一种太阳能蒸发器件及其制备方法和应用

本发明属于污水处理，具体涉及一种太阳能蒸发器件及其制备方法和应用。

背景技术：

1、染料污水的处理有多种方法，常用的有膜分离法、萃取法、辐射法、氧化法、生物法、吸附法。其中，膜分离法和吸附法需要较大的分离成本，比如膜分离法需要较大的动力来推动染料污水的过滤；萃取法的设备维护需要大量的人力物力；辐射法需要大量的能量来进行集中光强的产生从而来分解染料；氧化法需要大量的化学用品，对环境造成破坏；生物法所需要的微生物同样地需要大量的成本；吸附法所用到的材料也是需要大量的成本同时并不能够反复利用。因此，急需一种低成本、生产便捷、可以反复利用的方法来处理染料污水。

2、利用太阳能蒸发器件进行海水淡化和污水处理是近几年的研究热点之一。该技术的工作原理是：采用亲水多孔材料作为水传输层，在基材上表面负载碳基材料、半导体材料、贵金属材料等作为吸光层。在太阳光照射下，吸光层吸收太阳光并将太阳能转换为热能，提高太阳能蒸发器件表面的温度，加快表面水分的蒸发，同时水传输层持续地传输下部的水，完成海水淡化和污水处理。收集表面的水蒸汽、冷凝后便可得到干净的水。利用太阳能蒸发器件的处理技术具有绿色环保、节能等多种优势，可用于淡水的制备，在海水淡化、染料污水处理和油水分离等领域都具有潜在的应用价值。

技术实现思路

1、为了解决现有技术染料污水处理过程中能量消耗较大、长期稳定性差的问题，本发明的目的在于一种太阳能蒸发器件及其制备方法和应用。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种太阳能蒸发器件，包括聚乙烯醇凝胶块体以及形成于其上表面的光吸收层，所述光吸收层为光热材料和光催化材料的均匀混合物；所述聚乙烯醇凝胶块体的厚度为1-2 cm，光吸收层的厚度为50-300 μm。

4、较好地，所述光热材料为碳纳米管，所述光催化材料为g-c3n4@tio2异质结。本发明中，g-c3n4@tio2异质结可以按现有技术制备获得。

5、较好地，所述聚乙烯醇凝胶块体的厚度为1.5 cm，光吸收层的厚度为100 μm。

6、较好地，所述聚乙烯醇凝胶块体为规则形块体。

7、较好地，所述聚乙烯醇凝胶块体的形状为圆柱体、长方体或正方体。

8、所述的太阳能蒸发器件的制备方法，步骤如下：

9、（1）、配制聚乙烯醇溶液，并在其中加入戊二醛溶液，分散均匀之后，加入光热材料、光催化材料，随后再加入稀盐酸，混合均匀；

10、（2）、将步骤（1）所得溶液置于模具器皿中，室温下自然凝胶化；

11、（3）、将步骤（2）所得凝胶从模具器皿中取出，水洗干净；

12、（4）、将步骤（3）所得凝胶进行液氮冷冻，然后冷冻干燥，得到凝胶块体即为太阳能蒸发器件；

13、其中，聚乙烯醇溶液的浓度为6-8 wt%，戊二醛溶液的浓度为40-60 wt%，稀盐酸的浓度为0.5-2 m；原料配比为聚乙烯醇溶液∶戊二醛溶液∶光热材料∶光催化材料∶稀盐酸=15ml∶（142~200）μl∶（25~50）mg∶（3~30）mg∶（750~2000）μl。

14、所述的太阳能蒸发器件在染料污水处理中的应用。

15、较好地，染料污水中染料的浓度为0.02-2 mg/ml。

16、本发明在使用时，在染料污水上放置太阳能蒸发器件（光吸收层在上、聚乙烯醇块体在下），在太阳光照射条件下，器件表面产生大量水蒸汽，收集水蒸气冷凝后的液滴得到染料污水处理产物；同时，表面残留的染料分子被降解为水和二氧化碳。

17、本发明以具有较好亲水性的聚乙烯醇凝胶块体为水传输材料，在此块体中有大量微米级的孔隙，有利于水的传输；同时上表面的光吸收层包含光热材料和光催化材料，一方面进行光吸收产生蒸汽所需热量，另一方面进行光催化降解表面的染料，从而形成一个长期稳定处理高浓度染料污水的太阳能蒸发器件。

18、有益效果：

19、（1）、太阳能蒸发器件利用染料和水的沸点差异将染料和水分离，分离效率高，对高浓度染料污水分离效果可以达到100%；

20、（2）、以太阳能为能源，经太阳光照射将浸润到太阳能蒸发器件中的水分蒸发，冷凝收集水蒸汽实现染料污水处理，节能环保；

21、（3）、在进行染料污水处理的同时还可以降解太阳能蒸发器件表面的染料，赋予了太阳能蒸发器件的长期稳定性；

22、（4）、本发明太阳能蒸发器件能处理的染料污水浓度高；

23、（5）、本发明将光热材料、光催化材料和聚乙烯醇溶液一起凝胶化，在逐渐凝胶化过程中，光热材料、光催化材料因为不溶于水，而沉于模具器皿底部，待形成凝胶后，光热材料、光催化材料正好位于聚乙烯醇凝胶块体底部（使用时，倒置过来即可），因此，本发明所得太阳能蒸发器件中，光吸收层和聚乙烯醇凝胶块体之间没有明显的结合界面，从而具有良好的机械性能、经久耐用。

技术特征：

1.一种太阳能蒸发器件，其特征在于：包括聚乙烯醇凝胶块体以及形成于其上表面的光吸收层，所述光吸收层为光热材料和光催化材料的均匀混合物；所述聚乙烯醇凝胶块体的厚度为1-2 cm，光吸收层的厚度为50-300 μm。

2.如权利要求1所述的太阳能蒸发器件，其特征在于：所述光热材料为碳纳米管，所述光催化材料为g-c3n4@tio2异质结。

3.如权利要求1所述的太阳能蒸发器件，其特征在于：所述聚乙烯醇凝胶块体的厚度为1.5 cm，光吸收层的厚度为100 μm。

4.如权利要求1所述的太阳能蒸发器件，其特征在于：所述聚乙烯醇凝胶块体为规则形块体。

5.如权利要求4所述的太阳能蒸发器件，其特征在于：所述聚乙烯醇凝胶块体的形状为圆柱体、长方体或正方体。

6.一种如权利要求1-5之任一项所述的太阳能蒸发器件的制备方法，其特征在于，步骤如下：

7.一种如权利要求1-5之任一项所述的太阳能蒸发器件在染料污水处理中的应用。

8.如权利要求7所述的太阳能蒸发器件在染料污水处理中的应用，其特征在于：染料污水中染料的浓度为0.02-2 mg/ml。

技术总结
本发明属于污水处理技术领域，公开一种太阳能蒸发器件及其制备方法和应用。包括聚乙烯醇凝胶块体以及形成于其上表面的光吸收层，所述光吸收层为光热材料和光催化材料的均匀混合物。制备方法：配制聚乙烯醇溶液，并在其中加入戊二醛溶液，分散均匀之后，加入光热材料、光催化材料，随后再加入稀盐酸，混合均匀；将所得溶液置于模具器皿中，室温下自然凝胶化；将凝胶从模具器皿中取出，水洗干净；液氮冷冻，然后冷冻干燥，得到凝胶块体即为太阳能蒸发器件。所述的太阳能蒸发器件在染料污水处理中的应用。本发明对染料污水有近100%的处理效率，具有较高的蒸发速率及良好的长期稳定性，而且所述太阳能蒸发器件机械性能良好。

技术研发人员：王祖彬,张澳哲,许群
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8