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1、(10)申请公布号 CN 103964526 A (43)申请公布日 2014.08.06 CN 103964526 A (21)申请号 201410178303.2 (22)申请日 2014.04.29 C02F 1/14(2006.01) C02F 1/44(2006.01) C02F 103/08(2006.01) (71)申请人 北京理工大学 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街 5 号 (72)发明人 郑宏飞 伍纲 熊建银 康慧芳 毛巨正 (74)专利代理机构 北京理工大学专利中心 11120 代理人 仇蕾安 郭德忠 (54) 发明名称 一种太阳能微聚光毛细蒸发海水淡化膜 (。
2、57) 摘要 本发明公开了一种太阳能微聚光毛细蒸发海 水淡化膜, 属于太阳能集热和海水淡化技术领域。 本发明包括亲水多孔材料、 下层膜体、 上层膜体和 两个以上的海水淡化单元, 每个淡化单元利用微 聚光透镜聚光, 加热底部的毛细碳纤维管束, 由于 毛细作用, 海水被吸附至纤维管束上端面, 在太阳 光斑加热作用下蒸发, 水蒸气在遇冷后凝结, 凝结 后的水滴被亲水纤维垫圈吸收, 储存在亲水多孔 材料中, 最终实现海水淡化的目的。 此太阳能淡化 装置可折叠, 携带方便, 膜中大数量海水淡化微单 元可有效的蒸发海水, 实现高效轻便的海水淡化。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页。
3、 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103964526 A CN 103964526 A 1/1 页 2 1. 一种太阳能微聚光毛细蒸发海水淡化膜, 其特征在于, 包括亲水多孔材料 (9)、 下层 膜体 (8)、 上层膜体 (10) 和两个以上的海水淡化单元, 海水淡化单元包括圆筒腔 (2)、 第一 次微聚光透镜 (1)、 中部隔层 (3)、 第二次微聚光透镜 (4)、 亲水纤维垫圈 (5)、 海水进水管 (6)和毛细碳纤维管束(7) ; 其中, 所述亲水多孔材料(9)为平面结构, 亲水多孔。
4、材料(9)上 均布有设置海水淡化单元的圆柱形通孔 ; 所述毛细碳纤维管束 (7) 是由单根毛细碳纤维管 并列固定形成的管束 ; 所述圆筒腔 (2) 设置位于圆柱形通孔内, 圆筒腔 (2) 的下端面与亲水多孔材料 (9) 的 下表面平齐, 上端面高于亲水多孔材料(9)的上表面, 亲水多孔材料(9)的下表面上粘贴有 下层膜体 (8), 下层膜体 (8) 阻止海绵与海水接触, 亲水纤维垫圈 (5) 设置在圆筒腔 (2) 的 下端面与下层膜体 (8) 之间并延伸至亲水多孔材料 (9) 内部, 毛细碳纤维管束 (7) 固定在 海水进水管 (6) 内部, 毛细碳纤维管束 (7) 与海水进水管 (6) 共同。
5、垂直贯穿亲水纤维垫圈 (5) 和下层膜体 (8) 并通过海水进水管 (6) 固定在亲水纤维垫圈 (5) 上 ; 第二次微聚光透 镜 (4) 通过中部隔层 (3) 水平固定在圆筒腔 (2) 的中下部, 第一次微聚光透镜 (1) 固定在 圆筒腔 (2) 的上端面, 亲水多孔材料 (9) 之上第一次微聚光透镜 (1) 所在的平面由上层膜 体 (10) 封闭。 2. 如权利要求 1 所述的太阳能微聚光毛细蒸发海水淡化膜, 其特征在于, 在所述圆筒 腔 (2) 下部壁面、 中部隔层 (3) 下表面和亲水纤维垫圈 (5) 合围形成的空间内充入密度小 于水蒸气的气体。 3.如权利要求1或2所述的太阳能微聚光。
6、毛细蒸发海水淡化膜, 其特征在于, 所述第二 次微聚光透镜 (4)、 海水进水管 (6) 和毛细碳纤维管束 (7) 偏离圆筒腔 (2) 轴心。 4.如权利要求1或2所述的太阳能微聚光毛细蒸发海水淡化膜, 其特征在于, 所述圆筒 腔 (2) 倾斜嵌入在亲水多孔材料 (9) 中。 5. 如权利要求 1 所述的太阳能微聚光毛细蒸发海水淡化膜, 其特征在于, 取消了中部 隔层 (3) 和第二次聚光透镜 (4)。 6. 如权利要求 1 所述的太阳能微聚光毛细蒸发海水淡化膜, 其特征在于, 将所述将圆 筒腔 (2) 改为长方体腔, 第一次微聚光透镜 (1) 和第二次微聚光透镜 (4) 的外形也改为长 方体。
7、, 其纵剖面仍为凸面。 权 利 要 求 书 CN 103964526 A 2 1/4 页 3 一种太阳能微聚光毛细蒸发海水淡化膜 技术领域 0001 发明涉及一种利用太阳能微透镜聚光和毛细管作用的海水淡化膜, 属太阳能集 热、 海水淡化技术领域。 背景技术 0002 淡水作为一种珍稀资源, 特别是在淡水资源十分匮乏的沿海地区, 越来受到重视, 从地球上储量最大的海水中提取出淡水的技术也成为关注热点。 目前海水淡化的方法有多 种, 主要有反渗透膜法、 蒸馏法等。 0003 反渗透膜法利用渗透压的原理实现海水淡化。在正常的情况下, 当用渗透膜将淡 水和海水隔开时, 淡水中的水分子会在渗透压的作用下。
8、向海水一侧渗透。但是当在海水一 侧施加大于渗透压的压力时, 可以使海水中的水分子通过渗透膜向淡水一侧渗透, 而海水 中的盐产生的离子由于体积较大无法通过渗透膜, 从而使水分子和盐分子分离, 得到淡水。 反渗透膜法的优点是装置占地面积小, 处理出来的水质稳定 ; 缺点是装置复杂, 须有高压 设备, 需要额外供电, 渗透膜的价格也较高, 渗透膜由于技术流程的问题, 在压力下不可避 免的会被栓塞, 会被污染, 必须定期清洁, 检查, 后期运营成本相对较高, 且容易造成二次污 染。 0004 蒸馏法的原理很简单, 海水烧到沸腾, 淡水蒸发为蒸汽, 盐留在锅底, 蒸汽冷凝为 蒸馏水, 即是淡水。 这种古。
9、老的海水淡化方法, 消耗大量能源, 产生大量锅垢, 很难大量生产 淡水。因此现代又提出了多级闪急蒸馏淡化 : 水在常规气压下, 加热到 100才沸腾成为蒸 汽。如果使适当加温的海水, 进入真空或接近真空的蒸馏室, 便会在瞬间急速蒸发为蒸汽, 利用这一原理, 做成多级闪急蒸馏海水淡化装置。 此种淡化装置可以造得比较大, 真空蒸发 室可以造得比较多, 连接起来, 成为大型海水淡化工厂。 这种淡化工厂, 占地面积广, 需要与 热电厂建在一起, 利用热电厂的余热加热海水, 才能大大降低生产成本, 现行大型海水淡化 厂, 大多采用此法。 0005 上面这些方法首先需要消耗大量燃料和电能, 且投资大, 多。
10、以金属作为主材料、 设 备重、 占地广, 浪费陆地资源, 携带安装不方便, 安装后只能固定使用, 移动性差。 发明内容 0006 有鉴于此, 本发明提供了一种太阳能微聚光毛细蒸发海水淡化膜, 该海水淡化膜 直接利用太阳光生产淡水, 并且能够在常温下运行。 0007 一种太阳能微聚光毛细蒸发海水淡化膜, 包括亲水多孔材料、 下层膜体、 上层膜体 和两个以上的海水淡化单元, 海水淡化单元包括圆筒腔、 第一次微聚光透镜、 中部隔层、 第 二次微聚光透镜、 纤维垫圈、 海水进水管和毛细碳纤维管束 ; 其中, 亲水多孔材料为平面结 构, 亲水多孔材料上均布有设置海水淡化单元的圆柱形通孔 ; 毛细碳纤维管。
11、束是由单根毛 细碳纤维管并列固定形成的管束。 0008 圆筒腔设置位于圆柱形通孔内, 圆筒腔的下端面与亲水多孔材料的下表面平齐, 说 明 书 CN 103964526 A 3 2/4 页 4 上端面高于亲水多孔材料的上表面, 亲水多孔材料的下表面上粘贴有下层膜体, 下层膜体 阻止亲水多孔材料与海水接触, 亲水纤维垫圈设置在圆筒腔的下端面与下层膜体之间并延 伸至亲水多孔材料内部, 毛细碳纤维管束固定在海水进水管内部, 毛细碳纤维管束与海水 进水管共同垂直贯穿纤维垫圈和下层膜体并通过海水进水管固定在纤维垫圈上 ; 第二次微 聚光透镜通过中部隔层水平固定在圆筒腔的中下部, 第一次微聚光透镜固定在圆筒。
12、腔的上 端面, 亲水多孔材料之上第一次微聚光透镜所在的平面由上层膜体封闭。 0009 工作原理 : 淡化膜工作时需要放置有阳光的海面上, 太阳光线经第一次微聚光透 镜聚光后打在第二次微聚光透镜上, 再由微聚光透镜二次聚光打在毛细碳纤维管束上, 毛 细碳纤维管束吸附海水至其上表面, 吸附上来的海水被第二次微聚光透镜的聚光斑加热, 产生水蒸气, 水蒸气在由圆筒腔下部壁面、 中部隔层下表面和亲水纤维垫圈合围形成的空 间内凝结, 由于第二次微聚光透镜的凸面向上, 而不是向下, 此放置形式可以避免水蒸气在 凸面凝结后滴落回碳纤维管束中 ; 凝结的淡水被亲水纤维垫圈吸收, 最后储存在亲水多孔 材料中 ; 。
13、当淡水达到一定数量时, 用户收回淡化膜, 可以通过卷起等方式挤压出储存在亲水 多孔材料中的淡水, 以便使用。 0010 进一步的, 在圆筒腔下部壁面、 中部隔层下表面和亲水纤维垫圈合围形成的空间 内充入密度小于水蒸气的气体, 充入的气体浮在水蒸气的上层, 可使蒸发的水蒸气停留在 蒸发 - 冷凝腔的底部冷凝, 使得冷凝的效率更高。 0011 进一步的, 为提高太阳光线倾斜入射圆筒腔时的海水淡化效率, 将第二次微聚光 透镜、 海水进水管、 毛细碳纤维管束偏离圆筒腔轴心。 0012 进一步的, 为加快出水速度, 提高产水效率, 圆筒腔倾斜嵌入在亲水多孔材料中, 圆筒腔能够全部接受倾斜入射的太阳光线。。
14、 0013 进一步的, 为使装置更加简单, 生产成本更低, 取消中部隔层和第二次聚光透镜。 0014 进一步的, 为提高膜体表面利用率, 同时也提高海水淡化效率, 使点聚光变为线聚 光, 将圆筒腔改为长方体腔, 第一次微聚光透镜和第二次微聚光透镜的外形也改为长方体, 其纵剖面仍为凸面。 0015 有益效果 : 0016 1、 本发明直接利用太阳光进行海水淡化, 则不需要常规能量输入, 利用微小透镜 聚光产生热量加热碳纤维毛细管中的海水, 产生蒸汽冷凝, 由底部亲水纤维材料吸收, 后储 存在亲水多孔材料中, 从而达到生产淡水目的, 装置轻便, 可折叠, 移动性好 ; 0017 2、 本发明使用和。
15、操作简单, 可直接铺设在海水表面, 对淡水的采集也十分简便 ; 亲 水多孔材料上具有大数量的海水淡化单元, 海水淡化效率高 ; 0018 3、 本发明的组成结构全部使用非金属材料, 成本低, 利于在海水淡化行业内推广 和使用。 0019 4、 本发明将第二次微聚光透镜、 海水进水管和毛细碳纤维管束偏离圆筒腔轴心或 者将圆筒腔倾斜嵌入在亲水多孔材料中, 使圆筒腔能够全部接受倾斜入射的太阳光线, 能 够进一步加快出水速度, 提高产水效率 ; 0020 5、 本发明可以取消中部隔层和第二次聚光透镜, 使装置更加简单, 生产成本更低。 附图说明 说 明 书 CN 103964526 A 4 3/4 页。
16、 5 0021 图 1 为本发明整体结构示意图 ; 0022 图 2 为图 1 中 A 处截面放大图 ; 0023 图 3 为本发明将第二次微聚光透镜、 海水进水管、 毛细碳纤维管束偏离圆筒腔轴 心的一个实施例的示意图。 0024 图 4 为本发明将圆筒腔倾斜嵌入在膜体中的一个实施例的示意图。 0025 图 5 为本发明取消了中部隔层和第二次聚光透镜的一个实施例的示意图。 0026 图 6 为本发明将圆筒腔改为长方体腔的一个实施例的示意图。 0027 其中, 1第一次微聚光透镜 ; 2圆筒腔 ; 3中部隔层 ; 4第二次微聚光透镜 ; 5亲水纤维垫圈 ; 6海水进水管 ; 7毛细碳纤维管束 ;。
17、 8下层膜体 ; 9亲水多孔材料 ; 10上层膜体 ; 11太阳光线。 具体实施方式 0028 下面结合附图并举实施例, 对本发明进行详细描述。 0029 如附图1和2所示, 本发明提供了一种太阳能微聚光毛细蒸发海水淡化膜, 包括亲 水多孔材料 9、 下层膜体 8、 上层膜体 10 和两个以上的海水淡化单元, 海水淡化单元包括圆 筒腔2、 第一次微聚光透镜1、 中部隔层3、 第二次微聚光透镜4、 纤维垫圈5、 海水进水管6和 毛细碳纤维管束 7 ; 其中, 亲水多孔材料 9 为平面结构, 亲水多孔材料 9 上均布有设置海水 淡化单元的圆柱形通孔 ; 毛细碳纤维管束 7 是由单根毛细碳纤维管并列。
18、固定形成的管束 ; 亲水多孔材料 9 采用海绵。 0030 圆筒腔 2 设置位于圆柱形通孔内, 圆筒腔 2 的下端面与亲水多孔材料 9 的下表面 平齐, 上端面高于亲水多孔材料9的上表面, 亲水多孔材料9的下表面上粘贴有下层膜体8, 下层膜体 8 阻止亲水多孔材料与海水接触, 纤维垫圈 5 设置在圆筒腔 2 的下端面与下层膜 体 8 之间并延伸至亲水多孔材料 9 内部, 毛细碳纤维管束 7 固定在海水进水管 6 内部, 毛细 碳纤维管束 7 与海水进水管 6 共同垂直贯穿纤维垫圈 5 和下层膜体 8 并通过海水进水管 6 固定在纤维垫圈 5 上 ; 第二次微聚光透镜 4 通过中部隔层 3 水平。
19、固定在圆筒腔 2 的中下部, 第一次微聚光透镜 1 固定在圆筒腔 2 的上端面, 亲水多孔材料 9 之上第一次微聚光透镜 1 所在的平面由上层膜体 10 封闭。 0031 工作原理如附图 2 所示, 淡化膜工作时需要放置有阳光的海面上, 太阳光线 11 经 第一次微聚光透镜 1 聚光后打在第二次微聚光透镜 4 上, 再由微聚光透镜 4 二次聚光打在 毛细碳纤维管束7上, 毛细碳纤维管束7吸附海水至其上表面, 吸附上来的海水被第二次微 聚光透镜 4 的聚光斑加热, 产生水蒸气, 水蒸气在由圆筒腔 2 下部壁面、 中部隔层 3 下表面 和亲水纤维垫圈5合围形成的空间内凝结, 由于第二次微聚光透镜4。
20、的凸面向上, 而不是向 下, 此放置形式可以避免水蒸气在凸面凝结后滴落回碳纤维管束 7 中 ; 凝结的淡水被亲水 毛细纤维垫圈 5 吸收, 最后储存在亲水多孔材料 9 中 ; 当淡水达到一定数量时, 用户收回淡 化膜, 可以通过卷起等方式挤压出储存在亲水多孔材料中的淡水, 以便使用。 0032 此外, 可以在圆筒腔 2 下部壁面、 中部隔层 3 下表面和亲水纤维垫圈 5 合围形成的 空间内充入密度小于水蒸气的气体, 如氩气等, 充入的气体浮在水蒸气的上层, 可使蒸发的 水蒸气停留在蒸发 - 冷凝腔的底部冷凝, 使得冷凝的效率更高。 0033 在图3所示的一个实施例中, 将第二次微聚光透镜4、 。
21、海水进水管6、 毛细碳纤维管 说 明 书 CN 103964526 A 5 4/4 页 6 束 7 偏离圆筒腔 2 轴心, 此结构形式可在太阳光线 11 倾斜入射时提高海水淡化效率。 0034 在图 4 所示的一个实施例中, 圆筒腔 2 倾斜嵌入在亲水多孔材料 9 中, 此结构形式 可全部接受倾斜入射的太阳光线 11, 加快出水速度, 提高产水效率。 0035 在图 5 所示的一个实施例中, 取消了中部隔层 3 和第二次聚光透镜 4, 使装置更加 简单, 成本更低。 0036 在图 6 所示的一个实施例中, 将圆筒腔 2 改为长方体腔, 第一次微聚光透镜 1 和第 二次微聚光透镜 4 的外形也。
22、改为长方体, 其纵剖面仍为凸面, 上述改变使点聚光变为线聚 光, 提高膜体表面利用率, 同时也提高海水淡化效率。 0037 综上所述, 以上仅为本发明的较佳实施例而已, 并非用于限定本发明的保护范围。 凡在本发明的精神和原则之内, 所作的任何修改、 等同替换、 改进等, 均应包含在本发明的 保护范围之内。 说 明 书 CN 103964526 A 6 1/3 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103964526 A 7 2/3 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103964526 A 8 3/3 页 9 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103964526 A 9 。