本发明涉及太阳能蒸发，尤其涉及一种基于霍夫迈斯特效应的太阳能蒸发器及其制备和应用。
背景技术：
1、淡水资源对自然界中的生物体是必不可少的，但由于工业化进程对水需求的增加和人口的快速增长，水资源的短缺已成为一个全球性的问题。
2、目前，在实际应用中，传统海水淡化技术包括：离子交换法、电渗析法、反渗透法、膜蒸馏法等，需要依靠外在驱动力来维持长期高效运行，这些驱动力往往是通过消耗大量石油，煤矿等不可再生能源来提供，在消耗能源过程中会产生大量例如二氧化碳，一氧化碳等气体，最终导致温室效应、污染空气。此外，由于制备工艺复杂和能源消耗大，产生的淡化价格会远高于传统生活用水的价格，因此大大限制了海水淡化的进一步发展。所以开发一种简单、清洁和无污染的海水淡化技术以解决淡水危机迫在眉睫。
3、为了解决上述技术问题，本领域技术人员提出了多种新型净水技术，其中界面太阳能蒸发技术是最有希望替代传统能源的选择。然而，传统的太阳能蒸馏技术是将整个水体加热到较高温度进行蒸发，在这个过程中会造成大量光热损耗。而且，太阳能蒸馏技术在蒸发过程中，盐会在光热表面积累，进而阻碍蒸汽逸出，从而会导致减弱光吸收。为解决盐析出问题，本领域技术人员开发了多种技术，主要分为以下几种方法：1)定期清洁，该方法虽然一定程度上能够缓解析盐问题，但是需要耗费大量人力物力，且会对光热转换材料的结构及其性能造成影响。2)设计特定的蒸发系统，该方法通过加强供水，将盐从吸收器表面扩散到海水中来，从而改善太阳能海水蒸发器性能，但是该方法会从表面将热量带走，从而在除盐的同时造成蒸发速率低下。3)开发疏水性材料，以防止盐水到达蒸发器表面或使用非接触式太阳能蒸汽发电装置，但由于疏水界面的存在，在阻挡盐分的同时也造成了蒸发速率的降低。故上述几种方法均无法有效地在去除盐结晶的同时保证在盐水中的蒸发速率。
4、为此，本发明提供一种基于霍夫迈斯特效应的太阳能蒸发器及其制备和应用。
技术实现思路
1、为了解决上述现有技术中的不足，本发明考虑到太阳能蒸发的转换效率主要由三个因素决定，即太阳能吸收器、热管理和水传输。它们彼此紧密相关，而不是独立运行，通过合理的设计，将所有这些因素协同结合。改善每个单独组件的目标是一致的，即最大限度地减少热损失和提高太阳能蒸汽效率。其中，太阳能界面蒸发系统的关键是：当具有优异的太阳能吸收和光热转换性能的蒸发器被置于水面上进行蒸发时，蒸发器通过光热材料将太阳能限制在蒸发器的表层进行加热和表面蒸发，并由具有良好的湿润性能和连续的输水路径的基体向上持续输送水分，这样能够使得太阳能光-热转换和加热的位置位于界面处，这种特殊结构最大限度地减少了太阳能吸收器对底部大量水进行蒸发所需要的热损失，以实现更高的蒸汽生成速率。为此，本发明提供一种基于霍夫迈斯特效应的太阳能蒸发器及其制备和应用。
2、基于上述，本发明的第一个目的是提供一种基于霍夫迈斯特效应的太阳能蒸发器的制备方法。且为了提供一种能够去除盐结晶的同时保证在盐水中的蒸发速率的太阳能蒸发器，以保证能够通过界面太阳能蒸发技术实现盐水淡化处理。本发明从微观调节的角度上出发，试图通过加强水和离子之间的相互作用，以激活三维亲水聚合物网络中水的活性，从而增加中间水的比例，降低蒸发焓，进而提高三维亲水聚合物网络在盐水中的蒸发速率。为了确保本发明的水凝胶蒸发器能够在盐水中运行，以实现盐水淡化处理，本发明在制备水凝胶蒸发器时，综合考虑了na+和cl-等盐离子对水凝胶蒸发器的蒸发效果的影响。且本发明为了能够提高太阳能蒸发器在盐水中蒸发效率，本发明的基于霍夫迈斯特效应的太阳能蒸发器的制备方法，包括以下步骤：
3、以壳聚糖水凝胶作为蒸发器基体骨干，将壳聚糖水凝胶进行冷冻干燥以使所述壳聚糖水凝胶中形成致密的微孔结构；随后，对冷冻干燥后的壳聚糖水凝胶的表面进行碳化处理，以在其表面形成碳化层，获得所述太阳能蒸发器。
4、需要说明的是，本发明考虑到壳聚糖是一种聚阳离子天然聚合物，在主链中富含带正电荷的氨基，使得壳聚糖形成的水凝胶是一种带正电荷的阳离子水凝胶，能够通过静电相互作用吸引或捕获盐水中的cl-，使得捕获的cl-能够通过霍夫迈斯特效应实现对水凝胶材料的调节，比如，cl-能够通过削弱壳聚糖分子链之间的氢键来干扰氢键网络，破坏聚合物的结晶度结构，从而增强水和能力，而cl-强烈的水化作用可以使得蒸发器内部产生较多的中间水，从而降低体系的蒸发焓，提高蒸发速率。故本发明优选以壳聚糖水凝胶作为蒸发器基体骨干。
5、为了确保采用的壳聚糖水凝胶能够实现上述技术效果，在本发明一些可行的实施例中，采用的壳聚糖水凝胶通过以下步骤制得：
6、将壳聚糖均匀分散于弱酸溶液中，获得壳聚糖溶液；并将戊二醛加入至所述壳聚糖溶液中混匀，静置，获得壳聚糖水凝胶。
7、需要说明的是，为了获得组分均一的壳聚糖水凝胶，本发明考虑到壳聚糖的水溶性问题，故以弱酸溶液作为溶剂，以通过弱酸溶液实现对壳聚糖的分散溶解，以确保能够将壳聚糖配制形成透明均相的壳聚糖溶液。在本发明一些可行的实施例中，本发明考虑到成本问题和实验安全性问题，优选低浓度的乙酸作为溶剂，低浓度乙酸无毒无害，容易获得且成本较低。且为了确保采用的壳聚糖与乙酸溶液能够形成均相的壳聚糖溶液，在本发明一些可行的实施例中，乙酸溶液与壳聚糖的用量比为100ml:2～3g；其中，乙酸溶液由纯乙酸和水配制获得，且获得的乙酸溶液的浓度为0.15～0.25mol/l。
8、为了使得上述获得的均相的壳聚糖溶液能够形成壳聚糖水凝胶，在本发明一些可行的实施例中，以戊二醛作为交联剂，通过戊二醛与壳聚糖溶液混合，使得壳聚糖上的氨基与戊二醛的醛基之间发生缩合反应，进而形成一个具有稳定交联结构的缩合产物，即获得具有稳定交联结构的壳聚糖水凝胶。为了确保壳聚糖溶液能够与戊二醛形成壳聚糖水凝胶，在本发明一些可行的实施例中，所述戊二醛与所述壳聚糖溶液中的壳聚糖的用量比为0.1ml:2～3g。为了进一步确保形成的壳聚糖水凝胶组分分布均一，在本发明一些可行的实施例中，先将戊二醛稀释为质量浓度为3wt％～7wt％的戊二醛溶液，再采用边搅拌边滴加的方式，将所述获得的戊二醛溶液加入至所述壳聚糖溶液中，以使戊二醛与壳聚糖溶液充分混匀。为了确保能够通过静置使戊二醛与壳聚糖溶液充分交联形成壳聚糖水凝胶，在本发明一些可行的实施例中，将上述壳聚糖溶液与戊二醛溶液的混合溶液倒入模具中，于室温下静置8～16h，以获得壳聚糖水凝胶。
9、还需要说明的是，本发明为了提高壳聚糖水凝胶作为太阳能蒸发器时的蒸发效果，通过采用冷冻干燥的方式对壳聚糖水凝胶的内部结构进行调节，使得通过冷冻干燥使壳聚糖水凝胶的内部结构呈现蜂窝状结构，且该蜂窝状结构产生的孔隙致密且均匀，从而能够作为水运输和内部蒸汽通道进行使用，通过提高水传输能力，为光热界面提供足够的水，从而提高太阳能蒸发器的蒸发效果。为了确保能够通过冷冻干燥实现将壳聚糖水凝胶的内部结构为蜂窝状结构，在本发明一些可行的实施例中，采用的冷冻干燥的温度为-60～-20℃。为了进一步确保在该温度范围内，能够获得孔隙致密且均匀的蜂窝状结构，在本发明一些可行的实施例中，采用的冷冻干燥的时间为24～60h。
10、本发明为了进一步提高具有孔隙致密且均匀的蜂窝状结构的壳聚糖水凝胶作为太阳能蒸发器时的蒸发效果，在本发明一些可行的实施例中，通过对具有孔隙致密且均匀的蜂窝状结构的壳聚糖水凝胶的表面进行碳化处理，以通过碳化处理使得其表面形成深色的碳化层，进而能够提高其表面的光吸收效率，从而使得碳化后的壳聚糖水凝胶表面具有较高的光热转换效率，进而能够作为碳化层有效的将热能限制在太阳能蒸发器的蒸发表面，从而在提高光能利用率的同时减少热损失，进而提高其蒸发效果。且为了确保能够通过碳化处理实现上述效果，在本发明一些可行的实施例中，采用电热板加热的方式实现对壳聚糖水凝胶表面的碳化处理，且本发明考虑到碳化处理的温度过低无法有效实现碳化，或导致碳化时间过长；而碳化处理的温度过高会导致水凝胶三维交联网络结构遭到破坏，导致表面结构过脆甚至坍塌，进而影响其淡化海水的效果，故本发明优选碳化处理的温度为280～320℃。为了进一步确保能够通过碳化处理实现上述技术效果，在本发明一些可行的实施例中，碳化处理的时间45～75s。
11、本发明的第二个目的是提供一种上述制备方法制备的太阳能蒸发器。
12、需要说明的是，本发明制备的太阳能蒸发器的主体结构为具有三维蜂窝状结构的壳聚糖水凝胶，其上表面为经碳化形成的碳化层，即本发明的太阳能蒸发器为兼具三维蜂窝状结构和碳化层结构的特殊水凝胶材料。
13、本发明的第三个目的是提供一种上述太阳能蒸发器在淡化盐水中的应用。
14、需要说明的是，本发明为了确保本发明的太阳能蒸发器能够通过与盐水中cl-离子的霍夫迈斯特效应实现淡化盐水，在本发明一些可行的实施例中，通过以下方法实现淡化盐水：在光源照射下，将所述太阳能蒸发器漂浮在待处理盐水的水面上，以使所述太阳能蒸发器与所述待处理盐水中的cl-离子通过霍夫迈斯特效应，对所述待处理盐水进行净化处理。
15、在本发明一些可行的实施例中，所述待处理盐水为海水或含盐量为3.5wt％～20wt％的盐水。
16、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
17、本发明以壳聚糖水凝胶作为蒸发器基体，通过将壳聚糖水凝胶冷冻干燥后对其表面进行碳化处理，以在其表面形成一层碳化层，从而能够获得一种兼具三维蜂窝状结构和碳化层结构的特殊太阳能蒸发器。
18、本发明的太阳能蒸发器由于兼具三维蜂窝状结构和碳化层结构，且具有三维蜂窝状结构的壳聚糖水凝胶为带有的正电荷的阳离子水凝胶，能够通过静电相互作用吸引或捕获盐水中的cl-，且与捕获的cl-具有霍夫迈斯特效应，该效应能够促进壳聚糖水凝胶的水合性，并抑制结构的结晶度，产生较多的中间水，并降低体系的蒸发焓，从而使得本发明的水凝胶蒸发器在盐水中保持高效蒸发速率，能够在去除盐结晶的同时加速在盐水中的蒸发速率，使得本发明获得的太阳能蒸发器在光热除盐的长期实际应用中同时保持着优异的蒸发速率和良好的耐盐性，使得本发明的太阳能蒸发器能够实现淡化盐水(海水)。
1.一种基于霍夫迈斯特效应的太阳能蒸发器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳化处理的温度为280～320℃。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳化处理的时间为45～75s。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述壳聚糖水凝胶通过以下步骤制得：
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述弱酸溶液为浓度为0.15～0.25mol/l的乙酸溶液；
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述冷冻干燥的温度为-60～-20℃。
7.一种权利要求1-6任意一项所述的制备方法制备的太阳能蒸发器。
8.一种权利要求7所述的太阳能蒸发器在淡化盐水中的应用。
9.如权利要求8所述的应用，其特征在于，所述太阳能蒸发器通过以下方法实现淡化盐水：
10.如权利要求8所述的应用，其特征在于，所述待处理盐水为海水或含盐量为3.5wt％～20wt％的盐水。
