特点，使得蒸发器具有稳定的自漂浮特性，这种稳定的自漂浮特性对于实现高效的“热局域”界面蒸发过程也十分重要，因为其保证了主要的蒸发区域(外壁面2)始终保持在水面上方，同时支架1底端4的疏水特性会形成一层空气层，降低热传导损失。
48.请参阅图2-4，下面对开流槽5的结构进行具体说明：
49.当流体在开放毛细通道发生毛细现象时，流槽内角的存在会使流动前沿发生改变，这种改变可能会对毛细性能产生影响，因此本实施例的开流槽5可设计为单内角的v型槽、无内角的u型槽或双内角的凹型槽。
50.其中，在开放毛细通道中，沟槽内角的存在会增加流动前沿的表面局部曲率以满足接触角湿润条件，从而获得更强的毛细效应，但是v型槽与u型槽、凹型槽相比，v型槽较小的槽道截面导致更小的持液量，因此在相同条件下具有更高的毛细上升高度，所以v型槽、u型槽和凹型槽的毛细性能按从小到大排布依次是u型槽、凹型槽以及v型槽。
51.在一个实施例中，开流槽5的深度、宽度和槽数分别设置为1500um、1450um和8个，其中v型槽的开口角度为60
°
。
52.进一步的，亲水涂层材质为聚吡咯(ppy)，聚吡咯涂层的微纳结构能够提高支架1表面的粗糙度，从而增强支架1表面的润湿性。
53.进一步的，支架1的顶端3直径小于底端4直径，支架1的顶端3直径小于底端4直径使得支架1能够稳定放置在水面上，且能够较好地利用太阳能。
54.进一步的，多个开流槽5沿支架1的外壁面2阵列分布。
55.在一个实施例中，多个开流槽5沿支架1的外壁面2阵列分布，阵列的水平倾角设置为55
°
。
56.请参阅图5，本实施例还提供了一种蒸发器制作方法，包括：
57.s501：通过3d打印机制作出带有开流槽的中空圆台形的支架；
58.具体的，先使用3d建模软件构建中空圆台形的支架1的3d模型；再将3d模型的模板库文件导入切片软件进行切片处理；接着设置打印参数并生成3d打印机可读的代码文件；然后将代码文件发送给3d打印机并通过3d打印机制作出支架。
59.其中，3d建模软件可以选用c4d、3ds max、maya、alias、rhino、solid works、ug、proe、catia或sketchup，切片软件可以选用cura、simplify3d等，3d打印机可以选用熔融沉积型3d打印机(fdm)、立体平板印刷型3d打印机(sla)等3d打印机。
60.优选的，3d打印机选用熔融沉积型3d打印机，熔融沉积型3d打印机的精度和分辨率较低，但其生产原型结构和功能部件也是最经济的，且本实施例的3d中空圆台型太阳能蒸发器结构简单，所以不存在精度和分辨率方面的限制。
61.在一个实施例中，使用3d建模软件构建中空圆台形的支架1的3d模型；再将3d模型的模板库(stl)文件导入切片软件进行切片处理；接着设置打印参数并生成3d打印机可读的gcode代码文件；然后将代码文件发送给3d打印机并通过3d打印机制作出支架。
62.其中，打印过程的参数设置为：打印材料为直径1.75mm的pla线材、喷嘴直径为0.4mm、打印层厚0.1mm、喷头移动速度为50mm/s、喷嘴和床层温度分别设定为195℃和60℃。
63.s502：通过喷涂法在所述支架的外壁面上涂覆亲水涂层，得到所述蒸发器。
64.具体的，将过硫酸铵溶解在去离子水中，标记为溶液a并将溶液a储存在第一喷雾瓶中；再将聚吡咯和植酸加入到异丙醇中，标记为溶液b并将溶液b储存在第二喷雾瓶中；接着使用去离子水超声清洗支架，又对支架进行等离子体清洗；然后在支架的外壁面喷涂溶液b，再喷涂溶液a，多次重复，得到待处理涂层；再接着使用去离子水和乙醇反复洗涤去除待处理涂层上未反应的有机残留物和无机盐，得到亲水涂层。
65.在一个实施例中，将2.74g过硫酸铵(aps)溶解在5ml去离子水中，标记为溶液a，并将其储存在第一喷雾瓶中；然后将0.84ml吡咯(py)和1.84ml植酸加入到5ml的异丙醇(ipa)中，混合均匀，得到溶液b并将其储存在第二喷雾瓶中；为了提高涂层质量，喷涂前需要先用去离子水超声清洗支架，然后再对支架进行5分钟等离子体清洗；喷涂时，先喷涂溶液b，再喷涂溶液a，重复多次，即可得到均匀的黑色涂层(即待处理涂层)；待聚合完成后，用去离子水和乙醇反复洗涤去除未反应的有机残留物和无机盐，得到亲水涂层；最后，将涂覆有亲水涂层的支架放置在45℃的环境中干燥保存，得到蒸发器。
66.说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
67.还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将
一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的。
68.包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。