CN109879344A - 一种光热蒸发表面及其制备和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于太阳能光热利用技术领域的一种光热蒸发表面及其制备和应用。光热蒸发表面为基底表面附着有阵列式周期性排列的多孔微结构，多孔微结构为由纳米颗粒堆积形成的咖啡环状结构；具体利用微液滴发生器，将纳米流体液滴阵列式周期性排列于基底表面，并加热以使液滴蒸干，基底表面形成阵列式周期性排列的咖啡环状多孔微结构。本发明提供的光热蒸发表面光热转化效率高、可以重复使用，且制备高效光热蒸发表面所需的纳米流体用量非常小，成本低，有利于工业化应用。

Description

一种光热蒸发表面及其制备和应用

技术领域

本发明属于太阳能光热利用技术领域，特别涉及一种光热蒸发表面及其制备和应用。

背景技术

蒸发过程在日常生活中随处可见，广泛应用于船舶动力、发电、海水淡化、化工生产等领域。目前吸收太阳能产蒸汽的现有技术主要有纳米流体整体吸收、高效太阳能光热转化膜表面吸收、光谱选择性吸收膜等几种。但在这些吸收方法中，纳米流体整体吸收存在消耗纳米颗粒多、成本高的缺点，并不适合于大规模工业应用；高效太阳能光热转化膜是以多孔材料为骨架，光热转化纳米颗粒附着在多孔材料表面，存在性能不稳定、较多依赖多孔材料与纳米颗粒之间配合的问题；光谱选择性吸收膜是应用最广泛的材料，但只能涂覆在材料外表面，依靠材料热传导加热液体，热损失大，效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光热蒸发表面及其制备和应用，具体技术方案如下：

一种光热蒸发表面，基底表面附着有阵列式周期性排列的多孔微结构，所述多孔微结构为由纳米颗粒堆积形成的咖啡环状结构。

所述基底材料为玻璃、硅片、有机玻璃或金属；其中，玻璃优选为石英玻璃。

所述纳米颗粒为金属、金属氧化物、非金属无机物颗粒中的一种或几种组成的复合材料。

所述基底材料具有疏水性表面，纳米颗粒具有亲水性表面。

所述光热蒸发表面的制备方法，利用微液滴发生器，将纳米流体液滴阵列式周期性排列于基底表面，并加热以使液滴蒸干，基底表面形成阵列式周期性排列的咖啡环状多孔微结构。

所述基底表面需经过抛光处理，使基底表面粗糙度为亚微米级；所述基底表面使用前进行清洁处理：先利用丙酮、酒精、去离子水依次超声清洗，再利用氮气吹干，重复3～4次，使基底表面无有机污物附着。

优选地，丙酮为分析纯，酒精优选为无水乙醇。

所述纳米流体为利含有纳米颗粒的胶体溶液；具体利用微液滴发生器产生一定体积的纳米流体液滴，并按照一定规律，将纳米流体液滴阵列式周期性附着于基底表面上。

进一步地，所述纳米流体利用“一步法”或“两步法”制备：“一步法”指采用化学合成的手段，一次性制成含有纳米颗粒的胶体溶液；“两步法”指将纳米颗粒分散在适当溶剂中，并用超声分散和添加活性剂的方法使胶体溶液稳定。

进一步地，所述微液滴发生器产生的纳米流体液滴体积由纳米流体浓度、接触圆直径、接触角大小共同决定。

进一步地，所述阵列式周期性排列为径向排列、同心圆排列、棋盘形排列或正六边形排列等周期性排列；所述相邻纳米流体液滴的间距≥纳米流体液滴与基底表面的接触面直径，以避免液滴之间聚合。

所述加热以使液滴蒸干具体为，将附着有阵列式周期性排列液滴的基底表面采用光照加热或基底加热的方式使液滴蒸干。蒸发过程中液滴内部产生径向流动，纳米颗粒在径向流动作用下堆积在接触线处形成咖啡环状的多孔微结构；液滴蒸干后，咖啡环状的多孔微结构将留在基底表面，并且刚好将入射的太阳能全部吸收。

进一步地，多孔微结构吸收太阳能的方式为本征吸收、等离激元共振效应或多重散射吸收中的一种或多种。

进一步地，光照加热是指：将放置有液滴的基底表面放置在太阳光、太阳能模拟器或者红外辐射灯等光源的照射范围内，利用液滴吸收辐射能使其蒸干。

进一步地，基底加热是指：将放置有液滴的基底表面放置在加热板上，利用基底传导的热量将液滴蒸干。

所述光热蒸发表面在太阳能光热利用中的应用，在所述光热蒸发表面上附上一层清水膜，清水膜自动破裂形成液滴阵列，在太阳光照射下，基底表面堆积的纳米颗粒吸收太阳能以加热液滴，液滴内液体转化为水蒸气，实现太阳能光热产蒸汽。

所述光热蒸发表面在海水淡化中的应用，在所述光热蒸发表面附上一层海水膜，海水膜自动破裂形成海水液滴阵列，加热使得海水液滴内液体转化为水蒸气，实现海水淡化。

所述光热蒸发表面在污水处理中的应用，在所述光热蒸发表面附上一层污水膜，污水膜自动破裂形成污水液滴阵列，加热使得污水液滴内液体转化为水蒸气，实现污水处理。

所述光热蒸发表面在海水淡化、污水处理应用过程中，加热方式为太阳能光照、电加热或辐射加热等。

所述加热方式为太阳能光照，实现的是太阳能光热利用淡化海水、处理污水。

所述清水膜、海水膜、污水膜自动破裂形成的液滴阵列与基底表面上多孔微结构排列方式相同。

所述液滴吸收热量蒸发期间，不断在基底表面补充清水、海水或污水，持续性实现太阳能光热产蒸汽、海水淡化或污水处理。

本发明光热蒸发表面的制备和工作原理为：微液滴发生器按照一定规律在洁净的基底表面放置多个一定体积的纳米流体液滴，在基底加热或太阳能辐射加热过程中，液滴内部的径向流动会携带纳米颗粒向液滴接触线处运动，液滴蒸干后，纳米颗粒会在接触线处堆积形成“咖啡环”图案，该图案为纳米颗粒堆积形成的多孔微结构，颗粒之间紧密接触，与入射太阳能之间发生耦合作用，增强光热转化效率。在基底表面附上一层清水膜，由于有颗粒堆积的区域表现出亲水性，而无颗粒剂堆积的区域表现出疏水性，在不同浸润性作用下，清水膜会自动破裂形成小液滴阵列，液滴阵列的形式与制备表面时纳米流体液滴阵列形式相同。之后，将其放置在太阳光照射下，基底表面堆积的纳米颗粒与太阳能相互作用，将太阳能转化为热能加热液滴，液滴吸收热量蒸发。蒸发期间不断在基底表面补充清水、海水或污水，将清水、海水或污水转化为洁净的水蒸气，持续性高效实现太阳能光热产蒸汽、海水淡化或污水处理的目的。

本发明的有益效果为：

(1)本发明巧妙地结合咖啡环效应和纳米颗粒高效吸收太阳能特性，将液滴中的纳米颗粒紧密地自组装在基底表面，减小颗粒之间的间距，得到一种高效光热蒸发表面。

(2)相比传统太阳能加热蒸发表面，本发明提供的光热蒸发表面，一方面，可以保证形成大规模阵列液滴，表面形成的液滴能有效增加气液界面面积，提高光热产蒸汽效率；另一方面，基底表面附着的纳米颗粒能够高效吸收太阳能，加热液滴使其转化为水蒸汽，以实现高效持续的光热产蒸汽，光热转化效率高，在海水淡化、污水处理、太阳能利用等领域均具有广阔的应用前景。

(3)本发明提供的光热蒸发表面结构可靠稳定、适应性强、可以重复使用，且制备高效光热蒸发表面所需的纳米流体用量非常小，能够用最少量的纳米颗粒得到最高的水蒸气产气效率；节约材料、价格低廉，有利于工业化应用。

附图说明

附图1为本发明光热蒸发表面制备流程图；

附图2为本发明光热蒸发表面结构示意图；

附图3为本发明光热蒸发表面应用在太阳能光热利用中的原理示意图；

标号说明：1-基底；2-清洗液；3-微液滴发生器；4-纳米流体；5-纳米流体液滴；6-太阳能模拟器；7-纳米颗粒；8-液滴内部的径向流动；9-“咖啡环”状多孔微结构；10-光热蒸发表面；11-“咖啡环”状多孔微结构A-A截面；12-清水。

附图4为单个清水液滴在本发明光热蒸发表面与普通表面上太阳光照蒸发体积变化曲线。

具体实施方式

本发明提供了一种光热蒸发表面及其制备和应用，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如附图1所示的光热蒸发表面制备流程图，主要包括三个步骤：(1)基底表面清洁处理；(2)纳米流体液滴周期性阵列式排列附着于基底表面上；(3)加热使液滴蒸干。

其中，步骤(1)基底表面清洁处理具体操作如图1-a、1-b所示。图1-a中，将基底1浸没于清洗液2中，并在超声波清洗机中对基底1的表面进行清洁处理；清洗液2分别为丙酮、无水乙醇和去离子水；利用丙酮、无水乙醇等有机溶剂对有机物的良好溶解性，并结合超声波震荡可以去除基底1表面上的有机污物；然后利用去离子水去除基底1表面上残留的丙酮和无水乙醇。最后用高纯氮气将基底1表面吹干，如图1-b所示。

步骤(2)纳米流体液滴周期性排列附着于基底表面上具体操作如图1-c所示。在微液滴发生器3中装入纳米流体4，纳米流体中分散的纳米颗粒为金属、金属氧化物或非金属无机物颗粒中的一种或几种组成的复合材料。用微液滴发生器3产生体积定量的纳米流体液滴5，并将其按照周期性阵列式的排列方式放置在基底1表面上，形成纳米流体液滴阵列，如图1-c所示。

纳米流体液滴5的周期性阵列式排列可以是径向排列、同心圆排列、棋盘形排列、正六边形排列等周期形式，相邻纳米流体液滴5的间距≥纳米流体液滴5与基底1表面的接触面直径，以避免液滴之间聚合。

步骤(3)加热使液滴蒸干具体操作如图1-d、1-e所示；将步骤(2)得到的附着有周期性阵列式排列的纳米流体液滴5的基底放置在太阳能模拟器6下照射，如1-d所示；纳米流体液滴5内的纳米颗粒7吸收太阳能，将光热转化为热能加热周围液体，继而液滴内液体蒸发转化为水蒸气，这一蒸发过程中，液滴内部的径向流动8携带纳米颗粒7向接触线处移动，纳米颗粒最终沉积在接触线附近，如1-e所示。

附图2为经附图1所示制备流程得到的光热蒸发表面结构示意图。纳米流体液滴5蒸干后，基底1表面上会留下纳米颗粒堆积形成的“咖啡环”状多孔微结构9，形成具有纳米颗粒附着的图案化高效光热蒸发表面10；其中“咖啡环”状多孔微结构9在基底表面的分布具体如图2-a所示。基底表面纳米颗粒微结构俯视图如图2-c所示，“咖啡环”状多孔微结构9在基底表面上呈周期性阵列式排列。

图2-b为图2-a中纳米颗粒堆积形成的“咖啡环”状结构9的A-A截面图，具体见“咖啡环”状多孔微结构A-A截面11，可以看出，“咖啡环”状多孔微结构9中纳米颗粒紧密接触。

图2-d为“咖啡环”状多孔微结构9的扫描电镜图，从图2-d所示的“咖啡环”状多孔微结构9微观形貌可以看出，“咖啡环”状多孔微结构9是由纳米颗粒堆积而成的。

附图3为本发明光热蒸发表面应用在太阳能光热利用中的原理示意图。其中：将附图1所示制备流程得到的光热蒸发表面浸没于清水12中，或在表面上覆盖一层水膜，如图3-a所示。在表面能作用下，清水会自行在有纳米颗粒沉积的位置形成液滴，如图3-b所示。将附着有液滴的高效光热蒸发表面放置在太阳光照射下，由于在接触线处有纳米颗粒存在，纳米颗粒与入射光发生相互作用，产生热量加热液滴，如图3-c所示；液滴蒸发转化为水蒸气，蒸发结束后，可继续在其上覆盖水膜，形成液滴阵列蒸发，持续性实现太阳能光热产蒸汽。

附图4为单个清水液滴在仅有一个多孔微结构的光热蒸发表面与普通表面上太阳光照蒸发体积变化曲线。光热蒸发表面基底材料为石英玻璃，形成多孔微结构所用的金纳米流体浓度为10μg/mL，微液滴发生器产生的液滴体积为2μL，液滴在基底表面的接触角为81°，接触面直径为2.1毫米；光热蒸发表面上只有一个多孔微结构。普通表面基底材料为石英玻璃，没有经过任何表面修饰处理。加热方式为太阳光照。

实施例1

根据下述方法制备高效光热蒸发表面：

基底表面选用石英玻璃，长200毫米，宽200毫米，厚2毫米。石英玻璃表面进行抛光处理，表面粗糙度在亚微米级别。依次用丙酮、无水乙醇、去离子水在超声波清洗机中清洗，去除表面有机污物，氮气吹干备用。

纳米流体选用金纳米流体，浓度为10μg/mL，金纳米颗粒直径为18纳米。将纳米流体装入微液滴发生器中，并将其固定在坐标台上，通过控制器移动坐标台，从而在指定位置产生液滴。微液滴发生器产生的液滴体积为2μL，液滴在基底表面的接触角为81°，接触面直径为2.1毫米。按照正方形网格阵列放置液滴，间距为4mm。

将附着有液滴的基底放置在太阳能模拟器下，太阳能模拟器的辐照强度为1kW/m²。待基底表面上的液滴蒸干之后，可在表面上观察到一个个黄色的咖啡环状图案，该咖啡环状图案即为纳米颗粒堆积形成的多孔微结构；即得到高效光热蒸发表面。

将上述制备的高效光热蒸发表面浸没于清水，之后取出，清水将自行在纳米颗粒沉积区域形成液滴，在太阳能照射下，纳米颗粒吸收太阳能光热转化，加热清水液滴蒸发，实现高效的太阳能产生蒸汽。

Claims (10)

1.一种光热蒸发表面，其特征在于，基底表面附着有阵列式周期性排列的多孔微结构，所述多孔微结构为由纳米颗粒堆积形成的咖啡环状结构。

2.根据权利要求1所述的光热蒸发表面，其特征在于，所述基底材料为玻璃、硅片、有机玻璃或金属；所述纳米颗粒为金属、金属氧化物、非金属无机物颗粒中的一种或几种组成的复合材料。

3.根据权利要求1所述的光热蒸发表面，其特征在于，所述基底材料具有疏水性表面，纳米颗粒具有亲水性表面。

4.一种权利要求1-3任一项所述光热蒸发表面的制备方法，其特征在于，利用微液滴发生器，将纳米流体液滴阵列式周期性排列于基底表面，并加热以使液滴蒸干，基底表面形成阵列式周期性排列的咖啡环状多孔微结构。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述纳米流体为利含有纳米颗粒的胶体溶液。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述基底表面粗糙度为亚微米级；所述基底表面使用前进行清洁处理：先利用丙酮、酒精、去离子水依次超声清洗，再利用氮气吹干。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述阵列式周期性排列为径向排列、同心圆排列、棋盘形排列或正六边形排列；所述相邻纳米流体液滴的间距≥纳米流体液滴与基底表面的接触面直径。

8.一种权利要求1-3任一项所述光热蒸发表面在太阳能光热利用中的应用，其特征在于，在所述光热蒸发表面附上一层清水膜，清水膜自动破裂形成液滴阵列，在太阳光照射下，基底表面堆积的纳米颗粒吸收太阳能以加热液滴，液滴内液体转化为水蒸气，实现太阳能光热产蒸汽。

9.一种权利要求1-3任一项所述光热蒸发表面在海水淡化中的应用，其特征在于，在所述光热蒸发表面附上一层海水膜，海水膜自动破裂形成海水液滴阵列，加热使得海水液滴内液体转化为水蒸气，实现海水淡化。

10.一种权利要求1-3任一项所述光热蒸发表面在污水处理中的应用，其特征在于，在所述光热蒸发表面附上一层污水膜，污水膜自动破裂形成污水液滴阵列，加热使得污水液滴内液体转化为水蒸气，实现污水处理。