本發(fā)明屬于太陽(yáng)能蒸發(fā)水處理領(lǐng)域，尤其涉及一種在大范圍光強(qiáng)度下提高光熱材料光熱轉(zhuǎn)換效率的方法、光熱材料及太陽(yáng)能集熱器。
背景技術(shù)：
1、海水淡化成為滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的清潔水需求的可行解決方案。在新興技術(shù)中，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)顯示出通過(guò)有效蒸發(fā)鹽水或污水來(lái)獲得淡水的巨大潛力。這一過(guò)程的效率依賴(lài)于有效的能源管理，包括光、熱和供水的管理。已經(jīng)采取了各種策略來(lái)提高能源效率，包括優(yōu)化光吸收、最大限度地減少能量損失、收集環(huán)境能量和降低蒸發(fā)焓，這主要是通過(guò)先進(jìn)的界面工程和系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
2、碳材料是最有前景的光吸收劑之一，自2011年首次用于太陽(yáng)能熱蒸發(fā)以來(lái)，碳基材料引起了人們的廣泛關(guān)注。如今，三維(3d)多孔石墨烯，特別是自由漂浮的石墨烯基氣凝膠已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，由于能隙變窄以及輕質(zhì)多孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它們表現(xiàn)出寬帶太陽(yáng)能吸收和高效的水傳輸；然而，它們有限的低光熱轉(zhuǎn)換效率阻礙了它們的蒸發(fā)性能。最近，各種共軛聚合物，如聚吡咯、聚苯胺(pani)和聚多巴胺，也因其廣泛的光吸收、低成本和在界面上的有效熱定位而被研究用于太陽(yáng)能界面蒸發(fā)應(yīng)用，但它們的利用通常需要復(fù)雜的程序來(lái)制備相應(yīng)的滲透蒸發(fā)薄膜。因此，通過(guò)界面工程將pani直接集成到3d石墨烯基氣凝膠中可以簡(jiǎn)化制造過(guò)程，并提高太陽(yáng)能蒸發(fā)性能。
3、另外，還開(kāi)發(fā)了新型太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)系統(tǒng)，通過(guò)整合各種工藝，如膜過(guò)濾、熱電轉(zhuǎn)換和仿生方法，提高了實(shí)際的清潔水生產(chǎn)率。然而，關(guān)于集成太陽(yáng)能集熱器的研究報(bào)告很少。使用廉價(jià)的菲涅耳透鏡可以很容易地創(chuàng)造高強(qiáng)度環(huán)境，當(dāng)應(yīng)用于太陽(yáng)能蒸發(fā)器的蒸發(fā)過(guò)程時(shí)，它們可以顯著提高水的蒸發(fā)率。halas小組報(bào)告了這一開(kāi)創(chuàng)性應(yīng)用，他們使用菲涅耳透鏡將等離子體金納米顆粒的表面溫度提高到水的沸點(diǎn)以上，導(dǎo)致顆粒-液體界面處形成蒸汽。naldoni和合著者進(jìn)一步研究了等離子體吸收劑在不同光強(qiáng)度下的性能，并與標(biāo)準(zhǔn)光濃度下的性能相比，在高光強(qiáng)度(≥7個(gè)太陽(yáng))下表現(xiàn)出高度的非線(xiàn)性性能增強(qiáng)?？雌饋?lái)，對(duì)于碳基材料，更高的能量輸入也可以提高蒸發(fā)率。例如，ma等人觀察到，在1至4個(gè)太陽(yáng)的太陽(yáng)光強(qiáng)度下，氧化石墨烯(go)改性的碳化棉材料的蒸發(fā)速率和表面溫度都在持續(xù)增加。然而，請(qǐng)注意，上述研究主要集中在4個(gè)太陽(yáng)以下的光強(qiáng)度，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)陽(yáng)光模擬器在沒(méi)有太陽(yáng)能收集器的幫助下僅限于這種強(qiáng)度。在高光照強(qiáng)度下，水蒸發(fā)率是否會(huì)繼續(xù)增加甚至激增，目前尚不確定。因此，對(duì)于碳基材料，不同的光輻射強(qiáng)度與水蒸發(fā)過(guò)程之間的關(guān)系及其潛在機(jī)制尚不清楚。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服在較高光強(qiáng)度6-10sun下光熱材料的水蒸發(fā)速率接近不變，不隨光強(qiáng)度的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)的問(wèn)題，太陽(yáng)能蒸發(fā)方法存在光熱轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題，提出一種通過(guò)在光熱材料周?chē)砑觽?cè)泡沫隔熱層來(lái)提升蒸發(fā)速率，以明顯提高水蒸發(fā)率的提高光熱材料光熱轉(zhuǎn)換效率的方法、光熱材料及太陽(yáng)能集熱器。
2、為解決所述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
3、本發(fā)明一方面提供一種在大范圍光強(qiáng)度下提高光熱材料光熱轉(zhuǎn)換效率的方法，包括：將聚苯胺顆粒負(fù)載在碳?xì)饽z中，控制聚苯胺負(fù)載量的占比，并利用菲涅爾透鏡拓寬光強(qiáng)度范圍到10個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)度以上，建立材料表面水蒸發(fā)速率與溫度變化之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并在光熱材料周?chē)砑优菽瓊?cè)隔熱層，來(lái)顯著改善光熱材料在6-10個(gè)太陽(yáng)的高光強(qiáng)下材料表面水蒸發(fā)速率受到抑制的問(wèn)題。該方法利用菲涅爾透鏡增強(qiáng)光熱材料蒸發(fā)表面入射的太陽(yáng)光強(qiáng)度，添加側(cè)泡沫隔熱層減少較高光強(qiáng)度6-10sun下的熱損失從而提高光熱材料光熱轉(zhuǎn)換能力，其中，光熱材料選自摻雜深綠色聚苯胺的碳?xì)饽z。
4、優(yōu)選的，利用菲涅爾透鏡增強(qiáng)光熱材料表面接收的太陽(yáng)光強(qiáng)度，在太陽(yáng)光強(qiáng)度為1-10sun范圍內(nèi)建立光熱材料表面水蒸發(fā)率與光熱材料蒸發(fā)界面溫度的變化之間的相關(guān)關(guān)系，并作出水蒸發(fā)率-溫度曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)碳基光熱材料在6-10個(gè)的聚光強(qiáng)度下水蒸發(fā)過(guò)程處于“平臺(tái)期”這一問(wèn)題，進(jìn)而添加泡沫側(cè)隔熱層獲得蒸發(fā)速率得到明顯增長(zhǎng)這一結(jié)論。
5、優(yōu)選的，將菲涅爾透鏡平行放在太陽(yáng)光光源與碳?xì)饽z中間，光線(xiàn)經(jīng)過(guò)菲涅爾透鏡匯聚，照射在光熱材料表面的太陽(yáng)光強(qiáng)度增強(qiáng)，聚苯乙烯泡沫用于制作隔熱層放在碳?xì)饽z周?chē)?/p>
6、優(yōu)選的，通過(guò)調(diào)節(jié)氙氣燈的功率大小和改變菲涅爾透鏡距離光熱材料表面的距離，改變光熱材料表面獲取的光強(qiáng)度。
7、優(yōu)選的，利用紅外熱像儀記錄光熱材料蒸發(fā)界面最高溫度隨著太陽(yáng)光強(qiáng)度增長(zhǎng)的變化。
8、優(yōu)選的，在6-10個(gè)太陽(yáng)的高光強(qiáng)環(huán)境下，碳?xì)饽z周?chē)母魺釋硬牧线x用聚苯乙烯泡沫；碳?xì)饽z選自石墨烯氣凝膠、碳納米管氣凝膠、多孔碳?xì)饽z、活性碳纖維氣凝膠中的一種或多種。
9、本發(fā)明另一方面提供一種光熱材料，用于上述任一技術(shù)方案所述的提高光熱材料光熱轉(zhuǎn)換效率的方法中；深綠色聚苯胺通過(guò)以下方法制備得到：在冰浴下，將苯胺單體溶解到hcl水溶液中得到溶液a，再將過(guò)硫酸銨溶解到hcl水溶液中得到溶液b，然后，將溶液a和溶液b混合，溶液逐漸變成深綠色，0℃下反應(yīng)后，離心得到沉淀物，洗滌得到深綠色聚苯胺。
10、優(yōu)選的，負(fù)載深綠色聚苯胺的碳?xì)饽z通過(guò)以下方法制備得到：在氧化石墨烯溶液中，摻雜進(jìn)深綠色聚苯胺，經(jīng)過(guò)還原、凍干、熱烘處理后，得到負(fù)載深綠色聚苯胺的碳?xì)饽z。
11、優(yōu)選的，負(fù)載深綠色聚苯胺的碳?xì)饽z通過(guò)以下方法制備得到：將氧化石墨烯溶液、抗壞血酸、以及深綠色聚苯胺混合攪拌，90℃下烘干得到水凝膠，水凝膠經(jīng)過(guò)凍干處理并在70℃下烘干轉(zhuǎn)為氣凝膠，得到負(fù)載深綠色聚苯胺的碳?xì)饽z。
12、本發(fā)明還提供一種太陽(yáng)能集熱器，利用所述菲涅爾透鏡增強(qiáng)入射太陽(yáng)光強(qiáng)度，以聚合物泡沫作為防水隔熱邊界材料，將上述任一技術(shù)方案所述的光熱材料置于所述聚合物泡沫周?chē)?，使得水蒸發(fā)速率獲得明顯增長(zhǎng)，得到浮于水面的所述太陽(yáng)能集熱器。
13、優(yōu)選的，太陽(yáng)能集熱器工作時(shí)：將三聚氰胺泡沫漂浮于水面上，將圓柱形碳?xì)饽z放在三聚氰胺泡沫上面，容器放在與電腦連接可實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)的電子天平上，菲涅爾透鏡平行放在氙氣燈與碳?xì)饽z中間，光線(xiàn)經(jīng)過(guò)菲涅爾透鏡匯聚，照射在圓柱形碳?xì)饽z表面，聚苯乙烯泡沫用于制作隔熱層放在碳?xì)饽z周?chē)丈鋾r(shí)間為1h，環(huán)境溫度為25℃，濕度保持在50-55％，水溫為25℃。
14、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：
15、本發(fā)明提供一種提高光熱材料光熱轉(zhuǎn)換效率的方法，通過(guò)優(yōu)化光熱材料，引入菲涅爾透鏡增強(qiáng)光熱材料蒸發(fā)表面入射的太陽(yáng)光強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)光熱材料的蒸發(fā)速率在6-10sun光強(qiáng)度下接近一致這一問(wèn)題，通過(guò)在光熱材料周?chē)砑优菽瓊?cè)隔熱層有效克服了局限性，減小了光熱材料向空氣中的熱損失，從而獲得6-10sun光強(qiáng)度下對(duì)光熱材料添加側(cè)泡沫隔熱層使得蒸發(fā)速率獲得明顯增長(zhǎng)這一結(jié)論，進(jìn)而有效提高了光熱材料光熱轉(zhuǎn)換能力；
16、本發(fā)明提供一種光熱材料，將石墨烯氣凝膠與聚苯胺結(jié)合，制備了具有優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)換能力的碳?xì)饽z材料。
1.一種在大范圍光強(qiáng)度下提高光熱材料光熱轉(zhuǎn)換效率的方法，其特征在于，包括：將聚苯胺顆粒負(fù)載在碳?xì)饽z中，控制聚苯胺負(fù)載量的占比，并利用菲涅爾透鏡拓寬光強(qiáng)度范圍到10個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)度以上，建立材料表面水蒸發(fā)速率與溫度變化之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并在光熱材料周?chē)砑优菽瓊?cè)隔熱層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光熱材料光熱轉(zhuǎn)換效率的方法，其特征在于，利用菲涅爾透鏡增強(qiáng)光熱材料表面接收的太陽(yáng)光強(qiáng)度，在太陽(yáng)光強(qiáng)度為1-10sun范圍內(nèi)建立光熱材料表面水蒸發(fā)率與光熱材料蒸發(fā)界面溫度的變化之間的相關(guān)關(guān)系，并作出水蒸發(fā)率-溫度曲線(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光熱材料光熱轉(zhuǎn)換效率的方法，其特征在于，將菲涅爾透鏡平行放在太陽(yáng)光光源與碳?xì)饽z中間，光線(xiàn)經(jīng)過(guò)菲涅爾透鏡匯聚，照射在光熱材料表面的太陽(yáng)光強(qiáng)度增強(qiáng)；通過(guò)調(diào)節(jié)光源的功率大小和改變菲涅爾透鏡與光熱材料表面的距離，來(lái)改變光熱材料表面獲取的光強(qiáng)度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高光熱材料光熱轉(zhuǎn)換效率的方法，其特征在于，利用紅外熱像儀記錄光熱材料蒸發(fā)界面最高溫度隨著太陽(yáng)光強(qiáng)度增長(zhǎng)的變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光熱材料光熱轉(zhuǎn)換效率的方法，其特征在于，在6-10個(gè)太陽(yáng)的高光強(qiáng)環(huán)境下，碳?xì)饽z周?chē)母魺釋硬牧线x用聚苯乙烯泡沫。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光熱材料光熱轉(zhuǎn)換效率的方法，其特征在于，碳?xì)饽z選自石墨烯氣凝膠、碳納米管氣凝膠、多孔碳?xì)饽z、活性碳纖維氣凝膠中的一種或多種。
7.一種光熱材料，其特征在于，用于權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的提高光熱材料光熱轉(zhuǎn)換效率的方法中；聚苯胺通過(guò)以下方法制備得到：在冰浴下，將苯胺單體溶解到hcl水溶液中得到溶液a，再將過(guò)硫酸銨溶解到hcl水溶液中得到溶液b，然后，將溶液a和溶液b混合，溶液逐漸變成深綠色，0℃下反應(yīng)后，離心得到沉淀物，洗滌、研磨后得到深綠色聚苯胺粉末顆粒。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光熱材料，其特征在于，負(fù)載聚苯胺的碳?xì)饽z通過(guò)以下方法制備得到：在氧化碳溶液中，摻雜進(jìn)聚苯胺顆粒，經(jīng)過(guò)還原、凍干、熱烘處理后，得到負(fù)載聚苯胺的碳?xì)饽z。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光熱材料，其特征在于，復(fù)合聚苯胺的碳?xì)饽z通過(guò)以下方法制備得到：將氧化碳溶液、抗壞血酸、以及聚苯胺混合攪拌，90℃下烘干得到水凝膠，水凝膠經(jīng)過(guò)凍干處理并在70℃下烘干轉(zhuǎn)為氣凝膠，得到聚苯胺復(fù)合碳?xì)饽z。
10.一種太陽(yáng)能集熱器，其特征在于，利用菲涅爾透鏡增強(qiáng)入射太陽(yáng)光強(qiáng)度，在權(quán)利要求7-9任一項(xiàng)所述的光熱材料周?chē)砑觽?cè)泡沫隔熱層使其在較高光強(qiáng)度6-10sun下水蒸發(fā)速率獲得明顯增長(zhǎng)，得到浮于水面的太陽(yáng)能集熱器。